הגבול הבא ב-Propulsion: Hybrid Rocket Engines

במשך עשרות שנים, חקר החלל התבסס על שני סוגים עיקריים של הנעה: מנועים דלק מוצק ומנועי דלק נוזלי.כל אחד מציע שינויים נפרדים בביצועים, בטיחות ועלויות.עם זאת, קטגוריה שלישית - מנוע הרקטות ההיברידי - הוא עדיין מתפתח כקרקע ביניים משכנעת.על ידי שילוב של דלק מוצק עם נוזל או גזי חמצון (או לעתים הפוך), הבטחה היברידית לספק את הטוב ביותר של מערכות ניקוי ושיקום יעיל יותר, כמו גם פשטות חזקות יותר, כמו גם עם מערכות בטיחות מוצקות, כמו גם עם דלק חזק יותר, כמו גם עם נוזל, כמו גם עם נוזל, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם חברות אבטחה מוצקות, כמו גם פשטות, כמו גם חברות מוצקות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות, כמו גם פשטות מוצקות, כמו פשטות,

כיצד פועל מנועים היברידיים

בקטטה היברידית טיפוסית, גרגר דלק מוצק - לעתים קרובות חומר דמוי גומי כגון פוליבוטאדין (HTPB) או שעווה פרפין - הוא נחטף בתוך תא הבעירה. A נוזל או גזיזר (מסולק באופן אנונימי) הן מכווצות דלק מוצקות, חמצן או מימן peroxide) מוזרק דרך הקצה הקדמי, זורם מעל פני השטח של גרגר נוזלי או נוזל עם דלק נוזלי זה נוזל נוזל נוזל מתכתב (אוקסיד) נמצאים תחת לחץ דם נוזל) עם רקטות נוזל נוזל נוזל נוזל אחורית נוזל אחוריים שונים).

מכיוון שהחמצן יכול להיות נשלט בדיוק באמצעות שסתום, המנוע יכול להיות מכווצ, להיסגר, ואפילו לחדש מחדש בטיסה - יכולות קשות או בלתי אפשריות עם רקטות מוצקות. במקביל, גרגר דלק מוצק אינו מתכנס עד חשופים לחמצן, מה שהופך רקטות היברידיות בטוחות יותר לייצור, תחבורה, טיפול מאשר מערכות דו-פרופוריות עם hypergolic או מדחף שרוף.

יתרונות מרכזיים על הדחף המסורתי

המונחים: Throttling and control

היכולת להשתנות דחף בזמן אמת היא שינוי משחק עבור פרופילים רבים של משימות.זרימת חמצון נוזלי ניתן להתאים כדי להשיג הגדרות throttle מדויקות, המאפשר נחיתה רכות על פני כדור הארץ, תמרונים של שילוב מסלול, והתאמה של ascentjectories. Solid מוטורs, לעומת זאת, לשרוף בקצב קבוע פעם, מציע יכולת התפוגה.

בטיחות וצמצום המורכבות

מנוע טילים היברידי נושא את הדלק שלה כ מוצק יציב, לא-explosive.הדלק והחמצן אינם מעורבים עד הבעירה, תוך חיסול הסיכון של דליפות דחף קטסטרופליות או פיצוצים מקריים במהלך אחסון ותפעול טרום ההשקה. מנועי היברידיים דורשים גם פחות מתח גבוה מתחזים נעים חלקי בהשוואה למנועי נוזל, פשטו את הרכבה ותחזוקה.

עלויות-אווירה וכוח-הנעה

דגנים דלק מוצק יכול להיות להטיל באמצעות טכניקות עיבוד פולימר פשוט, ומערכות היברידיות רבות להשתמש oxidizers עוקץ, לא קריגניות.זה מפחית את הצורך תשתיות Cryogenic יקר וציוד טיפול מיוחד מאוד.

ידידותיות סביבתית

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.

תוצאות מסחר ואתגרי הנדסה

למרות ההבטחה שלהם, מנועי טילים היברידיים אינם ללא מגבלות.אחד ההוורדים הטכניים העיקריים הוא שיעור תוקפנות נמוך יחסית - המהירות שבה שריפת דגנים דלק מוצקה. דגנים היברידיים מסורתיים כמו HTPB לשרוף לאט, הגבלת יחס הדחף למשקל ודורשת משטח גדול כדי להשיג את דחף הרצוי.

אתגר נוסף הוא שינוי יחס התערובת על השריפה.כפי שגרגר הדלק נסוג, השינויים הגיאומטריה, שינוי יחס דלק-לחמצן ופוטנציאל הפחתת אימפולס מסוים או יעילות הבעירה.עיצוב דגנים ובקרת מערכת ההזנת נדרשים לשמור על ביצועים אופטימליים לאורך כל השריפה.בנוסף, מנועי היברידיים בדרך כלל יש דחפים ספציפיים נמוכים יותר מאשר מנועי ביצועים גבוהים (למשל, LOX / H2) עבור כמה משימות פחות מתאימים.

חוסר יכולת הבעירה יכול גם להתעורר במנועים היברידיים. Oscillations בתא הבעירה יכול זוג עם תוקפנות דלק וזריקת חמצון, המוביל ללחץ ספייקים או שריפת מערכות בקרה Active Active, עיצובים מתקדמים של אינזרק, וטכניקות לחות מפותחות כדי להקטין את הבעיות הללו.

תוצאות חיפוש ו- Onמתמשכים Research

התקדמות גדולה נעשתה בשני העשורים האחרונים, במיוחד בפיתוח דלקים בעלי תוקפנות גבוהה.דלקים מבוססי פרפין שפותחו על ידי FLT:0NASA ואוניברסיטת סטנפורד רנ"ל:1 הראו שיעורי כוויות עד ארבע פעמים של HTPB קונבנציונלי, המאפשר רמות דחף מעשיות עבור כלי רכב קטנים עד בינוניים.

במגזר ההגנה, חיל האוויר האמריקני ו- DARPA מממנים מחקר על מנועים היברידיים עבור טילים טקטיים ורחפנים יעד, שבו התכוטשות והבטיחות הן קריטיות. סוכנויות חלל אירופיות, כולל ESA, בחנו שלבים בעיטות היברידיות ו חלופות דחף ירוקות.השימוש בייצור תוספים (3D) לדגנים דלק מאפשר גרגרי גאמטריה פנימיים מורכבים שמשפרים את התערובת והתוקפנות - עכשיו תחת תוכניות מחקר מובילות בחלל.

מערכות היברידיות ומשימות

מספר תוכניות היסטוריות ופעילות הוכיחו את ההנעה ההיברידית בטיסה:

  • (FLT:0) SpaceShip One and SpaceShip TwoearFLT:1) (Scaled Composites / Virginגלקטיקה): כלי רכב תת-ביטל אלה משתמשים בדלק היברידי של מנוע ה-HTPB עם תחמוצת ניטר.המערכת מספקת שליטה על אופניים חלקה ובטוחה, וניתן לסגור מיד בשעת חירום.
  • (FLT:0)TERRAIRFLT:1) (אוניברסיטת וושינגטון): טיל היברידי שנבנה על ידי סטודנטים שהגיע לגובה של 100 ק"מ, הזוכה בתחרות ההנדסה הבינלאומית של טילים.
  • (FLT:0) רקטות מדהימות FLT:1 (מרכז הטיסה של נאס"א): טיסות מבחן היברידיות שימשו כדי ללמוד תופעות אטמוספיריות בעלות יכולת גבוהה ולבדוק פורמולציה דלק חדשה.
  • (FLT:0) ,Proposed Moon LandersFLT:1: מספר מחקרים על קונספט העריכו מנועי היברידיים עבור יכולת התפירה שלהם וטיפול בטוח, אשר חיוניים עבור הנחיתה על הירח או מאדים.

לסקירה מפורטת של ההיסטוריה של טילים היברידית, התאחדות הטילים של ארצות הברית, ההרחבה של ארצות הברית, הקימה מאגר מידע מעולה של היברידיות מוכחות לטיסה.

יישומים פוטנציאליים בעשור הקרוב

רכבי שיגור ניתנים לעריכה

יכולות Throtling והפעלה מחדש להפוך את המנועים היברידיים למועמדים חזקים עבור שלבים ראשונים ושניים הניתנים לחזרה מחדש.שלב היברידי מופעל על ידי היברידית יכול לבצע כוויות חוזרות מבוקרות ולאחר מכן להתפצל לנחת אנכית, בדומה ל-SpaceX's Falcon 9 אבל ללא המורכבות והסיכונים של מתאן נוזלי Cryogenic או kerosene.

תיירות סובביטאלית ו- Point-to-Point Travel

הצלחתה של וירג'ין גלקטי כבר הוכיחה את יכולתם של מנועי היברידיים עבור כלי רכב נוסעים.פרופיל הבטיחות והדחף החלקי המלווה את עצמם היטב לחוויות טיסה תת-ביטריות.כמה סטארט-אפים מפתחים מטוסים היברידיים המופעלים על ידי מטוסים עבור נסיעה היפר-אפית-נקודתית-לנקודתית, שם חסימה והיכולת מחדש יידרשו להתאמות של טיסה.

מרחב עמוק ו- In-Situ Resource Utilization

למשימות חלל עמוקות, ניתן לשלב מנועים היברידיים עם חומרים לא-קריוגניים, מחוונים לטווח ארוך כדי לאפשר כוויות מרובות לאורך שנים. על הירח או מאדים, דלקים מוצקים יכולים להיות מיוצרים ממשאבים שאינם מתאימים (למשל, עיבוד regolith עבור אבקת אלומיניום), בעוד המחמצן יכול להיות מיוצר מהאווירה או ממנועי קרח מקומיים.

לווין ואורביטל מנצ'ינג

מערכות ההנעה ההיברידיות נועדו ללוויינים קטנים ולרכבי העברה מקיפים.היכולת שלהם מחדש מאפשרת התאמות מסלול מרובות, בעוד שהדלק המוצק ניתן לארוז בדגנים קומפקטיים, לחסוך נפח בהשוואה לטנקים נוזליים נפרדים.

מסקנה

מנועי טילים היברידיים תופסים נישה ייחודית בנוף ההנעה – תוך שילוב משכנע של בטיחות, שליטה ויעילות עלות, בעוד שהם אינם צפויים להחליף מנועים נוזליים בעלי ביצועים גבוהים עבור מאיצים כבדים או מאיצים חזקים עבור שלבים פסים, הם מוכיחים אידיאליים עבור יישומים שבהם משימות הנעות, הפעלה מחדש, טיפול בטיחות הם משותקים בהתקדמות גבוהה של דלקים עמידים, כמו גם עיצובים עמידים, כמו גם על פני השטח הפעילה, כמו גם על פני השטח.