مرز بعدی در پروفور: موتور های هیبریدی

برای دهه ها، اکتشافات فضایی به دو نوع اولیه از نیروی محرکه راکت متکی است: موتورهای سوخت جامد و موتورهای سوخت مایع.هر یک ارائه می دهد معاملات متمایز در عملکرد، ایمنی و هزینه، با این حال، یک دسته سوم - موتور راکت هیبریدی - به آرامی به عنوان یک زمین قانع کننده متوسط در حال ظهور است.با ترکیب یک سوخت جامد با مایع یا گاز شروع مجدد (گاهی اوقات بهترین بازده حمل و نقل هوایی است: به دست آوردن سیستم های انعطاف پذیر و ساده تر از ساده تر: به عنوان یک سیستم های ساده تر از ساده تر از ساده تر از سیستم های ساده تر.

چگونه موتور های راکت هیبریدی کار می کنند

در یک راکت هیبریدی معمولی، یک دانه سوخت جامد – اغلب یک ماده لاستیک مانند هیدروکسیل هیدروکسید-دبارن (HTPB) یا موم پارافین – در داخل محفظه احتراق قرار می گیرد، که در آن یک اکسید مایع یا گاز (معمولا اکسید نیتریک، اکسیژن یا هیدروژن پراکسید) از طریق انتهای رو به جلو تزریق می شود، که در آن، سطح مایع با سوخت مایع (که به طور طبیعی از طریق یک بخار مایع ذخیره شده است) در این سوخت مایع، واکنش می کند (به طور جداگانه در این بخار مایع در بخار مایع در آن، سوخت مایع است.

از آنجا که اکسید کننده می تواند به طور دقیق از طریق دریچه ها کنترل شود، موتور می تواند خفه شود، خاموش شود و حتی در پرواز دوباره شروع شود - قابلیت هایی که به شدت دشوار یا غیر ممکن با راکت های جامد در همان زمان، دانه سوخت جامد است تا زمانی که در معرض اکسید کننده قرار گیرد، ساخت راکت های هیبریدی به طور قابل توجهی امن برای ساخت، حمل و نقل، و کنترل از سیستم های مایع با سیستم های بیش از حد پروژنیک یا محرک های بیش از حد.

مزایای کلیدی در مورد Propulsion سنتی

افزایش Throttling و کنترل

توانایی تغییر در زمان واقعی یک تغییردهنده بازی برای بسیاری از پروفایل های ماموریت است. جریان اکسید کننده مایع می تواند تنظیم شود تا به تنظیمات دقیق تر تر، امکان فرود نرم بر سطوح سیاره ای، مانور های ورودی مداری و مسیرهای جامد سازگار با موتورهای جامد، در مقابل، سوزاندن در یک سرعت ثابت، یک بار شعله ور، بدون ارائه قابلیت های ناهموار.

ایمنی و کاهش پیچیدگی

یک موتور راکت هیبریدی سوخت خود را به عنوان یک جامد پایدار و غیر قابل از دست رفته حمل می کند. سوخت و اکسیدکننده تا احتراق مخلوط نمی شوند، از بین بردن خطر نشت فاجعه بار یا انفجار تصادفی در طول ذخیره سازی و عملیات هیبریدی پیش از پرتاب، موتورهای هیبریدی نیز نیاز به قطعات متحرک با فشار بالا در مقایسه با موتورهای مایع، ساده سازی مونتاژ و تعمیر و نگهداری دارند.

هزینه و قابلیت پذیری

دانه های سوخت جامد می توانند با استفاده از تکنیک های پردازش پلیمری ساده، و بسیاری از سیستم های هیبریدی استفاده از اکسید کننده های غیر کشنده، که در آن محدودیت های بودجه به ویژه تنگ است.

دوستی های زیست محیطی

Many hybrid propellant combinations produce clean exhaust products, often consisting mainly of water, carbon dioxide, and nitrogen. For example, a common hybrid using HTPB fuel with nitrous oxide yields nearly nontoxic exhaust. This contrasts sharply with the chlorine-based exhaust from many solid boosters (which contributes to ozone depletion) or the toxic hypergolic propellants used in some liquid systems.

چالش های تجاری و مهندسی

علی رغم وعده آنها، موتورهای راکت هیبریدی بدون محدودیت نیستند.یکی از موانع فنی اصلی نسبتاً کم است - سرعت که در آن دانه سوخت جامد می سوزد.قطب سنتی مانند HTPB می سوزد، به آرامی کاهش نسبت به حرکت به وزن و نیاز به مناطق سطح بزرگ برای دستیابی به فشار مورد نظر، محققان با استفاده از مواد افزودنی پر انرژی (به عنوان مثال، پودر آلومینیوم ناپایدار) و یا استفاده از سوخت های بخار بالا، سوخت های بخار، و یا سوخت های بخار بالا، به طور ضعیف، به محققان توجه کرده اند.

چالش دیگر تغییر نسبت مخلوط بر روی سوختگی است، زیرا دانه سوخت اصلاح می شود، تغییرات هندسی، تغییر نسبت سوخت بهoxidizer و به طور بالقوه کاهش محرک خاص یا بهره وری احتراق دقیق طراحی دانه و کنترل سیستم تغذیه برای حفظ عملکرد بهینه در سراسر سوختگی مورد نیاز است. علاوه بر این، موتورهای هیبریدی به طور کلی انگیزه های خاصی نسبت به موتورهای مایع با کارایی بالا (به عنوان مثال، LOL) دارند.

ناتوانی های احتراق همچنین می تواند در موتورهای هیبریدی ایجاد شود. نوسانات در محفظه احتراق می تواند با تزریق سوخت و اکسید کننده جفت شود که منجر به فشار یا سیستم های کنترل فعال، طرح های پیشرفته و تکنیک های مرطوب برای کاهش این مسائل می شود.

پیشرفت های اخیر و تحقیقات مداوم

پیشرفت عمده در دو دهه گذشته، به ویژه در توسعه سوخت های با نرخ بالا (PLT-1) ساخته شده است. سوخت های مبتنی بر پارچین که توسط NASA و دانشگاه استنفورد [FLT3] توسعه یافته اند، نشان داده اند که میزان سوخت های راکتی تا چهار برابر است که از HTPB معمولی، قادر به سطوح عملی برای وسایل نقلیه کوچک به راه اندازی خصوصی هستند.

در بخش دفاعی، نیروی هوایی ایالات متحده و DARPA تحقیقاتی را در موتورهای هیبریدی برای موشک های تاکتیکی و هواپیماهای بدون سرنشین هدف انجام داده اند، جایی که تروتلینگ و ایمنی بسیار مهم هستند.سازمان های فضایی اروپا، از جمله ESA، مراحل پرش هیبریدی و جایگزین های سبز را آزمایش کرده اند.استفاده از تولید افزودنی (3D چاپ) برای دانه های سوخت اجازه می دهد تا زمین های پیچیده داخلی را بهبود بخشد که تکنیک های یکپارچه سازی و تجزیه و تحلیل را بهبود می دهند - در حال حاضر تحت برنامه های مهندسی هوافضا.

سیستم های هیبریدی و ماموریت های

چندین برنامه تاریخی و فعال، نیروی محرکه هیبریدی را در پرواز نشان داده اند:

  • SpaceShipOne و SpaceShipTwo ( کامپوزیت های پر شده / ویرجین گالاکتیک): این وسایل نقلیه زیرکانال از یک موتور هیبریدی استفاده می کنند که سوخت HTPB را با اکسید نیتریک می سوزاند. سیستم کنترل تروا را برای یک سوار صاف، ایمن و می تواند بلافاصله در یک اورژانس خاموش شود.
  • [دانشگاه واشنگتن: یک موشک هیبریدی دانش آموز ساخته شده که به ارتفاع 100 کیلومتر رسید، برنده مسابقه مهندسی موشک بین المللی المپیک 2019 است.
  • راکت های پرتاب (مرکز پرواز والوپس ناسا: پروازهای آزمایشی ترکیبی برای مطالعه پدیده های جوی با ارتفاع بالا و آزمایش فرمول های سوخت جدید استفاده شده است.
  • زمینداران ماه : چندین مطالعه مفهومی موتورهای هیبریدی را برای قابلیت های سخت گیرانه و کنترل ایمن آنها ارزیابی کرده اند که برای فرود خدمه در ماه یا مریخ ضروری است.

برای یک مرور دقیق از تاریخ راکت هیبریدی، انجمن راکلت ایالات متحده یک پایگاه داده عالی از هیبریدی های پیشرفته پرواز را حفظ می کند.

برنامه های بالقوه در دهه آینده

پرتاب وسایل نقلیه

قابلیت های Throttling و راه اندازی مجدد، موتورهای هیبریدی را برای مراحل اول و دوم قابل استفاده مجدد قوی می کند.یک مرحله اول هیبریدی می تواند یک سوختگی مجدد کنترل شده را انجام دهد و سپس برای فرود عمودی، مانند فالکون 9 ایکس اسپیس ایکس، اما بدون پیچیدگی و خطر از مایع یا سولفات.

گردشگری و سفر نقطه به نقطه

موفقیت ویرجین گالاکتیک در حال حاضر ثابت کرده است که پایداری موتورهای هیبریدی برای وسایل نقلیه حمل و نقل مسافر، ایمنی و مشخصات حرکتی صاف به خوبی به تجربیات پرواز زیرکانه است. S چندین استارتاپ در حال توسعه هواپیماهای فضایی هیبریدی برای سفر بیش از حد صوتی نقطه به نقطه، که در آن خاموش شدن و قابلیت راه اندازی مجدد برای تنظیمات مسیر پرواز مورد نیاز است.

استفاده از فضای عمیق و درون-Situ

برای ماموریت های فضایی عمیق، موتورهای هیبریدی می توانند با اکسیدهای غیر کشنده، اکسید کننده های طولانی مدت ترکیب شوند تا چندین سوختگی را در طول سال فعال کنند.در ماه یا مریخ، سوخت های جامد می توانند از منابع داخل حساس تولید شوند (به عنوان مثال پردازش مجدد برای پودر آلومینیوم)، در حالی که اکسید کننده می تواند از اتمسفر محلی یا موتورهای آب هیبریدی تولید شود که از تحقیقات پارا اکسید کربن فعلی استفاده می کنند (F2)

ماهواره و مدار Maneuvering

سیستم های پروکاری هیبریدی برای ماهواره های کوچک و وسایل نقلیه انتقال مداری طراحی شده اند. قابلیت راه اندازی مجدد آنها اجازه می دهد تا چندین تنظیمات مدار را تنظیم کند، در حالی که سوخت جامد می تواند در دانه های جمع آوری شده بسته بندی شود، صرفه جویی در حجم در مقایسه با مخازن مایع جداگانه.

نتیجه گیری

موتورهای راکت ترکیبی یک طاقچه منحصر به فرد در چشم انداز پروکولس اشغال می کنند - با استفاده از یک ترکیب قانع کننده از ایمنی، کنترل و بهره وری هزینه، در حالی که آنها بعید به جایگزینی موتورهای مایع با عملکرد بالا برای تقویت کننده های سنگین و یا تقویت کننده های جامد برای مراحل نصب، آنها ایده آل برای برنامه های کاربردی که در آن تروتلینگ، راه اندازی مجدد و ایمنی عملیات به طور مداوم بالا بسته بندی شده است، و کنترل قطعات حرارتی 3، به عنوان یک سیستم های عملیاتی فعال است.