냉가스 추진기

차가운 가스 추진 장치(또는 차가운 가스 추진 시스템)는 추력을 생성하기 위해 (일반적으로 비활성) 가압 가스의 팽창을 사용하는 로켓 엔진의 한 종류입니다.기존 로켓 엔진과 달리 냉가스 추진기는 연소가 잘 되지 않아 기존 단연체나 2연체 로켓 엔진에 비해 추진력과 효율이 떨어진다.차가운 가스 추진기는 연료 탱크, 조절 밸브, 추진 노즐, 그리고 거의 필요하지 않은 배관만으로 구성되어 있기 때문에 "로켓 엔진의 가장 단순한 표현"이라고 불려왔다.궤도 유지, 조종 및 자세 제어에 ^{[citation needed]}사용할 수 있는 가장 저렴하고 단순하며 신뢰할 수 있는 추진 시스템입니다.

냉가스 추진기는 주로 무공해 ^[1]운용을 필요로 하는 소규모 우주 임무에 안정화를 제공하기 위해 사용됩니다.구체적으로는 큐브샛은 폭약 및 유해물질에 ^[2]대한 규제가 엄격해 냉가스 시스템 개발이 주를 이뤘다.

설계.

냉가스 추진 시스템 개요

냉가스 추진기의 노즐은 일반적으로 비행 시 필요한 추력을 제공하는 수렴-분산 노즐입니다.노즐은 노즐에 유입되는 고압, 저속의 가스가 목구멍(노즐의 가장 좁은 부분)에 가까워질 때 가속되도록 형성되어 있으며, 여기서 가스 속도는 ^{[citation needed]}음속과 일치합니다.

성능

냉가스 추진기는 단순성이 장점이지만 다른 측면에서는 부족합니다.다음 목록은 냉기 가스 시스템의 장점과 단점을 요약한 것입니다.

이점

차가운 가스 추진기의 노즐에 연소가 부족하기 때문에 일반 액체 로켓 엔진이 너무 뜨거울 때 사용할 수 있습니다.따라서 열 관리 시스템을 엔지니어링할 필요가 없습니다.
이 단순한 디자인은 스러스터를 일반 로켓 엔진보다 작게 만들 수 있게 해주기 때문에 부피와 중량 요건이 제한된 임무에 적합한 선택이다.
차가운 가스 시스템과 그 연료는 일반 로켓 엔진에 ^{[citation needed]}비해 저렴하다.
심플한 디자인은 기존의 로켓 ^{[citation needed]}엔진보다 실패하기 쉽습니다.
냉기 가스 시스템에 사용되는 연료는 엔진 점화 전과 후에 모두 안전하게 취급할 수 있습니다.불활성 연료를 사용하는 경우 냉가스 시스템은 가능한 가장 안전한 로켓 ^[1]엔진 중 하나입니다.
차가운 가스 추진기는 작동 중에 우주선에 순전하를 축적하지 않는다.
차가운 가스 추진기는 작동하는데 매우 적은 전기 에너지를 필요로 하는데, 이것은 예를 들어 우주선이 행성의 그림자에 있을 때 유용하다.

단점들

차가운 가스 시스템은 연소 로켓 엔진이 달성할 수 있는 높은 추력을 생산할 수 없습니다.
차가운 가스 추진기는 전통적인 로켓 엔진보다 질량 효율이 떨어진다.
냉기 가스 추진기의 최대 추력은 저장 탱크의 압력에 따라 달라집니다.단순한 압축 가스 시스템과 함께 연료가 소모되면 압력이 감소하고 최대 추력이 ^[3]감소합니다.액화 가스의 경우 액화 가스가 휘발하면서 압력이 비교적 일정하게 유지되며 에어로졸 캔과 유사한 방식으로 사용됩니다.

추력

추력은 배기와 우주선 간의 운동량 교환에 의해 생성되며, 이는 뉴턴의 제2법칙에 따라 F $F={\dot {m}}V_{e}$ m $F={\dot {m}}V_{e}$ V $F={\dot {m}}V_{e}$ e {\ $displaystyle$ F= $dot$ { $m$ $}V_{e}$ 로 $F={\dot {m}}V_{e}$ 지정됩니다. ${\dot {m}}$ 서 m ${\dot {m}}$ {\ $displaystyle$ { $m}}$ 은 ${\dot {m}}$ 배기의 질량 유량이고 $V_{$ e $}$ 는 V $V_{e}$ {displaystyle $V_$ {e}는 V_{e}입니다.

(주변 압력이 0이기 때문에) 무한 팽창을 위해 스러스터가 설계되는 우주에서 냉기 가스 스러스터의 경우 스러스트는 다음과 같이 주어진다.

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

$A_{t}$ 서 A t $A_{t}$ { $displaystyle$ A _ { $t$ }는 $A_{t}$ 목 부위 $,$ $P_{c}$ c { $displaystyle P _$ { c }는 $P_{c}$ 노즐 내 챔버 압력, ${\$ { $displaystyle$ \ $gamma$ }는 $\gamma$ 비열비, $A_{e}$ $P_{e}$ e $A_{e}$ { $displaystyle$ $P_ {$ e $}$ 는 $P_{e}$ $A_{e}$ 추진제 출구 $압력입니다.$ 노즐^{[citation needed]}

특정 임펄스

로켓 엔진의 비임펄스(I_sp)는 효율의 가장 중요한 지표이며, 일반적으로 높은 비임펄스가 바람직합니다.차가운 가스 추진기는 추진체에 저장된 화학 에너지를 이용하지 않기 때문에 대부분의 다른 로켓 엔진보다 비충격이 상당히 낮다.차가운 가스에 대한 이론적인 특이적 임펄스는 다음과 같이 주어진다.

$({displaystyle I_{sp}=black {C^{*}}{g_{0}}\gamma {\black {2}{\black -1}}\오른쪽)^{\flac +1}{\flac +1}\blight}{\flight}{\flac +1}}\frac {\fright}\frclack {\frack {\frac {\f}{\f}\f}\frac {\f}{\f}{\f}{\frf}$

$g_{0}$ 서 g 0 $({$ 0 $g_{0}$ })은 표준 중력, $C^{*}$ {\({ $displaystyle$ C $^{*})$ 는 $C^*$ 다음과 같은 특성 속도입니다.

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

$a_{0}$ 서 0 $(\$ 은 $a_{0}$ 추진제의 ^{[citation needed]}음속입니다.

추진제

차가운 가스 시스템은 고체, 액체 또는 기체 추진제 저장 시스템을 사용할 수 있지만, 추진제는 기체 형태로 노즐에서 나와야 합니다.액체 추진제를 보관하면 연료 탱크에 연료가 슬러싱되어 자세 제어 문제가 발생할 수 있습니다.

어떤 추진제를 사용할지 결정할 때 단위 부피당 높은 비임펄스와 높은 비임펄스를 ^[3]고려해야 한다.

다음 표에는 냉기 가스 추진 시스템에서 사용할 수 있는 여러 추진제의 특정 임펄스에 대한 개요가 나와 있습니다.

추진제 및 효율성

콜드 가스	분자의 무게 M (u)	이론적인 나_sp (초)	측정했다. 나_sp (초)	밀도 (cm/g³)
H₂	2.0	296	272	0.02
그	4.0	179	165	0.04
네	20.2	82	75	0.19
N₂	28.0	80	73	0.28
오₂	32.0	?
아르	40.0	57	52	0.44
Kr	83.8	39	37	1.08
Xe	131.3	31	28	2.74
CClF₂₂(Freon-12)	120.9	46	37	액체.
CF₄	88.0	55	45	0.96
CH₄	16.0	114	105	0.19
NH₃	17.0	105	96	액체.
아니요₂	44.0	67	61	액체.
CO₂	44.0	67	61	액체.

25°C 및 1ATM에서의 특성

적용들

인간 추진

냉가스 추진기는 추진제의 불활성성과 무독성으로 인해 우주인 추진 장치에 특히 적합합니다.

핸드헬드 기동 장치

주요 기사:핸드헬드 기동 장치

제미니 4호와 10호 임무에 사용된 휴대용 기동 유닛(HHMU)은 우주 비행사들의 우주선 ^[4]밖 활동을 용이하게 하기 위해 가압된 산소를 사용했다.HHMU의 특허는 이 장치를 냉가스 추진기로 분류하지 않지만 HHMU는 가압가스가 다양한 노즐 ^[5]수단을 탈출해 발생하는 추력을 이용한 추진장치라고 설명한다.

유인 기동대

가압된 질소가스를 이용한 24개의 냉가스 추진기가 유인기동장치(MMU)에 사용되었다.스러스터는 MMU를 착용한 우주인에게 6도 자유도의 완전한 제어를 제공했다. 각 스러스터는 1.4파운드(6.23N)의 추력을 제공했다.탑재된 2개의 추진제 탱크는 4500psi에서 총 40lbs(18kg)의 질소를 공급했으며, 이는 110~135ft/s(33.53~41.15m/s)의 속도 변화를 일으키기에 충분한 추진제를 제공했습니다.공칭 질량에서 MMU는 0.3±0.05ft/초(9.1²±1.5cm/초²)의 변환 가속도와 10.0±3.0deg/초²(0.1745±0.052rad/초²)^[6]의 회전 가속도를 가졌다.

버니어 엔진

주요 기사:버니어 엔진

SpaceX Falcon 9 로켓이 착륙할 ^[7]때 자세 제어를 돕기 위해 더 큰 냉가스 추진기가 사용됩니다.

자동차

2018년 6월 Elon Musk는 트윗에서 자동차 ^[8]성능을 개선하기 위해 공기 기반 냉가스 스러스터를 사용할 것을 제안했습니다.

2018년 9월, 보쉬는 차가운 가스 추진기를 사용하여 미끄러지는 오토바이를 교정하는 개념 증명 안전 시스템을 성공적으로 테스트했습니다.이 시스템은 측면 휠 슬립을 감지하고 측면 냉기 가스 스러스터를 사용하여 오토바이가 ^[9]더 이상 미끄러지지 않도록 방지합니다.

현재의 조사

현재 연구의 주요 초점은 마이크로 전자 시스템을 ^[10]이용한 냉가스 추진기의 소형화이다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ ^a ^b ^c Nguyen, Hugo; Köhler, Johan; Stenmark, Lars (2002-01-01). "The merits of cold gas micropropulsion in state-of-the-art space missions". Iaf Abstracts: 785. Bibcode:2002iaf..confE.785N.
^ "Micropropulsion systems for cubesats". ResearchGate. Retrieved 2018-12-14.
^ ^a ^b Tummala, Akshay; Dutta, Atri; Tummala, Akshay Reddy; Dutta, Atri (9 December 2017). "An Overview of Cube-Satellite Propulsion Technologies and Trends". Aerospace. 4 (4): 58. doi:10.3390/aerospace4040058.
^ "Maneuvering Unit, Hand-Held, White, Gemini 4". National Air and Space Museum. 2016-03-20. Retrieved 2018-12-12.
^ US 3270986 휴대용 자기 조작 장치
^ 렌다, J.A. "인공 기동대: 유저즈 가이드」(1978).
^ plarson (2015-06-25). "The why and how of landing rockets". SpaceX. Retrieved 2018-12-16.
^ Elon Musk [@elonmusk] (June 9, 2018). "SpaceX option package for new Tesla Roadster will include ~10 small rocket thrusters arranged seamlessly around car. These rocket engines dramatically improve acceleration, top speed, braking & cornering. Maybe they will even allow a Tesla to fly …" (Tweet) – via Twitter.
^ "Greater safety on two wheels: Bosch innovations for the motorcycles of the future". Bosch Media Service. Retrieved 2018-12-14.
^ Kvell, U; Puusepp, M; Kaminski, F; Past, J-E; Palmer, K; Grönland, T-A; Noorma, M (2014). "Nanosatellite orbit control using MEMS cold gas thrusters". Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. 63 (2S): 279. doi:10.3176/proc.2014.2s.09. ISSN 1736-6046.

[:0-1] Nguyen, Hugo; Köhler, Johan; Stenmark, Lars (2002-01-01). "The merits of cold gas micropropulsion in state-of-the-art space missions". Iaf Abstracts: 785. Bibcode:2002iaf..confE.785N.

[2] "Micropropulsion systems for cubesats". ResearchGate. Retrieved 2018-12-14.

[:2-3] Tummala, Akshay; Dutta, Atri; Tummala, Akshay Reddy; Dutta, Atri (9 December 2017). "An Overview of Cube-Satellite Propulsion Technologies and Trends". Aerospace. 4 (4): 58. doi:10.3390/aerospace4040058.

[4] "Maneuvering Unit, Hand-Held, White, Gemini 4". National Air and Space Museum. 2016-03-20. Retrieved 2018-12-12.

[5] US 3270986 휴대용 자기 조작 장치

[6] 렌다, J.A. "인공 기동대: 유저즈 가이드」(1978).

[7] rson (2015-06-25). "The why and how of landing rockets". SpaceX. Retrieved 2018-12-16.

[8] Elon Musk [@elonmusk] (June 9, 2018). "SpaceX option package for new Tesla Roadster will include ~10 small rocket thrusters arranged seamlessly around car. These rocket engines dramatically improve acceleration, top speed, braking & cornering. Maybe they will even allow a Tesla to fly …" (Tweet) – via Twitter.

[9] "Greater safety on two wheels: Bosch innovations for the motorcycles of the future". Bosch Media Service. Retrieved 2018-12-14.

[10] Kvell, U; Puusepp, M; Kaminski, F; Past, J-E; Palmer, K; Grönland, T-A; Noorma, M (2014). "Nanosatellite orbit control using MEMS cold gas thrusters". Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. 63 (2S): 279. doi:10.3176/proc.2014.2s.09. ISSN 1736-6046.

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