Un propulsor de gas frío (o un sistema de propulsión de gas frío ) es un tipo de motor de cohete que utiliza la expansión de un gas presurizado (normalmente inerte) para generar empuje . A diferencia de los motores de cohetes tradicionales, un propulsor de gas frío no alberga combustión y, por lo tanto, tiene menor empuje y eficiencia en comparación con los motores de cohetes monopropulsores y bipropelentes convencionales . Se ha hecho referencia a los propulsores de gas frío como la "manifestación más simple de un motor de cohete" porque su diseño consiste únicamente en un tanque de combustible, una válvula reguladora, una boquilla propulsora y las pocas tuberías necesarias. Son los sistemas de propulsión más baratos, simples y confiables disponibles para mantenimiento orbital, maniobras y control de actitud . [ cita necesaria ]
Los propulsores de gas frío se utilizan principalmente para estabilizar misiones espaciales más pequeñas que requieren un funcionamiento libre de contaminantes. [1] Específicamente, el desarrollo del sistema de propulsión CubeSat se ha centrado predominantemente en sistemas de gas frío porque los CubeSats tienen regulaciones estrictas contra la pirotecnia y los materiales peligrosos. [2]
La boquilla de un propulsor de gas frío es generalmente una boquilla convergente-divergente que proporciona el empuje requerido en vuelo. La boquilla tiene una forma tal que el gas a alta presión y baja velocidad que ingresa en la boquilla se acelera a medida que se acerca a la garganta (la parte más estrecha de la boquilla), donde la velocidad del gas coincide con la velocidad del sonido. [ cita necesaria ]
Los propulsores de gas frío se benefician de su simplicidad; sin embargo, se quedan cortos en otros aspectos. Las ventajas y desventajas de un sistema de gas frío se pueden resumir en:
El empuje se genera mediante el intercambio de impulso entre el escape y la nave espacial, que viene dado por la segunda ley de Newton , donde está el caudal másico y es la velocidad del escape.
Para un propulsor de gas frío en el espacio, donde los propulsores están diseñados para una expansión infinita (dado que la presión ambiental es cero), el empuje viene dado como
Donde es el área de la garganta, es la presión de la cámara en la boquilla, es la relación de calor específico , es la presión de salida del propulsor y es el área de salida de la boquilla. [ cita necesaria ]
El impulso específico (I sp ) de un motor de cohete es la métrica de eficiencia más importante; normalmente se desea un impulso específico elevado. Los propulsores de gas frío tienen un impulso específico significativamente menor que la mayoría de los otros motores de cohetes porque no aprovechan la energía química almacenada en el propulsor. El impulso específico teórico para gases fríos viene dado por
donde es la gravedad estándar y es la velocidad característica que viene dada por
¿Dónde está la velocidad sónica del propulsor? [ cita necesaria ]
Los sistemas de gas frío pueden utilizar un sistema de almacenamiento de propulsor sólido, líquido o gaseoso; pero el propulsor debe salir de la boquilla en forma gaseosa. El almacenamiento de propulsor líquido puede plantear problemas de control de actitud debido al chapoteo del combustible en el tanque.
Al elegir un propulsor, se debe considerar un impulso específico alto y un impulso específico alto por unidad de volumen de propulsor. [3]
Resumen de los impulsos específicos de los propulsores adecuados para un sistema de propulsión de gas frío:
Propiedades a 0°C y 241 bar.
Los propulsores de gas frío son especialmente adecuados para unidades de propulsión de astronautas debido a la naturaleza inerte y no tóxica de sus propulsores.
Artículo principal: Unidad de maniobra manual
La Unidad de Maniobra Manual (HHMU) utilizada en las misiones Gemini 4 y 10 utilizó oxígeno presurizado para facilitar las actividades extravehiculares de los astronautas . [4] Aunque la patente de la HHMU no clasifica el dispositivo como un propulsor de gas frío, la HHMU se describe como una "unidad de propulsión que utiliza el empuje desarrollado por un gas presurizado que escapa de varios medios de boquilla". [5]
En la Unidad de Maniobra Tripulada (MMU) se utilizaron veinticuatro propulsores de gas frío que utilizan nitrógeno gaseoso presurizado. Los propulsores proporcionaron un control total de 6 grados de libertad al astronauta que llevaba la MMU. Cada propulsor proporcionó 1,4 libras (6,23 N) de empuje. Los dos tanques de propulsor a bordo proporcionaron un total de 40 libras (18 kg) de nitrógeno gaseoso a 4500 psi, lo que proporcionó suficiente propulsor para generar un cambio en la velocidad de 110 a 135 pies/seg (33,53 a 41,15 m/s). Con una masa nominal, la MMU tenía una aceleración de traslación de 0,3 ± 0,05 pies/seg 2 (9,1 ± 1,5 cm/s 2 ) y una aceleración de rotación de 10,0 ± 3,0 grados/seg 2 (0,1745 ± 0,052 rad/seg 2 ) [ 6]
Artículo principal: motores Vernier
Se emplean propulsores de gas frío más grandes para ayudar en el control de actitud de la primera etapa del cohete SpaceX Falcon 9 cuando regresa a tierra. [7]
En un tweet de junio de 2018, Elon Musk propuso el uso de propulsores de gas frío basados en aire para mejorar el rendimiento del automóvil. [8]
En septiembre de 2018, Bosch probó con éxito su sistema de seguridad de prueba de concepto para enderezar una motocicleta que patina utilizando propulsores de gas frío. El sistema detecta un deslizamiento lateral de la rueda y utiliza un propulsor lateral de gas frío para evitar que la motocicleta patine aún más. [9]
El principal foco de investigación a partir de 2014 [actualizar]es la miniaturización de propulsores de gas frío mediante sistemas microelectromecánicos . [10]
![{\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}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d47a58d04b5b163f3853a0894e70a59a54e1c2a1)
