Tryska studeného plynu - Cold gas thruster

A přívod studeného plynu (nebo a pohonný systém studeného plynu) je typ raketový motor který využívá ke generování expanzi (obvykle inertního) stlačeného plynu tah. Na rozdíl od tradičních raketových motorů není u hnacího plynu studeného plynu žádné spalování, a proto má ve srovnání s konvenčními motory nižší tah a účinnost monopropellant a bipropellant raketové motory. Trysky se studeným plynem se označují jako „nejjednodušší projev raketového motoru“, protože jejich konstrukce sestává pouze z palivové nádrže, regulačního ventilu, hnací trysky a málo potřebné instalace. Jsou to nejlevnější, nejjednodušší a nejspolehlivější pohonné systémy dostupné pro orbitální údržbu, manévrování a ovládání postoje.^{[Citace je zapotřebí ]}

Trysky se studeným plynem se převážně používají k zajištění stabilizace pro malé vesmírné mise, které vyžadují provoz bez kontaminantů.^[1] Konkrétně CubeSat vývoj pohonného systému byl zaměřen především na systémy studeného plynu, protože CubeSats má přísné předpisy pyrotechnika a nebezpečné materiály.^[2]

Design

Schéma pohonného systému se studeným plynem

Tryska trysky studeného plynu je obecně a konvergentně-divergentní tryska který poskytuje požadovaný tah za letu. Tryska je tvarována tak, aby se vysokotlaký plyn s nízkou rychlostí, který vstupuje do trysky, expandoval, jak se přibližuje k hrdlu (nejužší část trysky), kde rychlost plynu odpovídá rychlosti zvuku.^{[Citace je zapotřebí ]}

Výkon

Trysky se studeným plynem těží z jejich jednoduchosti; v jiných ohledech však zaostávají. Následující seznam shrnuje výhody a nevýhody systému studeného plynu.

Výhody

• Nedostatek spalování v trysce trysky studeného plynu umožňuje jeho použití v situacích, kdy by běžné raketové motory na kapalné palivo byly příliš horké. To eliminuje potřebu navrhovat systémy řízení tepla.
• Jednoduchý design umožňuje, aby trysky byly menší než běžné raketové motory, což z nich dělá vhodnou volbu pro mise s omezenými požadavky na objem a hmotnost.
• Systém studeného plynu a jeho palivo jsou ve srovnání s běžnými raketovými motory levné.^{[Citace je zapotřebí ]}
• Jednoduchý design je méně náchylný k poruchám než tradiční raketový motor.^{[Citace je zapotřebí ]}
• S palivy používanými v systému se studeným plynem lze bezpečně manipulovat před i po spuštění motoru. Pokud se používá inertní palivo, je systém studeného plynu jedním z nejbezpečnějších raketových motorů.^[1]
• Trysky studeného plynu nevytvářejí během provozu na vesmírné lodi síťový náboj.
• Trysky na studený plyn vyžadují k provozu velmi málo elektrické energie, což je užitečné, například když je kosmická loď ve stínu planety, která obíhá.

Nevýhody

• Systém studeného plynu nemůže produkovat vysoký tah, který mohou spalovací raketové motory dosáhnout.
• Trysky na studený plyn jsou méně hmotnostně účinné než tradiční raketové motory.
• Maximální tah trysky studeného plynu závisí na tlaku ve skladovací nádrži. Jak je palivo spotřebováno, tlak klesá a klesá maximální tah.^[3]

Tah

Tah je generováno výměnou hybnosti mezi výfukem a kosmickou lodí, která je dána vztahem Newtonův druhý zákon tak jako ${displaystyle F = {dot {m}} V_ {e}}$kde ${displaystyle {dot {m}}}$je hmotnostní průtok a ${displaystyle V_ {e}}$je rychlost výfuku.

V případě trysky studeného plynu ve vesmíru, kde jsou trysky konstruovány pro nekonečnou expanzi (protože okolní tlak je nulový), je tah uveden jako

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

Kde ${displaystyle A_ {t}}$ je oblast hrdla, ${displaystyle P_ {c}}$ je tlak v komoře v trysce, ${displaystyle gamma}$ je poměr měrného tepla, ${displaystyle P_ {e}}$ je výstupní tlak hnacího plynu a ${displaystyle A_ {e}}$ je výstupní oblast trysky.^{[Citace je zapotřebí ]}

Specifický impuls

The specifický impuls (Já_sp) raketového motoru je nejdůležitější metrikou účinnosti; obvykle je požadován vysoký specifický impuls. Trysky na studený plyn mají výrazně nižší specifický impuls než většina ostatních raketových motorů, protože nevyužívají chemickou energii uloženou v hnacím plynu. Teoretický specifický impuls pro studené plyny je dán vztahem

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

kde ${displaystyle g_ {0}}$je standardní gravitace a ${displaystyle C ^ {*}}$je charakteristická rychlost který je dán

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

kde ${displaystyle a_ {0}}$je zvuková rychlost hnacího plynu.^{[Citace je zapotřebí ]}

Pohonné látky

Systémy se studenými plyny mohou používat buď systém skladování pevných, kapalných nebo plynných pohonných hmot; ale pohonná látka musí opustit trysku v plynné formě. Skladování kapalného paliva může představovat problémy s řízením polohy kvůli stříhání paliva v jeho nádrži.

Při rozhodování, kterou hnací látku použít, je třeba vzít v úvahu vysoký specifický impuls a vysoký specifický impuls na jednotku objemu hnacího plynu.^[3]

Následující tabulka poskytuje přehled konkrétních impulsů různých pohonných látek, které lze použít v pohonném systému se studeným plynem

Vlastnosti při 25 ° C a 1 atm

Aplikace

Lidský pohon

Studené plynové trysky jsou zvláště vhodné pro pohonné jednotky astronautů kvůli inertní a netoxické povaze jejich pohonných hmot.

Ruční manévrovací jednotka

Hlavní článek: Ruční manévrovací jednotka

Ruční manévrovací jednotka (HHMU) použitá na Blíženci 4 a 10 mise používaly stlačený kyslík k usnadnění astronautů extravehicular aktivity.^[4] Ačkoli patent HHMU neklasifikuje zařízení jako hnací plyn studeného plynu, HHMU je popsán jako „pohonná jednotka využívající tah vyvíjený tlakovým plynem unikajícím z různých tryskových prostředků“.^[5]

Maneuvering Unit Unit

Dvacet čtyři trysek se studeným plynem využívajících stlačený plynný dusík bylo použito na manévrovací jednotce s posádkou (MMU). Trysky poskytly astronautovi s MMU plnou kontrolu nad 6 stupni volnosti. Každý propeler poskytoval tahu 1,4 lb (6,23 N). Dvě palivové nádrže na palubě poskytovaly celkem 40 liber (18 kg) plynného dusíku při 4500 psi, což poskytovalo dostatečné množství pohonné látky pro generování změny rychlosti 110 až 135 stop / s (33,53 až 41,15 m / s). Při jmenovité hmotnosti měla MMU translační zrychlení 0,3 ± 0,05 ft / s² (9,1 ± 1,5 cm / s²) a rotační zrychlení 10,0 ± 3,0 stupně / s² (0,1745 ± 0,052 rad / s²)^[6]

Vernierovy motory

Hlavní článek: Vernierovy motory

Větší trysky se studeným plynem se používají k řízení polohy prvního stupně SpaceX Falcon 9 raketa, jak se vrací k zemi.^[7]

Automobilový průmysl

V tweet v červnu 2018, Elon Musk navrhlo použití vzduchových trysek studeného plynu ke zlepšení výkonu automobilu.^[8]

V září 2018 Bosch úspěšně otestoval svůj bezpečnostní systém prokázání koncepce pro vyrovnání sklouzávajícího motocyklu pomocí plynových trysek. Systém snímá boční prokluz kol a používá boční propelér studeného plynu, aby motocykl neklouzal dále.^[9]

Aktuální výzkum

Hlavním zaměřením současného výzkumu je miniaturizace trysek studeného plynu pomocí mikroelektromechanické systémy.^[10]

Viz také

• Resistojet raketa
• Monopropellant Rocket
• CubeSat

Reference