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

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. $F={\dot {m}}V_{e}$ ${\точка {м}}$ $V_{e}$

Для двигателя на холодном газе в космосе, где двигатели рассчитаны на бесконечное расширение (поскольку давление окружающей среды равно нулю), тяга определяется 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 сопла, - удельное адиабатное отношение , - выходное давление топлива, - выходная площадь сопла. ^[^{необходима ссылка}^] $A_{т}$ $P_{c}$ $\гамма$ $P_{e}$ $A_{e}$

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

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

где — стандартная гравитация , а — характеристическая скорость , которая определяется выражением $g_{0}$ $С^{*}$

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

где - скорость звука пороха. ^[^{необходима цитата}^] $а_{0}$

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:

Топливо и эффективность ^[1]
Холодный газ	Молекулярная масса М (ед.)	Теоретический I _sp (сек)	Измеренный I _sp (сек)	Плотность (г/см ³ )
Н ₂	2.0	296	272	0,02
Он	4.0	179	165	0,04
Не	20.2	82	75	0,19
Н ₂	28.0	80	73	0,28
О ₂	32.0	?
Ар	40.0	57	52	0,44
Кр	83,8	39	37	1.08
Хе	131.3	31	28	2.74
CCl2F2 ₍ Фреон - ₁₂ )	120,9	46	37	Жидкость
CF4	88.0	55	45	0,96
Гл ₄	16.0	114	105	0,19
NH3	17.0	105	96	Жидкость
Н ₂ О	44.0	67	61	Жидкость
СО2	44.0	67	61	Жидкость

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

Ссылки

^ abc 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.
^ "Микродвигательные системы для кубсатов". ResearchGate . Получено 2018-12-14 .
^ аб 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 .
^ "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 .
^ US 3270986 Ручной самоманевренный блок
^ Ленда, Дж. А. «Пилотируемый маневренный аппарат: Руководство пользователя». (1978).
^ Plarson (2015-06-25). "Почему и как приземляются ракеты". SpaceX . Получено 2018-12-16 .
^ @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 .
^ «Больше безопасности на двух колесах: инновации Bosch для мотоциклов будущего». Bosch Media Service . 10 июля 2018 г. Получено 14 декабря 2018 г.
^ 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.

[:0-1] 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 .

[:2-3] аб 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.