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 ninguna combustión y, por lo tanto, tiene un empuje y una eficiencia menores en comparación con los motores de cohetes monopropulsantes y bipropulsantes convencionales . Los propulsores de gas frío se han denominado la "manifestación más simple de un motor de cohete" porque su diseño consta únicamente de un tanque de combustible, una válvula reguladora, una boquilla de propulsión y la pequeña plomería necesaria. Son los sistemas de propulsión más baratos, simples y confiables disponibles para el mantenimiento orbital, las maniobras y el control de actitud . [ cita requerida ]
Los propulsores de gas frío se utilizan principalmente para proporcionar estabilización a misiones espaciales más pequeñas que requieren un funcionamiento libre de contaminantes. [1] En concreto, el desarrollo del sistema de propulsión de CubeSat se ha centrado principalmente en sistemas de gas frío porque los CubeSat tienen estrictas regulaciones contra la pirotecnia y los materiales peligrosos. [2]
La tobera de un propulsor de gas frío es generalmente una tobera convergente-divergente que proporciona el empuje necesario en vuelo. La tobera tiene una forma tal que el gas de alta presión y baja velocidad que entra en la tobera se acelera a medida que se acerca a la garganta (la parte más estrecha de la tobera), donde la velocidad del gas coincide con la velocidad del sonido. [ cita requerida ]
Los propulsores de gas frío se benefician de su simplicidad, pero también tienen deficiencias en otros aspectos. Las ventajas y desventajas de un sistema de gas frío se pueden resumir de la siguiente manera:
El empuje se genera por el intercambio de momento entre el escape y la nave espacial, que viene dado por la segunda ley de Newton , donde es la tasa de flujo 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 (ya que la presión ambiental es cero), el empuje se da como
¿Dónde está 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 requerida ]
El impulso específico (I sp ) de un motor de cohete es la medida más importante de eficiencia; normalmente se desea un impulso específico alto. Los propulsores de gas frío tienen un impulso específico significativamente menor que la mayoría de los demás motores de cohete 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 requerida ]
Los sistemas de gas frío pueden utilizar un sistema de almacenamiento de combustible sólido, líquido o gaseoso, pero el combustible debe salir de la boquilla en forma gaseosa. El almacenamiento de combustible líquido puede plantear problemas de control de altitud debido al movimiento de combustible en el tanque.
Al elegir un propulsor, se debe tener en cuenta un impulso específico alto y un impulso específico alto por unidad de volumen de propulsor. [3]
Descripción general de los impulsos específicos de los propulsores adecuados para un sistema de propulsión de gas frío:
Propiedades a 0°C y 241 bar (3.500 psi).
Los propulsores de gas frío son especialmente adecuados para las unidades de propulsión de astronautas debido a la naturaleza inerte y no tóxica de sus propulsores.
Artículo principal: Unidad de maniobra portátil
La unidad de maniobra portátil (HHMU) utilizada en las misiones Gemini 4 y 10 utilizaba 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 por varios medios de boquilla". [5]
En la unidad de maniobra tripulada (MMU) se utilizaron veinticuatro propulsores de gas frío que utilizaban nitrógeno gaseoso presurizado. Los propulsores proporcionaban un control total de seis grados de libertad al astronauta que llevaba la MMU. Cada propulsor proporcionaba 1,4 lbf (6,2 N) de empuje. Los dos tanques de propulsor a bordo proporcionaban un total de 40 lb (18 kg) de nitrógeno gaseoso a 4500 psi (31 MPa), lo que proporcionaba suficiente propulsor para generar un cambio de velocidad de 110 a 135 pies/s (34 a 41 m/s). Con una masa nominal, la MMU tenía una aceleración traslacional de 0,3 ± 0,05 pies/seg 2 (9,1 ± 1,5 cm/s 2 ) y una aceleración rotacional de 10,0 ± 3,0 grados/seg 2 (0,1745 ± 0,052 rad/seg 2 ) [6]
Se utilizan propulsores de gas frío de mayor tamaño para ayudar en el control de actitud de la primera etapa del cohete SpaceX Falcon 9 mientras regresa a tierra. [7]
En un tuit de junio de 2018, Elon Musk propuso el uso de propulsores de gas frío basados en aire para mejorar el rendimiento de los automóviles. [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 las ruedas y utiliza un propulsor de gas frío lateral para evitar que la motocicleta patine más. [9]
El principal foco de investigación a partir de 2014 [actualizar]es la miniaturización de propulsores de gas frío utilizando 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)
