Холодный газовый двигатель

Тип ракетного двигателя

Двигатель на холодном газе (или двигательная установка на холодном газе ) — это тип ракетного двигателя , в котором для создания тяги используется расширение (обычно инертного) газа под давлением . В отличие от традиционных ракетных двигателей, двигатель с холодным газом не содержит сгорания и, следовательно, имеет меньшую тягу и эффективность по сравнению с обычными монотопливными и двухкомпонентными ракетными двигателями. Двигатели на холодном газе называют «простейшим проявлением ракетного двигателя», поскольку их конструкция состоит только из топливного бака, регулирующего клапана, рабочего сопла и небольшого количества необходимых водопроводных труб. Это самые дешевые, простые и надежные двигательные установки, доступные для обслуживания орбиты, маневрирования и управления ориентацией . ^{[ нужна цитата ]}

Двигатели на холодном газе преимущественно используются для стабилизации небольших космических миссий, требующих работы без загрязнений. ^[1] В частности, разработка двигательной системы CubeSat была преимущественно сосредоточена на системах холодного газа, поскольку CubeSat имеет строгие правила в отношении пиротехники и опасных материалов. ^[2]

Дизайн

Схема двигательной установки на холодном газе

Сопло двигателя на холодном газе, как правило, представляет собой сужающееся-расширяющееся сопло , обеспечивающее необходимую тягу в полете. Сопло имеет такую ​​форму, что газ под высоким давлением и с низкой скоростью, поступающий в сопло, ускоряется по мере приближения к горловине (самой узкой части сопла), где скорость газа соответствует скорости звука. ^{[ нужна цитата ]}

Производительность

Подруливающие устройства на холодном газе выигрывают от своей простоты; однако в других отношениях они терпят неудачу. Преимущества и недостатки системы холодного газа можно резюмировать следующим образом:

Преимущества

• Отсутствие сгорания в сопле холодного газового двигателя 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 топливо для нее недороги по сравнению с обычными ракетными двигателями. ^{[ нужна цитата ]}
• Простая конструкция менее склонна к отказам, чем традиционный ракетный двигатель. ^{[ нужна цитата ]}
• С топливом, используемым в системе холодного газа, безопасно обращаться 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.
• Для работы двигателей на холодном газе требуется очень мало электроэнергии, что полезно, например, когда космический корабль находится в тени планеты, вокруг которой он вращается.

Недостатки

• Система холодного газа не может обеспечить ту высокую тягу, которую могут достичь горючие ракетные двигатели.
• Максимальная тяга двигателя на холодном газе зависит от давления в резервуаре-хранилище. По мере расходования топлива в простых системах сжатого газа давление снижается и максимальная тяга уменьшается. ^[3] При использовании сжиженных газов давление будет оставаться относительно постоянным, поскольку жидкий газ испаряется и расходуется аналогично аэрозольным баллончикам.

Толкать

Тяга создается в результате обмена импульсом между выхлопом и космическим кораблем, который определяется вторым законом Ньютона : где - массовый расход, а - скорость выхлопа. ${\displaystyle F={\dot {m}}V_{e}}$ ${\displaystyle {\dot {m}}}$ ${\displaystyle V_{e}}$

Для двигателя на холодном газе в космосе, где двигатели рассчитаны на бесконечное расширение (поскольку давление окружающей среды равно нулю), тяга определяется как

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

Где - площадь горловины, - давление в камере сопла, - удельная теплоемкость , - давление на выходе топлива, - площадь выхода сопла. ^{[ нужна цитата ]} ${\displaystyle A_{t}}$ ${\displaystyle P_{c}}$ ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle P_{e}}$ ${\displaystyle A_{e}}$

Удельный импульс

Удельный импульс (I _sp ) ракетного двигателя является наиболее важным показателем эффективности; Обычно желателен высокий удельный импульс. Двигатели на холодном газе имеют значительно меньший удельный импульс, чем большинство других ракетных двигателей, поскольку они не используют химическую энергию, запасенную в топливе. Теоретический удельный импульс для холодных газов определяется выражением

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

где – стандартная сила тяжести , а – характеристическая скорость , определяемая выражением ${\displaystyle g_{0}}$ ${\displaystyle C^{*}}$

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

где – звуковая скорость топлива. ^{[ нужна цитата ]} ${\displaystyle a_{0}}$

Пороха

В системах холодного газа может использоваться система хранения твердого, жидкого или газообразного топлива; но топливо должно выходить из сопла в газообразном виде. Хранение жидкого топлива может вызвать проблемы с ориентацией из-за выплескивания топлива в баке.

При выборе пороха следует учитывать высокий удельный импульс и высокий удельный импульс на единицу объема пороха. ^[3]

Обзор удельных импульсов порохов, подходящих для двигательной установки на холодном газе:

Свойства при 0°C и 241 бар.

Приложения

Человеческое движение

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

Ручной маневровый блок

Основная статья: Ручной маневровый блок

Ручной маневровый блок (HHMU), использовавшийся в миссиях Gemini 4 и 10 , использовал кислород под давлением для облегчения деятельности астронавтов в открытом космосе . ^[4] Хотя в патенте HHMU это устройство не отнесено к категории двигателей с холодным газом, HHMU описывается как «движительная установка, использующая тягу, развиваемую газом под давлением, выходящим из различных сопловых средств». ^[5]

Пилотируемый маневровый отряд

Двадцать четыре двигателя на холодном газе, использующие газообразный азот под давлением, использовались в пилотируемом маневренном блоке (ММУ). Двигатели обеспечивали астронавту, носящему MMU, полное управление с шестью степенями свободы. Каждое подруливающее устройство обеспечивало 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 обеспечивало достаточно топлива для изменения скорости от 110 до 135 футов / сек (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 вращательное ускорение 10,0±3,0 град/сек ² (0,1745±0,052 рад/сек ² ) ^{[ 6]}

Верньерные двигатели

Основная статья: Верньерные двигатели

Более крупные двигатели на холодном газе используются для управления ориентацией первой ступени ракеты SpaceX Falcon 9, когда она возвращается на землю. ^[7]

Автомобильная промышленность

В своем твите в июне 2018 года Илон Маск предложил использовать воздушные двигатели на холодном газе для улучшения характеристик автомобиля. ^[8] Очевидно, это не было продумано, потому что реально можно получить только секунду полезной тяги, прежде чем потребуется перезарядка хранилища давления в течение двенадцати часов. При этом машина наберет как минимум 500 кг лишнего веса и потеряет заднее сиденье в пользу опасного сосуда высокого давления. ^[9]

В сентябре 2018 года компания Bosch успешно протестировала свою экспериментальную систему безопасности для стабилизации скользящего мотоцикла с помощью подруливающих устройств на холодном газе. Система распознает боковое проскальзывание колес и использует боковое подруливающее устройство на холодном газе, чтобы мотоцикл не скользил дальше. ^[10]

Исследовать

Основное направление исследований по состоянию на 2014 год ^{[обновлять]}— миниатюризация двигателей на холодном газе с использованием микроэлектромеханических систем . ^[11]

Смотрите также

• Резистивно-реактивная ракета
• Монотопливная ракета
• КубСат

Рекомендации

1. Нгуен, Хьюго; Келер, Йохан; Стенмарк, Ларс (1 января 2002 г.). «Достоинства микродвижения на холодном газе в современных космических миссиях». Iaf Abstracts : 785. Бибкод : 2002iaf..confE.785N.
2. «Микродвигательные системы для кубсатов». Исследовательские ворота . Проверено 14 декабря 2018 г.
3. Туммала, Акшай; Дутта, Атри; Туммала, Акшай Редди; Дутта, Атри (9 декабря 2017 г.). «Обзор технологий и тенденций кубических спутниковых двигательных установок». Аэрокосмическая промышленность . 4 (4): 58. Бибкод :2017Аэрос...4...58Т. doi : 10.3390/aerospace4040058 . hdl : 10057/15652 .
4. «Маневрирующий блок, ручной, белый, Gemini 4» . Национальный музей авиации и космонавтики . 20 марта 2016 г. Архивировано из оригинала 30 июня 2019 г. Проверено 12 декабря 2018 г.
5. US 3270986  Ручное самоманеврирующее устройство.
6. Ленда, Дж. А. «Пилотируемый маневровый аппарат: Руководство пользователя». (1978).
7. Пларсон (25 июня 2015 г.). «Почему и как приземляются ракеты». СпейсИкс . Проверено 16 декабря 2018 г.
8. @elonmusk (9 июня 2018 г.). «Пакет опций SpaceX для нового родстера Tesla будет включать около 10 небольших ракетных двигателей, плавно расположенных вокруг автомобиля. Эти ракетные двигатели значительно улучшат ускорение, максимальную скорость, торможение и прохождение поворотов. Возможно, они даже позволят Tesla летать…» ( Твит ) – через Твиттер .
9. https://www.youtube.com/watch?v=znv0TQsR5jk
10. «Большая безопасность на двух колесах: инновации Bosch для мотоциклов будущего» . Бош Медиа Сервис . 10 июля 2018 года . Проверено 14 декабря 2018 г.
11. Квелл, Ю; Пуусепп, М; Камински, Ф; Прошлое, JE; Палмер, К; Грёнланд, штат Техас; Нурма, М. (2014). «Управление орбитой наноспутника с использованием двигателей на холодном газе MEMS». Известия Эстонской академии наук . 63 (2S): 279. doi : 10.3176/proc.2014.2s.09 . ISSN  1736-6046.