پیشرانه گاز سرد

**پیشرانه گاز سرد** () یا **سامانه پیشرانش گاز سرد**، نوعی موتور راکت است که از انبساط یک گاز تحت فشار (معمولاً بی‌اثر) برای تولید رانش استفاده می‌کند. برخلاف موتورهای سنتی راکت، یک پیشرانه گاز سرد فاقد هرگونه احتراق است و بنابراین در مقایسه با موتورهای معمولی تک‌پیشرانه و موشک با سوخت مایع، رانش و تکانه ویژه کمتری دارد. پیشرانه‌های گاز سرد به عنوان «ساده‌ترین شکل موتور راکت» شناخته می‌شوند، زیرا طراحی آن‌ها تنها شامل یک مخزن سوخت، یک شیر تنظیم، یک نازل پیشران و لوله‌کشی‌های اندک مورد نیاز است. این سامانه‌ها ارزان‌ترین، ساده‌ترین و قابل‌اعتمادترین سامانه‌های پیشرانش موجود برای حفظ مدار، مانوردهی و کنترل وضعیت فضاپیما هستند.

پیشرانه‌های گاز سرد عمدتاً برای ایجاد پایداری در مأموریت‌های فضایی کوچک‌تر که نیاز به عملیات بدون آلاینده دارند، استفاده می‌شوند. به‌طور خاص، توسعه سامانه پیشرانش تاسواره عمدتاً بر سامانه‌های گاز سرد متمرکز شده است، زیرا تاسواره‌ها مقررات سخت‌گیرانه‌ای علیه تجهیزات آتش‌زا و مواد خطرناک دارند.

## طراحی
بندانگشتی|شماتیک یک سامانه پیشرانش گاز سرد|290x290پیکسل
نازل یک پیشرانه گاز سرد عموماً یک نازل همگرا-واگرا است که رانش مورد نیاز را در طول پرواز فراهم می‌کند. نازل به گونه‌ای شکل داده شده است که گاز با فشار بالا و سرعت کم که وارد نازل می‌شود، با نزدیک شدن به گلوگاه (تنگ‌ترین بخش نازل) شتاب می‌گیرد؛ در این نقطه سرعت گاز با سرعت صوت برابر می‌شود.

## عملکرد
پیشرانه‌های گاز سرد از سادگی خود بهره می‌برند، اما در موارد دیگر دچار کاستی‌هایی هستند. مزایا و معایب یک سامانه گاز سرد را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:

### مزایا
* نبود احتراق در نازل پیشرانه گاز سرد، اجازه می‌دهد تا در موقعیت‌هایی که موتورهای راکت سوخت مایع معمولی بیش از حد داغ می‌شوند، از آن استفاده کرد. این امر نیاز به طراحی سامانه‌های مدیریت حرارتی را از بین می‌برد.
* طراحی ساده اجازه می‌دهد تا پیشرانه‌ها کوچک‌تر از موتورهای معمولی راکت باشند، که آن‌ها را به انتخابی مناسب برای مأموریت‌هایی با محدودیت حجم و وزن تبدیل می‌کند.
* سامانه گاز سرد و سوخت آن در مقایسه با موتورهای معمولی راکت ارزان‌قیمت هستند.
* طراحی ساده کمتر از یک موتور راکت سنتی مستعد خرابی است.
* مدیریت سوخت‌های مورد استفاده در سامانه گاز سرد، هم قبل و هم بعد از شلیک موتور، ایمن است. اگر از گاز بی‌اثر استفاده شود، سامانه گاز سرد یکی از ایمن‌ترین موتورهای راکت ممکن است.
* پیشرانه‌های گاز سرد در طول عملیات، بار الکتریکی خالصی روی فضاپیما ایجاد نمی‌کنند.
* این پیشرانه‌ها برای کار کردن به انرژی الکتریکی بسیار کمی نیاز دارند که مثلاً زمانی که فضاپیما در سایه سیاره‌ای که به دور آن می‌چرخد قرار دارد، بسیار مفید است.

### معایب
* یک سامانه گاز سرد نمی‌تواند رانش بالایی را که موتورهای احتراقی راکت به آن دست می‌یابند، تولید کند.
* حداکثر رانش یک پیشرانه گاز سرد به فشار داخل مخزن ذخیره بستگی دارد. با مصرف سوخت در سامانه‌های گاز فشرده ساده، فشار کاهش یافته و حداکثر رانش نیز کم می‌شود. در مورد گازهای مایع، فشار با تبخیر گاز مایع نسبتاً ثابت می‌ماند (مشابه قوطی‌های آئروسل).

### رانش
رانش از طریق تبادل اندازه حرکت بین خروجی و فضاپیما ایجاد می‌شود که طبق قوانین حرکت نیوتن به صورت F = \dot{m} V_e بیان می‌شود؛ که در آن \dot{m} نرخ جریان جرم و V_e سرعت خروجی است.

برای یک پیشرانه گاز سرد در فضا، جایی که نازل‌ها برای انبساط بی‌نهایت طراحی شده‌اند (چون فشار محیط صفر است)، رانش به صورت زیر به دست می‌آید:

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

که در آن A_t مساحت گلوگاه، P_c فشار محفظه در نازل، \gamma نسبت گرمای ویژه، P_e فشار خروجی پیشران و A_e مساحت خروجی نازل است.

### تکانه ویژه
تکانه ویژه (I_{sp}) یک موتور راکت، مهم‌ترین معیار کارایی آن است؛ معمولاً تکانه ویژه بالا مطلوب است. پیشرانه‌های گاز سرد تکانه ویژه بسیار کمتری نسبت به اکثر موتورهای دیگر راکت دارند، زیرا از انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیشران بهره نمی‌برند. تکانه ویژه تئوری برای گازهای سرد از رابطه زیر به دست می‌آید:

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}}}

که در آن g_0 گرانش استاندارد و C^* سرعت مشخصه است که با رابطه زیر تعریف می‌شود:

C^* = \frac{a_0}{\gamma \left( \frac{2}{\gamma + 1} \right)^{\frac{\gamma + 1}{2(\gamma - 1)}}}

در اینجا a_0 سرعت صوت پیشران است.

## پیشران‌ها
سامانه‌های گاز سرد می‌توانند از سامانه‌های ذخیره‌سازی پیشران جامد، مایع یا گازی استفاده کنند؛ اما پیشران باید به صورت گاز از نازل خارج شود. ذخیره‌سازی پیشران مایع ممکن است به دلیل تلاطم (Sloshing) سوخت در مخزن، مشکلاتی را در کنترل وضعیت ایجاد کند.

هنگام انتخاب یک پیشران، باید تکانه ویژه بالا و تکانه ویژه بالا در واحد حجم پیشران را مد نظر قرار داد.

در جدول زیر، مروری بر تکانه ویژه پیشران‌های مناسب برای سامانه پیشرانش گاز سرد ارائه شده است:

ویژگی‌ها در دمای ۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۲۴۱ بار اندازه‌گیری شده‌اند.

## کاربردها
### پیشرانش انسانی
پیشرانه‌های گاز سرد به دلیل ماهیت بی‌اثر و غیرسمی پیشران‌هایشان، برای واحدهای پیشران فضانوردان بسیار مناسب هستند.

#### واحد مانور دستی

واحد مانور دستی (HHMU) که در مأموریت‌های جمینای ۴ و جمینای ۱۰ استفاده شد، از اکسیژن تحت فشار برای تسهیل راهپیمایی فضایی فضانوردان استفاده می‌کرد. اگرچه در گواهی ثبت اختراع HHMU این دستگاه به عنوان پیشرانه گاز سرد دسته‌بندی نشده است، اما به عنوان «یک واحد پیشران که از رانش ایجاد شده توسط خروج گاز تحت فشار از نازل‌های مختلف استفاده می‌کند» توصیف شده است.

#### واحد مانور سرنشین‌دار

در واحد مانور سرنشین‌دار (MMU) از ۲۴ پیشرانه گاز سرد که از نیتروژن گازی تحت فشار استفاده می‌کردند، بهره گرفته شد. این پیشرانه‌ها کنترل کامل در ۶ درجه آزادی را برای فضانوردی که MMU را به تن پوشیده بود، فراهم می‌کردند. هر پیشرانه رانشی معادل ۱.۴ پوند نیرو (۶.۲ نیوتن) ایجاد می‌کرد. دو مخزن پیشران روی دستگاه، در مجموع ۴۰ پوند (۱۸ کیلوگرم) نیتروژن گازی را در فشار ۴۵۰۰ پوند بر اینچ مربع ذخیره می‌کردند که پیشران کافی برای ایجاد تغییر سرعتی بین ۱۱۰ تا ۱۳۵ فوت بر ثانیه (۳۳ تا ۴۱ متر بر ثانیه) را فراهم می‌کرد.

### موتورهای ورنیه

پیشرانه‌های گاز سرد بزرگتر برای کمک به کنترل وضعیت مرحله اول موشک فالکون ۹ متعلق به شرکت اسپیس‌اکس در هنگام بازگشت برای فرود روی زمین به کار گرفته می‌شوند.

### خودرویی
ایلان ماسک در ژوئن ۲۰۱۸ در پیامی پیشنهاد استفاده از پیشرانه‌های گاز سرد مبتنی بر هوا را برای بهبود عملکرد خودروها مطرح کرد.

در سپتامبر ۲۰۱۸، شرکت بوش سامانه ایمنی «اثبات مفهوم» خود را برای حفظ تعادل موتورسیکلت در حال لغزش با استفاده از پیشرانه‌های گاز سرد با موفقیت آزمایش کرد. این سامانه لغزش جانبی چرخ را حس کرده و از یک پیشرانه گاز سرد جانبی برای جلوگیری از لغزش بیشتر موتورسیکلت استفاده می‌کند.

## تحقیقات
تمرکز اصلی تحقیقات تا سال ۲۰۱۴ بر کوچک‌سازی پیشرانه‌های گاز سرد با استفاده از سامانه میکرو الکترومکانیکی (MEMS) بوده است.

## جستارهای وابسته
* تاسواره

## منابع

* 

## پیوند به بیرون

رده:اجزاء فضاپیما
رده:پیش‌رانش فضاپیما