शीत गैस थ्रस्टर

एक ठंडा गैस जोरर (या एक ठंडा गैस प्रणोदन प्रणाली) एक प्रकार का रॉकेट इंजन है जो थ्रस्ट उत्पन्न करने के लिए (आमतौर पर निष्क्रिय) दबाव वाली गैस के विस्तार का उपयोग करता है। पारंपरिक रॉकेट इंजनों के विपरीत, एक ठंडे गैस थ्रस्टर में कोई दहन नहीं होता है और इसलिए पारंपरिक मोनोप्रोपेलेंट और तरल प्रणोदक रॉकेट रॉकेट इंजनों की तुलना में कम थ्रस्ट और विशिष्ट आवेग होता है। कोल्ड गैस थ्रस्टर्स को रॉकेट इंजन की सबसे सरल अभिव्यक्ति के रूप में संदर्भित किया गया है क्योंकि उनके डिजाइन में केवल एक ईंधन टैंक, एक विनियमन वाल्व, एक प्रोपेलिंग नोजल और थोड़ी आवश्यक नलसाजी शामिल है। वे कक्षीय रखरखाव, पैंतरेबाज़ी और अंतरिक्ष यान के रवैये के नियंत्रण के लिए उपलब्ध सबसे सस्ते, सरल और सबसे विश्वसनीय प्रणोदन प्रणाली हैं।^{[citation needed]} कोल्ड गैस थ्रस्टर्स मुख्य रूप से छोटे अंतरिक्ष मिशनों के लिए स्थिरीकरण प्रदान करने के लिए उपयोग किए जाते हैं जिनके लिए दूषित-मुक्त संचालन की आवश्यकता होती है।^[1]विशेष रूप से, क्यूबसैट प्रणोदन प्रणाली का विकास मुख्य रूप से ठंडी गैस प्रणालियों पर केंद्रित रहा है क्योंकि क्यूबसैट में पायरोटेक्निक वाल्व और खतरनाक सामग्री के खिलाफ सख्त नियम हैं।^[2]

डिजाइन

कोल्ड गैस प्रोपल्शन सिस्टम का योजनाबद्ध

एक ठंडे गैस थ्रस्टर का नोज़ल आम तौर पर डी लवल नोजल | अभिसारी-अपसारी नोज़ल होता है जो उड़ान में आवश्यक थ्रस्ट प्रदान करता है। नोज़ल का आकार ऐसा होता है कि उच्च दाब, कम-वेग वाली गैस जो नोज़ल में प्रवेश करती है, गले (नोज़ल का सबसे संकरा भाग) तक पहुँचने पर त्वरित हो जाती है, जहाँ गैस का वेग ध्वनि की गति से मेल खाता है।^{[citation needed]}

प्रदर्शन

कोल्ड गैस थ्रस्टर्स को उनकी सादगी से लाभ होता है; हालाँकि, वे अन्य मामलों में कम पड़ जाते हैं। ठंडी गैस प्रणाली के फायदे और नुकसान को संक्षेप में प्रस्तुत किया जा सकता है:

लाभ

एक ठंडे गैस थ्रस्टर के नोज़ल में दहन की कमी इसके उपयोग को उन स्थितियों में करने की अनुमति देती है जहां नियमित तरल रॉकेट इंजन बहुत गर्म होंगे। यह इंजीनियर ताप प्रबंधन प्रणालियों की आवश्यकता को समाप्त करता है।
सरल डिजाइन थ्रस्टर्स को नियमित रॉकेट इंजनों की तुलना में छोटा करने की अनुमति देता है, जो उन्हें सीमित मात्रा और वजन की आवश्यकताओं वाले मिशनों के लिए उपयुक्त विकल्प बनाता है।
नियमित रॉकेट इंजनों की तुलना में कोल्ड गैस सिस्टम और इसका ईंधन सस्ता है।^{[citation needed]}
पारंपरिक रॉकेट इंजन की तुलना में साधारण डिजाइन में विफलताओं का खतरा कम होता है।^{[citation needed]}
कोल्ड गैस सिस्टम में प्रयुक्त ईंधन इंजन को चालू करने से पहले और बाद में दोनों को संभालने के लिए सुरक्षित होते हैं। यदि अक्रिय ईंधन का उपयोग किया जाता है तो ठंडी गैस प्रणाली सबसे सुरक्षित संभव रॉकेट इंजनों में से एक है।^[1]
कोल्ड गैस थ्रस्टर ऑपरेशन के दौरान अंतरिक्ष यान पर नेट चार्ज नहीं बनाते हैं।
कोल्ड गैस थ्रस्टर्स को संचालित करने के लिए बहुत कम विद्युत ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो उपयोगी है, उदाहरण के लिए, जब कोई अंतरिक्ष यान ग्रह की छाया में होता है तो वह परिक्रमा कर रहा होता है।

नुकसान

एक ठंडी गैस प्रणाली उच्च प्रणोद उत्पन्न नहीं कर सकती है जो दहनशील रॉकेट इंजन प्राप्त कर सकते हैं।
पारंपरिक रॉकेट इंजनों की तुलना में कोल्ड गैस थ्रस्टर कम द्रव्यमान कुशल होते हैं।
कोल्ड गैस थ्रस्टर का अधिकतम थ्रस्ट स्टोरेज टैंक में दबाव पर निर्भर करता है। जैसे ही ईंधन का उपयोग सरल संपीड़ित-गैस प्रणालियों के साथ किया जाता है, दबाव कम हो जाता है और अधिकतम जोर कम हो जाता है।^[3] तरलीकृत गैसों के साथ, दबाव अपेक्षाकृत स्थिर रहेगा क्योंकि तरल गैस अस्थिर होती है और एयरोसोल के डिब्बे के समान तरीके से उपयोग की जाती है।

जोर

जोर निकास और अंतरिक्ष यान के बीच संवेग विनिमय द्वारा उत्पन्न होता है, जो न्यूटन के दूसरे नियम द्वारा दिया गया है $F={\dot {m}}V_{e}$ कहाँ पे ${\dot {m}}$ द्रव्यमान प्रवाह दर है, और $V_{e}$ निकास का वेग है।

अंतरिक्ष में एक ठंडे गैस थ्रस्टर के लिए, जहां थ्रस्टर्स को अनंत विस्तार के लिए डिज़ाइन किया गया है (चूंकि परिवेश का दबाव शून्य है), थ्रस्ट के रूप में दिया गया है

$F=A_{t}P_{c}\gamma \left[\left({\frac {2}{\gamma -1}}\right)\left({\frac {2}{\gamma +1}}\right)\left(1-{\frac {P_{e}}{P_{c}}}\right)\right]+P_{e}A_{e}$ कहाँ $A_{t}$ गले का क्षेत्र है, $P_{c}$ नोजल में चैम्बर का दबाव है, $\gamma$ विशिष्ट ताप अनुपात है, $P_{e}$ प्रणोदक का निकास दबाव है, और $A_{e}$ नोजल का निकास क्षेत्र है।^{[citation needed]}

विशिष्ट आवेग

विशिष्ट आवेग (आई_sp) रॉकेट इंजन की दक्षता का सबसे महत्वपूर्ण मीट्रिक है; एक उच्च विशिष्ट आवेग सामान्य रूप से वांछित होता है। कोल्ड गैस थ्रस्टर्स में अन्य रॉकेट इंजनों की तुलना में काफी कम विशिष्ट आवेग होता है क्योंकि वे प्रणोदक में संग्रहीत रासायनिक ऊर्जा का लाभ नहीं उठाते हैं। ठंडे गैसों के लिए सैद्धांतिक विशिष्ट आवेग किसके द्वारा दिया जाता है

$I_{sp}={\frac {C^{*}}{g_{0}}}\gamma {\sqrt {\left({\frac {2}{\gamma -1}}\right)\left({\frac {2}{\gamma +1}}\right)^{\frac {\gamma +1}{\gamma -1}}\left(1-{\frac {P_{e}}{P_{c}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}}}$ कहाँ पे $g_{0}$ मानक गुरुत्वाकर्षण है और $C^{*}$ विशेषता वेग है जो द्वारा दिया गया है

$C^{*}={\frac {a_{0}}{\gamma \left({\frac {2}{\gamma +1}}\right)^{\frac {\gamma +1}{2(\gamma -1)}}}}$ कहाँ पे $a_{0}$ प्रणोदक का ध्वनि वेग है।^{[citation needed]}

प्रणोदक

शीत गैस प्रणालियां ठोस, तरल या गैसीय प्रणोदक भंडारण प्रणाली का उपयोग कर सकती हैं; लेकिन प्रणोदक गैसीय रूप में नोज़ल से बाहर निकलना चाहिए। तरल प्रणोदक के भंडारण से इसके टैंक में ईंधन की कमी के कारण रवैया नियंत्रण की समस्या हो सकती है।

प्रणोदक चुनते समय, एक उच्च विशिष्ट आवेग, और प्रणोदक की प्रति इकाई मात्रा में एक उच्च विशिष्ट आवेग पर विचार किया जाना चाहिए।^[3]

शीत गैस प्रणोदन प्रणाली के लिए उपयुक्त प्रणोदकों के विशिष्ट आवेगों का अवलोकन:

Propellants and Efficiencies ^[1]
Cold Gas	Molecular weight M (u)	Theoretical I_sp (sec)	Measured I_sp (sec)	Density (g/cm³)
H₂	2.0	296	272	0.02
He	4.0	179	165	0.04
Ne	20.2	82	75	0.19
N₂	28.0	80	73	0.28
O₂	32.0	?
Ar	40.0	57	52	0.44
Kr	83.8	39	37	1.08
Xe	131.3	31	28	2.74
CCl₂F₂ (Freon-12)	120.9	46	37	Liquid
CF₄	88.0	55	45	0.96
CH₄	16.0	114	105	0.19
NH₃	17.0	105	96	Liquid
N₂O	44.0	67	61	Liquid
CO₂	44.0	67	61	Liquid

0 डिग्री सेल्सियस और 241 बार पर गुण।

अनुप्रयोग

मानव प्रणोदन

कोल्ड गैस थ्रस्टर्स अपने प्रणोदकों की निष्क्रिय और गैर विषैले प्रकृति के कारण अंतरिक्ष यात्री प्रणोदन इकाइयों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं।

हाथ से चलने वाली युद्धाभ्यास इकाई

मुख्य लेख: हैंड-हेल्ड मैन्यूवरिंग यूनिट

मिथुन 4 और मिथुन 10 मिशनों पर इस्तेमाल की जाने वाली हैंड-हेल्ड मैन्यूवरिंग यूनिट (HHMU) ने अंतरिक्ष यात्रियों की असाधारण गतिविधि को सुविधाजनक बनाने के लिए दबाव वाली ऑक्सीजन का इस्तेमाल किया।^[4] यद्यपि HHMU का पेटेंट डिवाइस को ठंडे गैस थ्रस्टर के रूप में वर्गीकृत नहीं करता है, HHMU को एक प्रणोदन इकाई के रूप में वर्णित किया गया है जो विभिन्न नोजल साधनों से बचने वाली दबाव वाली गैस द्वारा विकसित थ्रस्ट का उपयोग करती है।^[5]

मानवयुक्त युद्धाभ्यास यूनिट

मानवयुक्त पैंतरेबाज़ी इकाई (MMU) पर दबाव वाले गैसीय नाइट्रोजन का उपयोग करने वाले चौबीस ठंडे गैस थ्रस्टर्स का उपयोग किया गया था। थ्रस्टर्स ने MMU पहने अंतरिक्ष यात्री को पूर्ण 6-डिग्री-स्वतंत्रता नियंत्रण प्रदान किया। प्रत्येक थ्रस्टर ने 1.4 lbs (6.23 N) थ्रस्ट प्रदान किया। जहाज पर दो प्रणोदक टैंकों ने 4500 पीएसआई पर कुल 40 पौंड (18 किग्रा) गैसीय नाइट्रोजन प्रदान किया, जो 110 से 135 फीट/सेकंड (33.53 से 41.15 मी/से) के वेग में परिवर्तन उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त प्रणोदक प्रदान करता है। मामूली द्रव्यमान पर, एमएमयू में 0.3±0.05 फीट/सेकंड का अनुवाद संबंधी त्वरण था² (9.1±1.5 सेमी/से²) और 10.0±3.0 डिग्री/सेकंड का घूर्णी त्वरण² (0.1745±0.052 रेडियन/सेकंड²)^[6]

वर्नियर इंजन

मुख्य लेख: वर्नियर थ्रस्टर

स्पेसएक्स फाल्कन 9 रॉकेट के जमीन पर लौटने के पहले चरण के रवैये को नियंत्रित करने में मदद करने के लिए बड़े ठंडे गैस थ्रस्टर्स कार्यरत हैं।^[7]

ऑटोमोटिव

जून 2018 में एक ट्विटर में, एलोन मस्क ने कार के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए वायु-आधारित ठंडे गैस थ्रस्टर्स के उपयोग का प्रस्ताव दिया।^[8] सितंबर 2018 में, रॉबर्ट बॉश GmbH ने ठंडे गैस थ्रस्टर्स का उपयोग करके फिसलती मोटरसाइकिल को सही करने के लिए अपनी प्रूफ-ऑफ़-कॉन्सेप्ट सुरक्षा प्रणाली का सफलतापूर्वक परीक्षण किया। सिस्टम एक साइडवेज़ व्हील स्लिप को महसूस करता है और मोटरसाइकिल को और फिसलने से बचाने के लिए लेटरल कोल्ड गैस थ्रस्टर का उपयोग करता है।^[9]

अनुसंधान

अनुसंधान का मुख्य फोकस as of 2014^[update] माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम का उपयोग करके ठंडे गैस थ्रस्टर्स का लघुकरण है।^[10]

यह भी देखें

संदर्भ

↑ ^1.0 ^1.1 ^1.2 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 (in English). Retrieved 2018-12-14.
↑ ^3.0 ^3.1 Tummala, Akshay; Dutta, Atri; Tummala, Akshay Reddy; Dutta, Atri (9 December 2017). "An Overview of Cube-Satellite Propulsion Technologies and Trends". Aerospace (in English). 4 (4): 58. doi:10.3390/aerospace4040058.
↑ "Maneuvering Unit, Hand-Held, White, Gemini 4". National Air and Space Museum (in English). 2016-03-20. Retrieved 2018-12-12.
↑ US 3270986 Hand-Held Self-Maneuvering Unit
↑ Lenda, J. A. "Manned maneuvering unit: User's guide." (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 (in English). 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] 1.0 ^1.1 ^1.2 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 (in English). Retrieved 2018-12-14.

[:2-3] 3.0 ^3.1 Tummala, Akshay; Dutta, Atri; Tummala, Akshay Reddy; Dutta, Atri (9 December 2017). "An Overview of Cube-Satellite Propulsion Technologies and Trends". Aerospace (in English). 4 (4): 58. doi:10.3390/aerospace4040058.

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

[5] US 3270986 Hand-Held Self-Maneuvering Unit

[6] Lenda, J. A. "Manned maneuvering unit: User's guide." (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 (in English). 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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