Идеал для кубсатов: напечатан двигатель с электростатическим распылением для малых спутников

Электростатические ракетные двигатели (ЭРД) воздействуют электрическим полем на поток жидкости, создавая высокоскоростную струю из крошечных капель. Вылет капель может приводить в движение космический аппарат.


Поскольку ЭРД используют топливо более эффективно, чем мощные ракеты на химическом топливе, они лучше подходят для точных манёвров на орбите. Тяга, создаваемая электростатическим распылителем, очень мала, поэтому в электростатических двигателях обычно используют параллельно несколько таких форсунок.

Однако подобные составные ЭРД обычно изготавливают с помощью дорогостоящей и трудоёмкой полупроводниковой технологии в особо чистых помещениях. А такие требования ограничивают круг возможных производителей и шансы на распространённость описываемых устройств.

Зачем это нужно

Чтобы помочь преодолеть препятствия на пути космических исследований, инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировали первый полностью напечатанный на 3D-принтере двигатель для электрораспыления, испускающий брызги.

Разработанный миниатюрный двигатель рассчитан так, чтобы идеально подходить для небольших спутников, называемых кубсатами, которые часто используются в научных исследованиях. Кубсат (от английского cubesat, то есть cube + satellite, «куб» и «спутник») — это формат сверхмалых искусственных спутников Земли для исследования космоса со стороной в 10 см при массе не более 1,33 кг.



Устройство, изобретённое в MIT, можно изготовить быстрее и намного дешевле, чем традиционные ЭРД. Способствует тому использование вполне доступных на рынке материалов и технологий 3D-печати. Более того, новые ЭРД можно полностью создавать прямо на орбите, поскольку объёмная печать совместима условиями в космосе.

Инженеры разработали модульный процесс, объединив два метода 3D-печати. Тем самым удалось преодолеть трудности, связанные с изготовлением сложного и надёжного работающего устройства, в котором есть детали почти микроскопического масштаба.

Экспериментальный двигатель состоит из 32 электростатических форсунок, которые функционируют вместе, создавая стабильный и равномерный поток. Устройство, напечатанное на 3D-принтере, создавало такую же или даже большую тягу, чем существующие ЭРД с распылителями. С помощью новой технологии космонавты смогут быстро напечатать на орбите двигатель для спутника, не дожидаясь, пока его доставят с Земли.

Описал техническое новшество ведущий научный сотрудник лаборатории микросистемных технологий MIT Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, один из авторов. В работе над научной статьёй ему помогал соавтор Хёнсок Ким, аспирант.

Веласкес-Гарсия подчеркнул, что ранее известные способы производства с применением полупроводников не соответствовали идеалу о недорогих исследованиях космоса.


— Веласкес-Гарсия.

Модульный подход

В электрораспылительном двигателе есть резервуар с топливом, которое поступает по микрожидкостным каналам к ряду форсунок. Наконечник каждой форсунки находится под воздействием электростатического поля, которое запускает электрогидродинамический эффект (ЭГД-эффект). Эффект этот формирует свободную поверхность жидкости в виде конуса, с вершины которого идёт выброс потока высокоскоростных капель, создавая тягу.

Кончики форсунок должны быть как можно острее, чтобы обеспечить электрогидродинамический выброс топлива при низком напряжении тока. Устройство также нуждается в сложной гидравлической системе для хранения жидкости и регулирования потока, эффективно перемещая топливо по каналам с практически капиллярным просветом.

Комплекс форсунок состоит из восьми модулей с четырьмя отверстиями в каждом, которые должны работать синхронно.


— Веласкес-Гарсия.

Исследователи использовали два разных типа двухфотонной печати, то есть методы фотополимеризации в ванне (VPP). При VPP на светочувствительную смолу направляют свет, который отверждает массу, образуя трёхмерные структуры с гладкими поверхностями и высокой точностью.

Технология задействует сфокусированный лазерный луч для затвердевания смолы в точно заданной области, создавая трёхмерную структуру по одному вокселю (крошечному «кирпичику») за раз. Такой уровень детализации позволил изготовить чрезвычайно острые наконечники излучателей и узкие однородные капилляры для подачи топлива.

Форсуночные модули установили в прямоугольный корпус, называемый коллектором, который удерживает их на месте и обеспечивает подачу топлива в разбрызгиватели. Коллектор также объединил модули с извлекающим электродом, который запускает подачу топлива из наконечников при подаче соответствующего напряжения. Изготовление более крупного коллектора с помощью двухфотонной печати было бы нецелесообразным из-за низкой производительности метода и ограниченного объёма печати.

Вместо этого исследователи использовали метод, называемый цифровой обработкой света. При этом проектор размером с микросхему направляет свет на смолу, отверждая по одному слою 3D-структуры за один проход.


— Веласкес-Гарсия.

Движущая сила

Но 3D-печать компонентов двигателя с электрораспылением — это только полдела. Исследователи также провели химические эксперименты, чтобы убедиться, что материалы для печати совместимы с жидким топливом. В противном случае оно могло вызвать коррозию двигателя или привести к растрескиванию. Естественно, это было бы нежелательно для оборудования, рассчитанного на длительную эксплуатацию, причём без какого-либо техобслуживания.



Изобретатели также разработали способ соединения отдельных деталей так, чтобы избежать перекосов, которые могут ухудшить работу устройства, тем самым обеспечив водонепроницаемость.

В итоге прототип, напечатанный на 3D-принтере, смог создавать тягу эффективнее, чем более крупные и дорогие ракеты на химическом топливе, а также превзошёл по своим показателям существующие ЭРД.

А ещё исследователи изучили, как регулировка и давления топлива, и напряжения, подаваемого на двигатель, влияют на распыление капель. Регулируя напряжение, они добились более широкого диапазона тяги. Такое достижение может привести к тому, что не будет больше необходимости в сложной сети труб, клапанов и подаче сигналов давления для регулирования потока жидкости. В итоге изобретение помогло бы создать более лёгкий, дешёвый и эффективный ЭРД.


— Веласкес-Гарсия.

Исследователи хотят продолжить изучение преимуществ регулировки напряжения в будущих проектах. Они также стремятся создать более плотные и крупные массивы форсуночных модулей. Кроме того, есть планы исследовать использование нескольких электродов, чтобы отделить процесс запуска электрогидродинамического выброса топлива, начиная от стадии формирования выбрасываемой струи и её скорости.

В долгосрочной перспективе инженеры также надеются показать миру кубсат, который во время работы и схода с орбиты будет использовать полностью напечатанный на 3D-принтере ЭРД.