Двигатель на холодном газе

Холодный газ подруливающее устройство (или газа двигательной системы холодного ) является одним из видов ракетного двигателя , который использует расширение (обычно инертного газа) под давлением в генерировать тягу . 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 обычным монотопливным и двухкомпонентным топливомракетные двигатели. Двигатели на холодном газе были названы «простейшим воплощением ракетного двигателя», потому что их конструкция состоит только из топливного бака, регулирующего клапана, сопла и небольшого количества необходимых трубопроводов. Это самые дешевые, самые простые и самые надежные двигательные установки, доступные для обслуживания орбиты, маневрирования и управления ориентацией . ^{[ необходима цитата ]}

Двигатели на холодном газе преимущественно используются для стабилизации небольших космических полетов, требующих работы без примесей. ^{[1] В} частности, разработка силовой установки CubeSat была в основном сосредоточена на системах с холодным газом, потому что CubeSat имеют строгие правила в отношении пиротехники и опасных материалов. ^[2]

Дизайн [ править ]

Схема силовой установки на холодном газе

Сопло двигателя малой тяги на холодном газе, как правило, представляет собой сходящееся-расширяющееся сопло, которое 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. ^{[ необходима цитата ]}

Производительность [ править ]

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

Преимущества [ править ]

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, чем обычные ракетные двигатели, 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. ^{[ необходима цитата ]}
Простая конструкция менее подвержена отказам, чем традиционный ракетный двигатель. ^{[ необходима цитата ]}
Топливо, используемое в системе холодного газа, безопасно использовать как до, так и после запуска двигателя. При использовании инертного топлива 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 [ править ]

Система холодного газа не может обеспечить такую 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 того, как топливо израсходовано, давление снижается и максимальная тяга уменьшается. ^[3]

Тяга [ править ]

Упорный генерируется путем обмена импульсом между выхлопом и космическим аппаратом, который определяется вторым законом Ньютона , как , где это массовый расход, и есть скорость выхлопа. ${\ displaystyle F = {\ dot {m}} V_ {e}}$ ${\dot {m}}$ $V_{e}$

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

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

Где - площадь горловины, - давление в камере в сопле, - коэффициент теплоемкости , - давление на выходе топлива и - площадь выхода из сопла. ^[^{необходима цитата}^] $A_{t}$ $P_{c}$ $\gamma$ $P_{e}$ $A_{e}$

Удельный импульс [ править ]

Удельный импульс (я _зр ) ракетный двигатель является наиболее важным показателем 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, хранящуюся в топливе. Теоретический удельный импульс для холодных газов определяется выражением

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

где - стандартная сила тяжести, а - характеристическая скорость, которая определяется выражением $g_{0}$ $C^{*}$

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

где - звуковая скорость пороха. ^[^{необходима цитата}^] $a_{0}$

Горючее [ править ]

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

При принятии решения о том, 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 ракетных топлив, которые могут использоваться в двигательной установке на холодном газе.

Топливо и эффективность ^[1]
Холодный газ	Молекулярный вес M (u)	Теоретический I _sp (сек)	Измеренный I _sp (сек)	Плотность (г / см ³ )
H 2	2.0	296	272	0,02
Он	4.0	179	165	0,04
Ne	20,2	82	75	0,19
№ 2	28,0	80	73	0,28
O 2	32,0	?
Ar	40,0	57 год	52	0,44
Kr	83,8	39	37	1.08
Xe	131,3	31 год	28 год	2,74
CCl 2 F 2 (фреон-12)	120,9	46	37	Жидкость
CF 4	88,0	55	45	0,96
CH 4	16.0	114	105	0,19
NH 3	17.0	105	96	Жидкость
N 2 O	44,0	67	61	Жидкость
CO 2	44,0	67	61	Жидкость

Свойства при 25 ° C и 1 атм.

Приложения [ править ]

Human Propulsion [ править ]

Двигатели на холодном газе особенно хорошо подходят для силовых установок космонавтов из-за инертной и нетоксичной природы их топлива.

Ручной маневренный блок [ править ]

Основная статья: Ручной маневренный отряд

Ручное Маневрирование Unit (HHMU) используется на Gemini 4 и 10 миссий использовали сжатый кислород , чтобы облегчить астронавт внекорабельной деятельности . ^[4] Хотя в патенте HHMU устройство не классифицируется как двигатель малой тяги на холодном газе, HHMU описывается как «силовая установка, использующая тягу, развиваемую сжатым газом, выходящим из различных средств сопла». ^[5]

Пилотируемое маневрирование [ править ]

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. Каждое подруливающее устройство обеспечивало тягу в 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 / сек ² ) и ускорение вращения 10,0 ± 3,0 град / сек ² (0,1745 ± 0,052 рад / сек ² ) ^{[ 6]}

Vernier Engines [ править ]

Основная статья: Вернье Двигатели

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

Автомобильная промышленность [ править ]

В своем твите в июне 2018 года Илон Маск предложил использовать воздушные двигатели на холодном газе для улучшения характеристик автомобиля. ^[8]

В сентябре 2018 года компания Bosch успешно провела испытания своей проверенной концепции системы безопасности для устранения пробуксовки мотоцикла с помощью подруливающих устройств на холодном газе. Система определяет боковую пробуксовку колес и использует боковой подруливающий двигатель на холодном газе, чтобы предотвратить дальнейшее скольжение мотоцикла. ^[9]

Текущее исследование [ править ]

Основное внимание в текущих исследованиях уделяется миниатюризации двигателей на холодном газе с помощью микроэлектромеханических систем . ^[10]

См. Также [ править ]

Ракета Resistojet
Монотопливная ракета
CubeSat

Ссылки [ править ]

^ a b c Нгуен, Хьюго; Келер, Йохан; Стенмарк, Ларс (01.01.2002). «Достоинства микродвигателя холодного газа в современных космических полетах» . Рефераты Iaf : 785. Bibcode : 2002iaf..confE.785N .
^ "Микродвигательные установки для кубесатов" . ResearchGate . Проверено 14 декабря 2018 .
^ а б Туммала, Акшай; Дутта, Атри; Туммала, Акшай Редди; Датта, Атри (9 декабря 2017 г.). "Обзор технологий и тенденций в области двигательных установок кубических спутников" . Аэрокосмическая промышленность . 4 (4): 58. DOI : 10.3390 / aerospace4040058 .
^ "Блок маневрирования, ручной, белый, Близнецы 4" . Национальный музей авиации и космонавтики . 2016-03-20 . Проверено 12 декабря 2018 .
^ US 3270986 Ручной самоуправляемый блок
^ Ленда, JA " Пилотируемый маневренный блок: руководство пользователя" . (1978).
^ Plarson (25 июня 2015 г.). «Зачем и как приземляются ракеты» . SpaceX . Проверено 16 декабря 2018 .
^ 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 .
^ «Повышенная безопасность на двух колесах: инновации Bosch для мотоциклов будущего» . Bosch Media Service . Проверено 14 декабря 2018 .
^ Kvell, U; Пуусепп, М; Камински, Ф; Прошлое, JE; Палмер, К; Grönland, TA; Ноорма, М (2014). «Управление орбитой наноспутников с помощью двигателей на холодном газе MEMS» . Известия Эстонской академии наук . 63 (2S): 279. DOI : 10,3176 / proc.2014.2s.09 . ISSN 1736-6046 .

[:0-1] Нгуен, Хьюго; Келер, Йохан; Стенмарк, Ларс (01.01.2002). «Достоинства микродвигателя холодного газа в современных космических полетах» . Рефераты Iaf : 785. Bibcode : 2002iaf..confE.785N .

[2] "Микродвигательные установки для кубесатов" . ResearchGate . Проверено 14 декабря 2018 .

[:2-3] а б Туммала, Акшай; Дутта, Атри; Туммала, Акшай Редди; Датта, Атри (9 декабря 2017 г.). "Обзор технологий и тенденций в области двигательных установок кубических спутников" . Аэрокосмическая промышленность . 4 (4): 58. DOI : 10.3390 / aerospace4040058 .

[4] "Блок маневрирования, ручной, белый, Близнецы 4" . Национальный музей авиации и космонавтики . 2016-03-20 . Проверено 12 декабря 2018 .

[5] US 3270986 Ручной самоуправляемый блок

[6] Ленда, JA " Пилотируемый маневренный блок: руководство пользователя" . (1978).

[7] Plarson (25 июня 2015 г.). «Зачем и как приземляются ракеты» . SpaceX . Проверено 16 декабря 2018 .

[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 . Проверено 14 декабря 2018 .

[10] Kvell, U; Пуусепп, М; Камински, Ф; Прошлое, JE; Палмер, К; Grönland, TA; Ноорма, М (2014). «Управление орбитой наноспутников с помощью двигателей на холодном газе MEMS» . Известия Эстонской академии наук . 63 (2S): 279. DOI : 10,3176 / proc.2014.2s.09 . ISSN 1736-6046 .

[1] В