Seuraava raja propulsio: hybridirakettimoottorit

Vuosikymmenten ajan avaruustutkimus on tukeutunut kahteen primaariseen rakettien työntövoimatyyppiin: kiinteää polttoainetta käyttäviin moottoreihin ja neste-polttoainemoottoreihin. Jokainen tarjoaa erilliset kompromissit suorituskykyyn, turvallisuuteen ja kustannuksiin.Kolmas luokka.Kohderakettimoottori on kuitenkin hiljaa nousemassa vaativaksi keskimaaksi. Yhdistämällä kiinteän polttoaineen nestemäiseen tai kaasumaiseen hapettimeen (tai toisinaan päinvastoin), hybridimoottorit lupaavat toimittaa molempien maailmojen parhaat puolet: kiinteän polttoaineen yksinkertaisuuden ja turvallisuuden, kun nesteet kuristetaan ja käynnistetään uudelleen. Kun avaruusteollisuus pyrkii kohti joustavampaa, uudelleenkäytettävää ja kohtuuhintaista laukaisujärjestelmää, hybridimoottorit saavat uutta huomiota tutkijoilta, yksityisiltä yrityksiltä ja valtiolta.

Miten hybridirakettimoottorit toimivat

Tyypillisessä hybridiraketissa ruiskutetaan usein kiinteää polttoainetta, joka on kumin tapaista materiaalia, kuten hydroksyylipäätteinen polybutadieeni (HTPB) tai parafiinivaha. Nestemäistä tai kaasumaista oksidaattoria (tavallisesti typpioksiduuli, happi tai vetyperoksidi) ruiskutetaan eteenpäin, ja se virtaa polttoaineen jyvän pinnan yli. Oksidizer reagoi höyrystetyn polttoaineen kanssa diffuusioliekissä, joka palaa pitkin viljaa. Tämä kokoonpano eroaa luonnostaan sekä kiinteistä raketeista (jossa polttoaine ja oksidaattori sekoitetaan kiinteässä matriisissa) että nestemäisissä raketeissa (jossa molemmat polttoaineet varastoidaan nesteinä ja ruiskutetaan erillisten suuttimien kautta).

Koska hapetin voidaan tarkasti ohjata venttiilien kautta, moottori voidaan kaasuttaa, sammuttaa ja jopa käynnistää uudelleen lennolla. Valmiudet ovat erittäin vaikeita tai mahdottomia kiinteiden rakettien avulla. Samalla kiinteä polttoaineen vilja on inerttiä, kunnes se altistuu hapettimelle, jolloin hybridiraketit ovat huomattavasti turvallisempia valmistaa, kuljettaa ja käsitellä kuin nestemäiset kaksipropellantit, joilla on hypergoolisia tai kryogeenisiä polttoaineita.

Tärkeimmät edut perinteisen voimankäytön yli

Tehostettu jyrsiminen ja ohjaus

Kyky vaihdella työntövoima reaaliajassa on pelin muutos monien tehtäväprofiilien. Nestemäinen oksidaattori virtaus voidaan säätää saavuttaa tarkka kaasusäädöt, mahdollistaa pehmeä laskeutuminen planeetan pinnat, kiertoradalla asennus ohjaimet, ja adaptiivinen nousun trajektorit. Kiinteät moottorit, sen sijaan, polttaa kiinteällä nopeudella, kun syttyy, tarjoten ei kuristaminen kyky.

Turvallisuuden ja kompleksisuuden väheneminen

Hybridirakettimoottori kuljettaa polttoainetta vakaana, räjähtämättömänä kiinteänä. Polttoainetta ja hapetinta ei sekoiteta ennen polttoa, jolloin poistetaan vaara katastrofaalisista polttoainevuodoista tai räjähdyksistä varastoinnin ja ennen laukaisua tapahtuvan toiminnan aikana. Hybridimoottorit vaativat myös vähemmän korkeapaineisia liikkuvia osia kuin nestemoottorit, mikä yksinkertaistaa kokoonpanoa ja huoltoa.

Kustannustehokkuus ja valmistuskelpoisuus

Kiinteän polttoaineen jyviä voidaan valaa käyttämällä yksinkertaisia polymeeri-käsittelytekniikoita, ja monet hybridijärjestelmät käyttävät varastoitavia, ei-kryogeenisiä hapettimia. Tämä vähentää tarvetta kalliin kryogeenisen infrastruktuurin ja erittäin erikoistuneiden käsittelylaitteiden. Alemmat materiaali- ja valmistuskustannukset tekevät hybridijärjestelmistä houkuttelevia pienille kantoraketeille ja luotainraketeille, joissa budjettirajoitukset ovat erityisen tiukat.

Ympäristöystävällisyys

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.

Kauppa- ja teknologiahaasteet

Lupauksistaan huolimatta hybridirakettimoottorit eivät ole rajoituksettomia. Yksi tärkeimmistä teknisistä esteistä on suhteellisen alhainen regressionopeus.Nopeus, jolla kiinteä polttoaine palau. Perinteiset hybridipolttoaineen jyvät kuten HTPB polttavat hitaasti, rajoittavat työntöpaino-suhdetta ja vaativat suuria pinta-aloja saavuttamaan halutun työntövoiman. Tutkijat ovat käsitelleet tätä sisällyttämällä energisiä lisäaineita (esim. alumiinijauhe) tai käyttämällä korkea-aggressio-nopeus polttoaineita, kuten parafiinivahaa, joka muodostaa ohuen ja epävakaan sulakerros, joka parantaa polttoaineen höyrystymistä ja lisää palamisnopeutta.

Toinen haaste on seoksen suhteen siirtyminen palamisen aikana. Polttoaineen viljan väistyessä geometria muuttuu, polttoaineen ja hapettimen suhde muuttuu ja mahdollisesti vähentää spesifistä impulssi- tai palamistehoa. Huolellinen viljan suunnittelu ja syöttöjärjestelmän hallinta ovat tarpeen optimaalisen suorituskyvyn ylläpitämiseksi koko palamisen ajan. Lisäksi hybridimoottoreilla on yleensä matalammat spesifiset impulssit kuin korkeatehoisilla nestemoottoreilla (esim. LOX/LH2), jolloin ne eivät sovellu yhtä hyvin joihinkin korkea-delta-V-reissuihin.

Myös hybridimoottoreissa voi syntyä polttovajauksia. Polttokammiossa voi olla katkoksia, jotka voivat liittyä polttoaineen regressioon ja hapettimen ruiskutukseen, mikä johtaa painepiikkeihin tai kovaan palamiseen. Aktiivisia ohjausjärjestelmiä, kehittyneitä ruiskutusmalleja ja vaimennustekniikoita kehitetään näiden ongelmien lieventämiseksi.

Viimeaikaiset läpimurrot ja käynnissä oleva tutkimus

Viime vuosikymmenten aikana on edistytty huomattavasti erityisesti pitkälle menevän regressiopolttoaineen kehittämisessä. [NASAn ja Stanfordin yliopiston [ kehittämät paraffiinipohjaiset polttoaineet ovat osoittaneet palamisasteet jopa nelinkertaiseksi verrattuna perinteiseen HTPB:hen, mikä mahdollistaa käytännön työntövoimatasot pienille ja keskisuurille laukaisuajoneuvoille. Yksityiset yritykset, kuten Rocket Lab, tutkivat aluksi hybridivaihtoehtoja ennen nestepropulsiota, mutta uudet tulokkaat, kuten Hyperion Rocketry[ ja Washington-yliopiston propulsiolaboratorio jatkavat suoritusrajaa.

Puolustusalalla Yhdysvaltain ilmavoimat ja DARPA ovat rahoittaneet tutkimusta taktisten ohjusten hybridimoottoreista ja maalilennokeista, joissa kuristimet ja turvallisuus ovat kriittisiä. Euroopan avaruusjärjestöt, mukaan lukien ESA, ovat testanneet hybridipotkuvaiheita ja vihreitä polttoainevaihtoehtoja. Lisäaineiden valmistus (3D-tulostus) mahdollistaa monimutkaiset sisäiset geometriat, jotka parantavat sekoittumista ja regressioyhtenäisyyttä.

Merkitykselliset hybridijärjestelmät ja operaatiot

Useat historialliset ja aktiiviset ohjelmat ovat osoittaneet hybridipropulsiota lennolla:

  • AvaruusShipOne ja SpaceShipTwo[ (skaalatut komposiittit / Virgin Galactic): Nämä suborbitaaliset ajoneuvot käyttävät hybridimoottorin polttavaa HTPB-polttoainetta typpioksidilla. Järjestelmä tarjoaa kaasusäädön sujuvaa, turvallista ratsastusta varten ja voidaan sulkea välittömästi hätätilanteessa.
  • TERRA[: (University of Washington): Opiskelija rakennettu hybridi raketti, joka saavutti korkeus 100 km, voittaa 2019 Intercollegiate Rocket Engineering Kilpailu.
  • ]Äänenvaimentimet[ (NASAn Vallonian lentotukikohta): Hybriditestilentoja on käytetty korkea-korkeuden ilmakehän ilmiöiden tutkimiseen ja uusien polttoainemuotojen testaamiseen.
  • Proposed kuun laskeutujat[: Useissa konseptitutkimuksissa on arvioitu hybridimoottoreita niiden kuristamiskyky ja turvallinen käsittely, jotka ovat välttämättömiä miehistöön laskeutumista Kuussa tai Marsissa.

Rocketry Association of the United States ylläpitää erinomaista tietokantaa lento-todistetuista hybrideistä.

Mahdolliset sovellukset tulevan vuosikymmenen aikana

Uudelleen käytettävät laukaisuajoneuvot

Throttling ja uudelleenkäynnistys ominaisuudet tekevät hybridimoottorit vahvat ehdokkaat uudelleenkäytettäviin ensimmäisen ja toisen vaiheen. Hybridi-käyttöinen ensimmäinen vaihe voisi suorittaa hallittu paluun polttaa ja sitten kaasuta alas pystysuoraan laskeutumiseen, samanlainen SpaceX.s Falcon 9 mutta ilman monimutkaisuutta ja vaaraa kryogeeninen nestemetaani tai kerosiinia.

Matkailu ja matkailu pisteestä pisteeseen

Virgin Galactic. Onnistuminen on jo osoittautunut elinkelpoiseksi hybridimoottorit matkustaja-kuljetus ajoneuvoja. Turvallinen ja sileä työntövoima profiili sopii hyvin suborbitaalinen lentokokemuksia. Useat startup-kehittelevät hybridi-käyttöisiä avaruuslentokoneita piste-to-point hypersonic matka, jossa pysäytys ja uudelleenkäynnistys valmiuksia tarvitaan lennon aikana lentoradan säätö.

Syvä tila ja Situn resurssien hyödyntäminen

Syvällä avaruusasemalla hybridimoottorit voidaan yhdistää ei-kryogeenisiin, pitkävaikutteisiin hapettimiin, joiden avulla voidaan vuosien mittaan saada useita palovammoja. Kuussa tai Marsissa voidaan valmistaa kiinteitä polttoaineita in situ -resursseista (esim. alumiinijauheen prosessointi regolithilla), kun taas oksidaattori voidaan tuottaa paikallisesta ilmakehästä tai vesijäästä. Parafiinia ja happea (Mars. CO2-ilmakehästä otettu) käyttävät hybridimoottorit ovat nykyaikainen NASA-tutkimusalue[.

Satelliitti- ja kiertorata-ohjaus

Hybridikäyttöjärjestelmät on suunniteltu pienille satelliitteille ja kiertoradalla liikkuville ajoneuvoille. Niiden uudelleenkäynnistys mahdollistaa useita kiertoradan säätöjä, kun taas kiinteä polttoaine voidaan pakata pieniksi jyviksi, jolloin säästyy tilavuutta erillisiin nestesäiliöihin verrattuna.

Päätelmä

Hybridirakettimoottorit ovat ainutlaatuisella markkinarako propulsio maisemassa. Tarjoten vakuuttava sekoitus turvallisuutta, ohjauskelpoisuus, ja kustannustehokkuus. Vaikka ne ovat epätodennäköistä korvata korkean suorituskyvyn nestemoottorit raskaiden nostotehostimien tai kiinteiden vahvistimien hihna-on vaiheissa, ne osoittautuvat ihanteellinen sovelluksille, joissa kuristaminen, uudelleenkäynnistäminen, ja käsittely turvallisuus ovat ensiarvoisen tärkeitä. Jatkuva edistyminen korkean regressio-nopeus polttoaineet, 3D-painetut vilja suunnittelu, ja aktiivinen poltto ohjaus ovat tasaisesti sulkevat suorituskykykuilu. Koska avaruusteollisuus kääntyy kohti kestävä, uudelleenkäytettävä, ja monipuoliset laukaisujärjestelmät, hybridipopulssi on potenssi on potensoitu toimimaan yhä merkittävämpi rooli sekä suborbitaali-ja orbitaalitehtävät. Seuraava vuosikymmen todennäköisesti nähdä enemmän käyttö hybridiraketit lentää.