3D-печать удешевит создание ионных двигателей для кубсатов

Инженеры из США научились создавать при помощи 3D-принтера небольшие ионные двигатели размером с монету. Такой двигатель развивает тягу около десяти микроньютонов и имеет значительно больший удельный импульс с учетом напряжения, чем аналогичные ионные двигатели. Статья опубликована в Additive Manufacturing.

Ионные двигатели создают тягу, ускоряя заряженные частицы рабочего тела при помощи электрического поля. Двигатели такого типа имеют очень небольшую тягу в абсолютном значении и не подходят, к примеру, для выхода на орбиту Земли и, как правило, других планет. Зато они обладают несопоставимо большим удельным импульсом, чем химические двигатели, поэтому если аппарату не требуется набрать скорость быстро, ионный двигатель позволяет сделать то же самое более эффективно.

Среди ионных двигателей есть подкласс коллоидных или электрораспылительных двигателей, в которых в качестве рабочего тела используется ионная жидкость. В них используется массив конусов, на концах которых собирается жидкость и вылетает, ускоряясь в электрическом поле. Эти пластины с конусами создаются путем точного механического вырезания или литографического удаления материала, поэтому они довольно дороги при создании, особенно, если пластина имеет небольшой размер (а значит, ее элементы миниатюрнее и необходима большая точность) и предназначена для установки на кубсат. Дульсе Виридиана Мело Максимо (Dulce Viridiana Melo Maximoa) и Луис Фернандо Веласкес-Гарсия (Luis Fernando Velasquez-Garciaa) из Массачусетского технологического института научились создавать пластины для электрораспылительных двигателей при помощи 3D-печати.

Электрораспылительные двигатели различаются по конструкции и тому, как именно жидкость подается к месту, в котором она отрывается от пластины. Чаще всего используются полые конусы или цилиндры, внутри которых жидкость подводится к концу. Также есть и другая конструкция, при которой жидкость подводится снаружи и по пористой структуре на поверхности конуса, увеличивающей его смачиваемость, проходит к его концу. Инженеры использовали вторую конструкцию.

Разработанный ими двигатель состоит из двух основных электродов: испускающего и извлекающего, между которыми создается смещающее напряжение, заставляющее частицы ионной жидкости двигаться. Испускающий электрод состоит из резервуара для жидкости (авторы использовали жидкость EMI-BF₄), над которым располагается массив из конусов и отверстий между ними. По этим отверстиям жидкость переходит к основанию конусов, на которое методом гидротермального синтеза нанесены наностержни из оксида цинка. Над испускающим электродом установлен извлекающий, в котором над каждым конусом сделано отверстие для выхода ионов жидкости.

Авторы изготовили два варианта испускающего электрода: из немагнитной нержавеющей корозионно стойкой стали и полимера. Стальной электрод они печатали методом струйной печати связующим веществом, а полимерный — методом цифровой обработки света (DLP).

Испытания двигателей на основе этих электродов показали, что они имеют максимальную тягу на один конус 191,3 и 139,9 наноньютона для стального и полимерного электродов соответственно. При этом стальной электрод имеет гораздо меньшее максимальное требуемое напряжение (4,25 против 7 киловольт). Максимальный удельный импульс двигателя составляет 9260 секунд для стального электрода и 12200 для полимерного.

Кроме основных технических характеристик, которые безусловно важны, авторы также обратили внимание, что обычный аппарат для струйной металлической печати стоит около миллиона долларов, тогда как один из лучших и дорогих DLP-принтеров стоит 15 тысяч долларов. Поскольку подобные двигатели целесообразно устанавливать в кубсатах и покетсатах (с длиной ребра пять сантиметров), которые часто используются в небольших проектах, в том числе студенческих, предложенный ими двигатель с полимерным электродом можно рассматривать как оптимальный вариант для таких космических аппаратов.

3D-печать активно применяется при создании жидкостных ракетных двигателей, причем не только в прототипах. Например, на 3D-принтере создается существенная часть двигателей Rutherford, устанавливаемых на ракете-носителе Electron.

Григорий Копиев