コールドガススラスター

コールドガススラスタ（またはコールドガス推進システム）は、（通常は不活性な）加圧ガスの膨張を利用して推力を発生させるロケットエンジンの一種です。従来のロケットエンジンとは異なり、コールドガススラスタには燃焼がないため、従来の一液性推進剤および二液性推進剤ロケットエンジンに比べて推力と効率が低くなります。コールドガススラスタは、燃料タンク、調整弁、推進ノズル、および必要な配管のみで設計されているため、「ロケットエンジンの最もシンプルな表現」と呼ばれています。軌道維持、操縦、姿勢制御に使用できる推進システムの中で、最も安価でシンプルで信頼性の高いシステムです。^[^要出典^]

コールドガススラスタは、汚染物質のない動作を必要とする小規模宇宙ミッションの安定化に主に使用されます。^[1]特に、 CubeSatには花火や危険物に対する厳しい規制があるため、 CubeSatの推進システム開発は主にコールドガスシステムに重点を置いてきました。^[2]

デザイン

コールドガススラスタのノズルは、飛行中に必要な推力を提供する収束拡散ノズルが一般的です。ノズルは、ノズルに入る高圧低速ガスがスロート（ノズルの最も狭い部分）に近づくにつれて加速され、ガス速度が音速に一致するような形状になっています。^[要出典]

パフォーマンス

コールドガススラスタはシンプルさが利点ですが、他の点では欠点もあります。コールドガスシステムの利点と欠点は、次のようにまとめることができます。

利点

コールドガススラスタのノズルでは燃焼が起こらないため、通常の液体ロケットエンジンでは高温になりすぎる状況でも使用できます。これにより、熱管理システムを設計する必要がなくなります。
シンプルな設計により、スラスタは通常のロケットエンジンよりも小型化できるため、容積と重量の要件が制限されるミッションに適した選択肢となります。
コールドガスシステムとその燃料は、通常のロケットエンジンに比べて安価です。^[要出典]
シンプルな設計のため、従来のロケットエンジンよりも故障しにくい。^[要出典]
コールドガスシステムで使用される燃料は、エンジンの点火前と点火後の両方で安全に取り扱うことができます。不活性燃料を使用する場合、コールドガスシステムは最も安全なロケットエンジンの1つです。^[1]
コールドガススラスタは動作中に宇宙船に正味電荷を蓄積しません。
コールドガススラスタは動作に非常に少ない電気エネルギーしか必要としないため、例えば宇宙船が周回している惑星の影の中にいるときなどに便利です。

デメリット

冷たいガスシステムでは、燃焼ロケットエンジンが達成できるような高い推力を生み出すことができません。
コールドガススラスタの最大推力は貯蔵タンク内の圧力に依存します。単純な圧縮ガスシステムでは燃料が消費されると圧力が低下し、最大推力が低下します。^[3]液化ガスの場合、液体ガスが揮発してエアゾール缶と同様に消費されるため、圧力は比較的一定に保たれます。

推力

推力は排気と宇宙船の間の運動量交換によって生成され、ニュートンの第 2 法則で次のように表されます。ここで、は質量流量、は排気の速度です。 $F={\dot {m}}V_{e}$ ${\dot {m}}$ $V_{e}$

宇宙空間におけるコールドガススラスタの場合、スラスタは無限膨張するように設計されており（周囲圧力はゼロであるため）、推力は次のように表される。

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

ここで、はスロート面積、はノズル内のチャンバー圧力、は比熱比、は推進剤の出口圧力、はノズルの出口面積です。^[^要出典^] $A_{t}$ $P_{c}$ $\gamma$ $P_{e}$ $A_{e}$

比推力

ロケットエンジンの比推力（I _sp）は効率の最も重要な指標であり、通常は高い比推力が望まれます。コールドガススラスタは、推進剤に蓄えられた化学エネルギーを利用しないため、他のほとんどのロケットエンジンよりも比推力が大幅に低くなります。コールドガスの理論的な比推力は次のように表されます。

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

ここでは標準重力であり、は特性速度であり、次のように表される。 $g_{0}$ $C^{*}$

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

ここで、推進剤の音速である。 ^[^要出典^] $a_{0}$

推進剤

コールドガスシステムでは、固体、液体、または気体の推進剤貯蔵システムを使用できますが、推進剤は気体の状態でノズルから排出される必要があります。液体推進剤を貯蔵すると、タンク内の燃料の揺れにより姿勢制御に問題が生じる可能性があります。

推進剤を選択する際には、高い比推力と推進剤の単位体積当たりの高い比推力を考慮する必要がある。^[3]

冷ガス推進システムに適した推進剤の比推力の概要:

0°C および 241 bar (3,500 psi) での特性。

アプリケーション

人間の推進力

コールドガススラスタは、その推進剤が不活性かつ無毒であるため、宇宙飛行士の推進装置に特に適しています。

手持ち操縦ユニット

主要記事:手持ち操縦ユニット

ジェミニ4号と10号のミッションで使用された手持ち操縦装置（HHMU）は、宇宙飛行士の船外活動を容易にするために加圧酸素を使用しました。^[4] HHMUの特許では、この装置をコールドガススラスタとして分類していませんが、HHMUは「さまざまなノズル手段から排出される加圧ガスによって発生する推力を利用する推進装置」と説明されています。^[5]

有人機動部隊

有人操縦ユニット (MMU) では、加圧窒素ガスを使用する 24 個のコールドガススラスタが使用されました。スラスタは、MMU を装着した宇宙飛行士に完全な 6 自由度制御を提供しました。各スラスタは 1.4 lbf (6.2 N) の推力を提供しました。搭載された 2 つの推進剤タンクは、4,500 psi (31 MPa) の窒素ガスを合計 40 lb (18 kg) 提供し、速度を 110 ～ 135 ft/s (34 ～ 41 m/s) 変化させるのに十分な推進剤を提供しました。公称質量では、MMUの並進加速度は0.3 ± 0.05 ft/sec ² (9.1 ± 1.5 cm/s ² )、回転加速度は10.0 ± 3.0 deg/sec ² (0.1745 ± 0.052 rad/sec ² )であった^[6]。

バーニアエンジン

より大きなコールドガススラスタは、 SpaceXのファルコン9ロケットの第1段が着陸時に姿勢制御を行うために使用されています。^[7]

自動車

2018年6月のツイートで、イーロン・マスクは自動車の性能向上のために空気ベースのコールドガススラスタの使用を提案した。^[8]

2018年9月、ボッシュはコールドガススラスターを使用して、滑っているバイクを立て直すための安全システムの概念実証試験に成功しました。このシステムは、横方向の車輪のスリップを感知し、横方向のコールドガススラスターを使用してバイクがそれ以上滑らないようにします。^[9]

研究

2014年現在の研究の主な焦点は、マイクロエレクトロメカニカルシステム^{[アップデート]}を使用したコールドガススラスタの小型化である。^[10]

参照

参考文献

^ abc Nguyen, Hugo; Köhler, Johan; Stenmark, Lars (2002-01-01). 「最先端の宇宙ミッションにおけるコールドガスマイクロ推進のメリット」. Iaf Abstracts : 785. Bibcode :2002iaf..confE.785N.
^ 「キューブサット用マイクロ推進システム」ResearchGate 。 2018年12月14日閲覧。
^ ab トゥマラ、アクシャイ;ダッタ、アトリ。トゥマラ、アクシャイ・レディ。ダッタ、アトリ（2017年12月9日）。「立方体衛星推進技術と動向の概要」。航空宇宙。4 (4): 58。Bibcode :2017Aeros...4...58T。土井: 10.3390/aerospace4040058。hdl : 10057/15652。
^ “操縦ユニット、手持ち式、白、ジェミニ4”。国立航空宇宙博物館。2016年3月20日。2019年6月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年12月12日閲覧。
^ US 3270986 手持ち式自動操縦ユニット
^ Lenda, JA「有人操縦ユニット：ユーザーズガイド」（1978年）。
^ plarson (2015-06-25). 「ロケット着陸の理由と方法」SpaceX 。 2018年12月16日閲覧。
^ @elonmusk (2018年6月9日)。「新型テスラ・ロードスターのSpaceXオプションパッケージには、車の周囲にシームレスに配置された約10個の小型ロケットスラスターが含まれます。これらのロケットエンジンは、加速、最高速度、ブレーキング、コーナリングを劇的に向上させます。もしかしたら、テスラが空を飛ぶことも可能になるかもしれません…」 (ツイート) – Twitter経由。
^ 「二輪車の安全性向上：未来のバイクに向けたボッシュのイノベーション」ボッシュメディアサービス。2018年7月10日。 2018年12月14日閲覧。
^ Kvell, U; Puusepp, M; Kaminski, F; Past, JE; Palmer, K; Grönland, TA; Noorma, M (2014). 「MEMSコールドガススラスタを使用したナノ衛星の軌道制御」。エストニア科学アカデミー紀要。63 (2S): 279。doi : 10.3176/ proc.2014.2s.09。ISSN 1736-6046 。

[:0-1] Nguyen, Hugo; Köhler, Johan; Stenmark, Lars (2002-01-01). 「最先端の宇宙ミッションにおけるコールドガスマイクロ推進のメリット」. Iaf Abstracts : 785. Bibcode :2002iaf..confE.785N.

[2] 「キューブサット用マイクロ推進システム」ResearchGate 。 2018年12月14日閲覧。

[:2-3] トゥマラ、アクシャイ;ダッタ、アトリ。トゥマラ、アクシャイ・レディ。ダッタ、アトリ（2017年12月9日）。「立方体衛星推進技術と動向の概要」。航空宇宙。4 (4): 58。Bibcode :2017Aeros...4...58T。土井: 10.3390/aerospace4040058。hdl : 10057/15652。

[4] “操縦ユニット、手持ち式、白、ジェミニ4”。国立航空宇宙博物館。2016年3月20日。2019年6月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年12月12日閲覧。

[5] US 3270986 手持ち式自動操縦ユニット

[6] Lenda, JA「有人操縦ユニット：ユーザーズガイド」（1978年）。

[7] rson (2015-06-25). 「ロケット着陸の理由と方法」SpaceX 。 2018年12月16日閲覧。

[8] @elonmusk (2018年6月9日)。「新型テスラ・ロードスターのSpaceXオプションパッケージには、車の周囲にシームレスに配置された約10個の小型ロケットスラスターが含まれます。これらのロケットエンジンは、加速、最高速度、ブレーキング、コーナリングを劇的に向上させます。もしかしたら、テスラが空を飛ぶことも可能になるかもしれません…」 (ツイート) – Twitter経由。

[9] 「二輪車の安全性向上：未来のバイクに向けたボッシュのイノベーション」ボッシュメディアサービス。2018年7月10日。 2018年12月14日閲覧。

[10] Kvell, U; Puusepp, M; Kaminski, F; Past, JE; Palmer, K; Grönland, TA; Noorma, M (2014). 「MEMSコールドガススラスタを使用したナノ衛星の軌道制御」。エストニア科学アカデミー紀要。63 (2S): 279。doi : 10.3176/ proc.2014.2s.09。ISSN 1736-6046 。