Двигатель на холодном газе

Тип ракетного двигателя

Двигатель на холодном газе (или двигательная система на холодном газе ) — это тип ракетного двигателя , который использует расширение (обычно инертного) сжатого газа для создания тяги . В отличие от традиционных ракетных двигателей, двигатель на холодном газе не содержит сгорания и, следовательно, имеет более низкую тягу и эффективность по сравнению с обычными моно- и двухкомпонентными ракетными двигателями. Двигатели на холодном газе называют «простейшим проявлением ракетного двигателя», поскольку их конструкция состоит только из топливного бака, регулирующего клапана, сопла и небольшого количества необходимой сантехники. Они являются самыми дешевыми, простыми и надежными двигательными системами, доступными для орбитального обслуживания, маневрирования и управления ориентацией . ^{[ требуется цитата ]}

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

Дизайн

Схема системы холодного газа для движения

Сопло двигателя на холодном газе обычно представляет собой сходящееся-расходящееся сопло , которое обеспечивает необходимую тягу в полете. Сопло имеет такую ​​форму, что газ высокого давления и низкой скорости, который поступает в сопло, ускоряется по мере приближения к горловине (самой узкой части сопла), где скорость газа соответствует скорости звука. ^{[ необходима цитата ]}

Производительность

Двигатели на холодном газе выигрывают от своей простоты; однако они не дотягивают в других отношениях. Преимущества и недостатки системы на холодном газе можно суммировать следующим образом:

Преимущества

• Отсутствие сгорания в сопле двигателя на холодном газе позволяет использовать его в ситуациях, когда обычные жидкостные ракетные двигатели были бы слишком горячими. Это устраняет необходимость в разработке систем управления теплом.
• Простая конструкция позволяет использовать двигатели меньшей мощности, чем обычные ракетные двигатели, что делает их подходящим выбором для миссий с ограниченными требованиями к объему и весу.
• Система холодного газа и ее 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 для использования как до, так и после запуска двигателя. Если используется инертное топливо, система холодного газа является одним из самых безопасных возможных ракетных двигателей. ^[1]
• Двигатели на холодном газе не создают суммарного заряда на космическом аппарате во время работы.
• Для работы двигателей на холодном газе требуется совсем немного электроэнергии, что полезно, например, когда космический корабль находится в тени планеты, вокруг которой он вращается.

Недостатки

• Система холодного газа не может обеспечить такую ​​же высокую тягу, как ракетные двигатели внутреннего сгорания.
• Максимальная тяга двигателя на холодном газе зависит от давления в резервуаре для хранения. По мере расходования топлива в простых системах на сжатом газе давление уменьшается, а максимальная тяга уменьшается. ^[3] В случае сжиженных газов давление будет оставаться относительно постоянным, поскольку жидкий газ испаряется и расходуется аналогично аэрозольным баллончикам.

Толкать

Тяга создается за счет обмена импульсом между выхлопными газами и космическим аппаратом, который определяется вторым законом Ньютона как, где — массовый расход, а — скорость выхлопных газов. ${\displaystyle F={\dot {m}}V_{e}}$ ${\displaystyle {\dot {m}}}$ ${\displaystyle V_{e}}$

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, - удельное адиабатное отношение , - выходное давление топлива, - выходная площадь сопла. ^{[ необходима ссылка ]} ${\displaystyle A_{t}}$ ${\displaystyle P_{c}}$ ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle P_{e}}$ ${\displaystyle A_{e}}$

Удельный импульс

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

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

где — стандартная гравитация , а — характеристическая скорость , которая определяется 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 - скорость звука пороха. ^{[ необходима цитата ]} ${\displaystyle a_{0}}$

Пропелленты

Системы холодного газа могут использовать либо твердую, либо жидкую, либо газообразную систему хранения топлива; но топливо должно выходить из сопла в газообразной форме. Хранение жидкого топлива может вызвать проблемы с управлением ориентацией из-за плескания топлива в баке.

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

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

Свойства при 0°C и 241 бар (3500 фунтов на кв. дюйм).

Приложения

Движение человека

Двигатели на холодном газе особенно хорошо подходят для использования в качестве двигательных установок астронавтов из-за инертности и нетоксичности их топлива.

Ручной маневренный блок

Основная статья: Ручной маневренный блок

Ручной маневровый блок (HHMU), использовавшийся в миссиях Gemini 4 и 10, использовал сжатый кислород для облегчения внекорабельной деятельности астронавтов . ^[4] Хотя патент на HHMU не классифицирует устройство как двигатель на холодном газе, HHMU описывается как «двигательный блок, использующий тягу, создаваемую сжатым газом, выходящим из различных сопловых устройств». ^[5]

Пилотируемый маневренный блок

Двадцать четыре двигателя на холодном газе, использующие сжатый газообразный азот, использовались на пилотируемом маневровом блоке (MMU). Двигатели обеспечивали полное управление с 6 степенями свободы для астронавта, надевшего MMU. Каждый двигатель обеспечивал тягу 1,4 фунта-силы (6,2 Н). Два топливных бака на борту обеспечивали в общей сложности 40 фунтов (18 кг) газообразного азота при 4500 фунтах на квадратный дюйм (31 МПа), что обеспечивало достаточно топлива для изменения скорости от 110 до 135 футов/с (от 34 до 41 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]

Двигатели Вернье

Более крупные двигатели на холодном газе используются для управления ориентацией первой ступени ракеты SpaceX Falcon 9 при ее возвращении на посадку. ^[7]

Автомобильный

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 Bosch успешно протестировала свою систему безопасности для проверки концепции выравнивания скользящего мотоцикла с помощью подруливающих устройств на холодном газе. Система определяет боковое скольжение колес и использует боковой подруливающий устройство на холодном газе, чтобы не допустить дальнейшего скольжения мотоцикла. ^[9]

Исследовать

Основным направлением исследований по состоянию на 2014 год ^{[обновлять]}является миниатюризация двигателей на холодном газе с использованием микроэлектромеханических систем . ^[10]

Смотрите также

• Ракета-носитель Resistojet
• Ракета на монотопливе
• CubeSat

Ссылки

1. Нгуен, Хьюго; Кёлер, Йохан; Стенмарк, Ларс (2002-01-01). «Достоинства микродвижения на холодном газе в современных космических миссиях». Iaf Abstracts : 785. Bibcode :2002iaf..confE.785N.
2. "Микродвигательные системы для кубсатов". ResearchGate . Получено 2018-12-14 .
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. "Maneuvering Unit, Hand-Held, White, Gemini 4". Национальный музей авиации и космонавтики . 2016-03-20. Архивировано из оригинала 2019-06-30 . Получено 2018-12-12 .
5. US 3270986  Ручной самоманевренный блок
6. Ленда, Дж. А. «Пилотируемый маневренный аппарат: Руководство пользователя». (1978).
7. Plarson (2015-06-25). "Почему и как приземляются ракеты". SpaceX . Получено 2018-12-16 .
8. @elonmusk (9 июня 2018 г.). «В пакет опций SpaceX для нового Tesla Roadster войдут ~10 небольших ракетных двигателей, расположенных бесшовно по всему автомобилю. Эти ракетные двигатели значительно улучшают ускорение, максимальную скорость, торможение и прохождение поворотов. Возможно, они даже позволят Tesla летать…» ( Твит ) – через Twitter .
9. «Больше безопасности на двух колесах: инновации Bosch для мотоциклов будущего». Bosch Media Service . 10 июля 2018 г. Получено 14 декабря 2018 г.
10. Квелл, У; Пуусепп, М; Камински, Ф; Паст, Дж. Э.; Палмер, К; Гренланд, ТА; Ноорма, М (2014). «Управление орбитой наноспутника с использованием двигателей на холодном газе МЭМС». Труды Эстонской академии наук . 63 (2S): 279. doi : 10.3176/proc.2014.2s.09 . ISSN  1736-6046.