Двигатель на холодном газе - Cold gas thruster

А подруливающее устройство на холодном газе (или двигательная установка на холодном газе) является разновидностью ракетный двигатель который использует расширение (обычно инертного) сжатого газа для генерации толкать. В отличие от традиционных ракетных двигателей, двигатель малой тяги на холодном газе не имеет внутреннего сгорания и поэтому имеет меньшую тягу и эффективность по сравнению с обычными двигателями. одноразовое топливо и двухкомпонентное топливо ракетные двигатели. Двигатели, работающие на холодном газе, были названы «простейшим воплощением ракетного двигателя», потому что их конструкция состоит только из топливного бака, регулирующего клапана, форсунки и небольшого количества необходимых трубопроводов. Это самые дешевые, простые и надежные двигательные установки, доступные для обслуживания орбиты, маневрирования и контроль отношения.^{[нужна цитата ]}

Двигатели на холодном газе в основном используются для стабилизации небольших космических полетов, требующих работы без загрязняющих веществ.^[1] Конкретно, CubeSat Разработка силовых установок была в основном сосредоточена на системах холодного газа, потому что CubeSats имеют строгие правила против пиротехника и опасные материалы.^[2]

Дизайн

Схема силовой установки на холодном газе

Сопло двигателя малой тяги на холодном газе обычно представляет собой сходящееся-расходящееся сопло что обеспечивает необходимую тягу в полете. Форсунка имеет такую ​​форму, что газ под высоким давлением и низкой скоростью, который входит в сопло, расширяется по мере приближения к горловине (самой узкой части сопла), где скорость газа соответствует скорости звука.^{[нужна цитата ]}

Спектакль

Подруливающие устройства на холодном газе выигрывают от их простоты; однако в других отношениях они не оправдывают ожиданий. В следующем списке перечислены преимущества и недостатки системы холодного газа.

Преимущества

• Отсутствие горения в сопле двигателя малой тяги на холодном газе позволяет использовать его в ситуациях, когда обычные жидкостные ракетные двигатели будут слишком горячими. Это устраняет необходимость в проектировании систем управления теплом.
• Простая конструкция позволяет двигателям быть меньше обычных ракетных двигателей, что делает их подходящим выбором для миссий с ограниченными требованиями к объему и весу.
• Система холодного газа и его топливо недороги по сравнению с обычными ракетными двигателями.^{[нужна цитата ]}
• Простая конструкция менее подвержена отказам, чем традиционный ракетный двигатель.^{[нужна цитата ]}
• С топливом, используемым в системе холодного газа, безопасно обращаться как до, так и после запуска двигателя. Если используется инертное топливо, система холодного газа является одним из самых безопасных ракетных двигателей.^[1]
• Двигатели на холодном газе не накапливают чистый заряд космического корабля во время работы.
• Двигателям на холодном газе требуется очень мало электроэнергии для работы, что полезно, например, когда космический корабль находится в тени планеты, на которой он вращается.

Недостатки

• Система холодного газа не может обеспечить высокую тягу, которую могут обеспечить ракетные двигатели внутреннего сгорания.
• Двигатели на холодном газе менее эффективны по массе, чем традиционные ракетные двигатели.
• Максимальная тяга двигателя малой тяги на холодном газе зависит от давления в резервуаре для хранения. По мере израсходования топлива давление уменьшается, а максимальная тяга уменьшается.^[3]

Толкать

Толкать генерируется обменом импульсом между выхлопом и космическим кораблем, который задается формулой Второй закон Ньютона в качестве ${displaystyle F={dot {m}}V_{e}}$куда ${displaystyle {dot {m}}}$- массовый расход, а ${displaystyle V_{e}}$скорость истечения.

В случае космического двигателя на холодном газе, где двигатели рассчитаны на бесконечное расширение (поскольку давление окружающей среды равно нулю), тяга задается как

${displaystyle F=A_{t}P_{c}gamma left[left({frac {2}{gamma -1}}ight)left({frac {2}{gamma +1}}ight)left(1-{frac {P_{e}}{P_{c}}}ight)ight]+P_{e}A_{e}}$

Где ${displaystyle A_{t}}$ это область горла, ${displaystyle P_{c}}$ - давление камеры в сопле, ${displaystyle gamma }$ это коэффициент удельной теплоемкости, ${displaystyle P_{e}}$ давление на выходе пороха, и ${displaystyle A_{e}}$ - площадь выхода из сопла.^{[нужна цитата ]}

Удельный импульс

В удельный импульс (Я_зр) ракетного двигателя - важнейший показатель эффективности; обычно желателен высокий удельный импульс. Двигатели на холодном газе имеют значительно более низкий удельный импульс, чем большинство других ракетных двигателей, потому что они не используют химическую энергию, запасенную в топливе. Теоретический удельный импульс для холодных газов определяется выражением

${displaystyle I_{sp}={frac {C^{*}}{g_{0}}}gamma {sqrt {left({frac {2}{gamma -1}}ight)left({frac {2}{gamma +1}}ight)^{frac {gamma +1}{gamma -1}}left(1-{frac {P_{e}}{P_{c}}}ight)^{frac {gamma -1}{gamma }}}}}$

куда ${displaystyle g_{0}}$является стандартная сила тяжести и ${displaystyle C^{*}}$это характеристическая скорость который дается

${displaystyle C^{*}={frac {a_{0}}{gamma left({frac {2}{gamma +1}}ight)^{frac {gamma +1}{2(gamma -1)}}}}}$

куда ${displaystyle a_{0}}$это скорость звука топлива.^{[нужна цитата ]}

Пропелленты

Системы холодного газа могут использовать систему хранения твердого, жидкого или газообразного топлива; но топливо должно выходить из сопла в газообразном виде. Хранение жидкого ракетного топлива может вызвать проблемы с ориентацией из-за хлестания топлива в баке.

При принятии решения, какое топливо использовать, необходимо учитывать высокий удельный импульс и высокий удельный импульс на единицу объема топлива.^[3]

В следующей таблице представлен обзор удельных импульсов различных топлив, которые могут использоваться в двигательной установке на холодном газе.

Топливо и эффективность ^[1]

Холодный газ	Молекулярный вес M (u)	Теоретическая язр (сек)	Измерено язр (сек)	Плотность (г / см^3)
ЧАС2	2.0	296	272	0.02
Он	4.0	179	165	0.04
Ne	20.2	82	75	0.19
N2	28.0	80	73	0.28
О2	32.0	?
Ar	40.0	57	52	0.44
Kr	83.8	39	37	1.08
Xe	131.3	31	28	2.74
CCl2F2 (Фреон-12)	120.9	46	37	Жидкость
CF4	88.0	55	45	0.96
CH4	16.0	114	105	0.19
NH3	17.0	105	96	Жидкость
N2О	44.0	67	61	Жидкость
CO2	44.0	67	71	Жидкость

Свойства при 25 ° C и 1 атм.

Приложения

Человеческое движение

Двигатели на холодном газе особенно хорошо подходят для двигательные установки космонавта из-за инертной и нетоксичной природы их пропеллентов.

Ручной маневренный блок

Основная статья: Ручной маневренный блок

Ручной маневренный блок (HHMU), используемый на Близнецы 4 и 10 в миссиях использовался сжатый кислород, чтобы облегчить астронавтам выход в открытый космос.^[4] Хотя в патенте HHMU устройство не классифицируется как двигатель малой тяги на холодном газе, HHMU описывается как «силовая установка, использующая тягу, создаваемую сжатым газом, выходящим из различных сопловых средств».^[5]

Пилотируемая группа маневрирования

Основная статья: Пилотируемая группа маневрирования

Двадцать четыре двигателя с холодным газом, использующие сжатый газообразный азот, использовались на пилотируемой маневренной установке (MMU). Двигатели обеспечивали астронавту с MMU полный контроль над шестью степенями свободы. Каждый двигатель обеспечивал тягу 1,4 фунта (6,23 Н). Два топливных бака на борту обеспечивали в общей сложности 40 фунтов (18 кг) газообразного азота при давлении 4500 фунтов на квадратный дюйм, что давало достаточно топлива для изменения скорости от 110 до 135 футов / с (от 33,53 до 41,15 м / с). При номинальной массе MMU имел поступательное ускорение 0,3 ± 0,05 фут / сек.² (9,1 ± 1,5 см / с²) и ускорение вращения 10,0 ± 3,0 град / с² (0,1745 ± 0,052 рад / сек²)^[6]

Вернье Двигатели

Основная статья: Вернье Двигатели

Большие двигатели на холодном газе используются для помощи в управлении ориентацией первой ступени двигателя. SpaceX Сокол 9 ракета, когда она возвращается на землю.^[7]

Автомобильная промышленность

В твитнуть в июне 2018 г., Илон Маск предложили использовать воздушные двигатели на холодном газе для улучшения характеристик автомобиля.^[8]

В сентябре 2018 г. Bosch успешно протестировала свою испытанную систему безопасности для предотвращения скольжения мотоцикла с помощью подруливающих устройств на холодном газе. Система определяет боковую пробуксовку колес и использует подруливающее устройство на холодном газе, чтобы мотоцикл не проскальзывал дальше.^[9]

Текущее исследование

Основное внимание в текущих исследованиях уделяется миниатюризации двигателей на холодном газе с использованием микроэлектромеханические системы.^[10]

Смотрите также

• Ракета Resistojet
• Монотопливная ракета
• CubeSat

Рекомендации

1. Нгуен, Хьюго; Келер, Йохан; Стенмарк, Ларс (01.01.2002). «Достоинства микродвигателя холодного газа в современных космических полетах». Iaf Abstracts: 785. Bibcode:2002iaf..confE.785N.
2. «Микродвигательные установки для кубесатов». ResearchGate. Получено 2018-12-14.
3. Туммала, Акшай; Дутта, Атри; Туммала, Акшай Редди; Датта, Атри (9 декабря 2017 г.). «Обзор технологий и тенденций в области двигательных установок Cube-Satellite». Аэрокосмическая промышленность. 4 (4): 58. Дои:10.3390 / Aerospace4040058.
4. "Маневренный блок, ручной, белый, Gemini 4". Национальный музей авиации и космонавтики. 2016-03-20. Получено 2018-12-12.
5. США 3270986  Ручной самоуправляемый блок
6. Ленда, Дж. А. "Пилотируемый маневренный блок: Руководство пользователя." (1978).
7. Plarson (25.06.2015). «Почему и как приземляются ракеты». SpaceX. Получено 2018-12-16.
8. Илон Маск [@elonmusk] (9 июня 2018 г.). «Пакет опций SpaceX для нового Tesla Roadster будет включать ~ 10 небольших ракетных двигателей, расположенных плавно вокруг автомобиля. Эти ракетные двигатели значительно улучшают ускорение, максимальную скорость, торможение и прохождение поворотов. Возможно, они даже позволят Tesla летать…» (Твит) - через Twitter.
9. «Повышенная безопасность на двух колесах: инновации Bosch для мотоциклов будущего». Bosch Media Service. Получено 2018-12-14.
10. Kvell, U; Пуусепп, М; Камински, Ф; Прошлое, JE; Палмер, К; Гренланд, Т-А; Ноорма, М (2014). «Управление орбитой наноспутника с помощью двигателей на холодном газе MEMS». Известия Эстонской академии наук. 63 (2С): 279. Дои:10.3176 / proc.2014.2s.09. ISSN  1736-6046.