हाइब्रिड रॉकेट इंजन का भविष्य वर्सेटिलिटी के लिए ठोस और तरल प्रोपेलेंट्स का संयोजन

प्रोपल्शन में अगला फ्रंटियर: हाइब्रिड रॉकेट इंजन

दशकों तक, अंतरिक्ष अन्वेषण ने दो प्राथमिक प्रकार के रॉकेट प्रणोदन पर भरोसा किया है: ठोस ईंधन मोटर्स और तरल ईंधन इंजन। प्रत्येक प्रदर्शन, सुरक्षा और लागत में अलग-अलग व्यापार-बंद प्रदान करता है। हालांकि, एक तीसरी श्रेणी - हाइब्रिड रॉकेट इंजन - चुपचाप मध्य जमीन के रूप में उभर रहा है। एक तरल या गैसीय ऑक्सीडाइज़र (या कभी-कभी रिवर्स), हाइब्रिड इंजन के साथ एक ठोस ईंधन के संयोजन से दुनिया के सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन को वितरित करने का वादा करता है: थ्रॉटलिंग और तरल की पुनरारंभ क्षमता के साथ ठोस की सादगी और सुरक्षा। चूंकि अंतरिक्ष उद्योग अधिक लचीला, पुन: प्रयोज्य और सस्ती लॉन्च सिस्टम की ओर धकेलता है, निजी हाइब्रिड सरकारी शोधकर्ताओं को नवीनीकृत करने वाली कंपनियों से लाभ उठाती है।

कैसे हाइब्रिड रॉकेट इंजन काम

एक विशिष्ट हाइब्रिड रॉकेट में, एक ठोस ईंधन अनाज - जिसमें एक रबर जैसी सामग्री जैसे हाइड्रॉक्सिल-टेरमिनेटेड पॉलीब्यूटाडेन (एचटीपीबी) या पैराफिन मोम- दहन कक्ष के अंदर डाली जाती है। एक तरल या गैसीय ऑक्सीडाइज़र (आमतौर पर नाइट्रस ऑक्साइड, ऑक्सीजन या हाइड्रोजन पेरोक्साइड) को आगे के अंत में इंजेक्शन दिया जाता है, जो ईंधन अनाज की सतह पर बहती है। ऑक्सीडाइज़र एक द्विध्रुवीय लौ में वाष्पीकृत ईंधन के साथ प्रतिक्रिया करता है जो अनाज की सतह पर जलता है। यह विन्यास स्वाभाविक रूप से ठोस रॉकेटों (जहां ईंधन और ऑक्सीडाइज़र दोनों तरल मैट्रिक्स में पूर्व मिश्रित होते हैं) और तरल पदार्थ को अलग-तरलित होते हैं।

चूंकि ऑक्सीकरणकर्ता को वाल्वों के माध्यम से ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है, इसलिए इंजन को थ्रॉटल किया जा सकता है, बंद कर दिया जा सकता है, और यहां तक कि उड़ान में पुनः आरंभ किया जा सकता है - क्षमता जो ठोस रॉकेट के साथ बेहद मुश्किल या असंभव है। उसी समय, ठोस ईंधन अनाज ऑक्सिडाइज़र के संपर्क में आने तक निष्क्रिय होता है, जिससे हाइब्रिड रॉकेट अतिगोलिक या क्रायोजेनिक प्रणोदक के साथ तरल द्विप्रोपेलेंट सिस्टम की तुलना में निर्माण, परिवहन और संभाल करने के लिए काफी सुरक्षित हो जाता है।

पारंपरिक प्रणोदन पर प्रमुख लाभ

बढ़ी हुई थ्रॉटलिंग और नियंत्रण

वास्तविक समय में अलग-अलग जोरों की क्षमता कई मिशन प्रोफाइल के लिए एक गेम-चेंजर है। सटीक थ्रोटल सेटिंग्स को प्राप्त करने के लिए तरल ऑक्सीडाइज़र प्रवाह को समायोजित किया जा सकता है, जिससे ग्रह सतहों, कक्षीय सम्मिलन पैंतरेबाज़ी और अनुकूलता के रूप में अनुपस्थित ट्रेजेक्टरी पर नरम लैंडिंग सक्षम हो सकती है। ठोस मोटर्स, इसके विपरीत, एक निश्चित दर पर जलाकर, एक बार प्रज्वलित हो जाता है, जिससे कोई थ्रॉटलिंग क्षमता नहीं मिलती है।

सतत सुरक्षा और कम जटिलता

एक हाइब्रिड रॉकेट मोटर एक स्थिर, गैर विस्फोटक ठोस के रूप में अपने ईंधन को वहन करती है। ईंधन और ऑक्सीडाइज़र को दहन तक मिश्रित नहीं किया जाता है, भंडारण और पूर्व-लॉन्च ऑपरेशन के दौरान catastrophic propellant leaks या आकस्मिक विस्फोटों के जोखिम को समाप्त किया जाता है। हाइब्रिड इंजनों को तरल इंजन की तुलना में कम उच्च दबाव वाले चलती भागों की आवश्यकता होती है, असेंबली और रखरखाव को सरल बनाती है।

लागत-प्रभावशीलता और विनिर्माण क्षमता

ठोस ईंधन अनाज को सीधा बहुलक प्रसंस्करण तकनीकों का उपयोग करके डाला जा सकता है, और कई हाइब्रिड सिस्टम स्टोरेबल, गैर-क्रायोजेनिक ऑक्सीडाइज़र का उपयोग करते हैं। यह महंगे क्रायोजेनिक बुनियादी ढांचे और अत्यधिक विशिष्ट हैंडलिंग उपकरण की आवश्यकता को कम करता है। कम सामग्री और विनिर्माण लागत छोटे प्रक्षेपण वाहनों और ध्वनि रॉकेट के लिए हाइब्रिड सिस्टम को आकर्षक बनाती है, जहां बजट की कमी विशेष रूप से तंग होती है।

पर्यावरण अनुकूलता

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.

व्यापार-बंद और इंजीनियरिंग चुनौतियां

उनके वादा के बावजूद, हाइब्रिड रॉकेट इंजन बिना किसी सीमा के नहीं हैं। प्रमुख तकनीकी बाधाएं अपेक्षाकृत कम प्रतिगमन दर है - जिस गति पर ठोस ईंधन अनाज जलता है। पारंपरिक हाइब्रिड ईंधन अनाज जैसे HTPB धीरे धीरे जला, जोर से वजन अनुपात को सीमित करते हैं और वांछित जोर प्राप्त करने के लिए बड़े सतह क्षेत्रों की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने इसे ऊर्जावान योजक (जैसे, एल्यूमीनियम पाउडर) को शामिल करके या उच्च प्रतिगमन दर वाले ईंधन जैसे पैराफिन मोम का उपयोग करके संबोधित किया है, जो एक पतली, अस्थिर पिघल परत बनाता है जो ईंधन वाष्पीकरण को बढ़ाता है और जला दर बढ़ाता है।

एक अन्य चुनौती है मिश्रण अनुपात जलने पर बदलाव। चूंकि ईंधन अनाज का रीसेप्स होता है, ज्यामिति में परिवर्तन होता है, जिससे ईंधन से ऑक्सीडिजर अनुपात में परिवर्तन होता है और संभावित रूप से विशिष्ट आवेग या दहन क्षमता को कम किया जाता है। सावधानीपूर्वक अनाज डिजाइन और फ़ीड प्रणाली नियंत्रण को पूरे जल में इष्टतम प्रदर्शन बनाए रखने की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, हाइब्रिड इंजन में आम तौर पर उच्च प्रदर्शन वाले तरल इंजन (जैसे, LOX/LH2) की तुलना में कम विशिष्ट आवेग होते हैं, जिससे उन्हें कुछ उच्च डेल्टा-V मिशनों के लिए कम उपयुक्त बना दिया जाता है।

दहन की अस्थिरता हाइब्रिड मोटर्स में भी उत्पन्न हो सकती है। दहन कक्ष में ऑसीलेटर्स ईंधन के प्रतिगमन और ऑक्सीडाइज़र इंजेक्शन के साथ मिलकर काम कर सकते हैं, जिससे दबाव स्पाइक्स या किसी न किसी जलने की संभावना होती है। सक्रिय नियंत्रण प्रणाली, उन्नत इंजेक्टर डिजाइन और डंपिंग तकनीक को इन मुद्दों को कम करने के लिए विकसित किया जा रहा है।

हाल ही में ब्रेकथ्रू और ऑनगोइंग रिसर्च

पिछले दो दशकों में प्रमुख प्रगति हुई है, विशेष रूप से उच्च प्रतिगमन दर ईंधन के विकास में। NASA और स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय द्वारा विकसित पैराफिन आधारित ईंधन ने पारंपरिक HTPB की चार गुना तक जलती हुई दरों को दिखाया है, जो छोटे से मध्यम प्रक्षेपण वाहनों के लिए व्यावहारिक जोर स्तर को सक्षम बनाता है। रॉकेट लैब जैसी निजी कंपनियों ने शुरू में तरल प्रणोदन पर सेट करने से पहले हाइब्रिड विकल्प का पता लगाया, लेकिन नए प्रवेशों जैसे Hyperion Rocketry]] और वाशिंगटन के प्रणोदन प्रयोगशाला के विश्वविद्यालय ने प्रदर्शन सीमाओं को जारी रखने के लिए हाइब्रिड विकल्प का पता लगाया।

रक्षा क्षेत्र में, अमेरिकी वायु सेना और डीआरपीए ने सामरिक मिसाइलों और लक्ष्य ड्रोन के लिए हाइब्रिड मोटर्स में अनुसंधान को वित्त पोषित किया है, जहां थ्रॉटलिंग और सुरक्षा महत्वपूर्ण है। यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसियों, जिसमें ईएसए सहित हाइब्रिड किक चरणों और हरे प्रोपेलेंट विकल्पों का परीक्षण किया है। ईंधन अनाज के लिए additive विनिर्माण (3 डी प्रिंटिंग) का उपयोग जटिल आंतरिक ज्यामिति को मिश्रण और प्रतिगमन एकरूपता में सुधार करने की अनुमति देता है - अब अग्रणी एयरोस्पेस इंजीनियरिंग कार्यक्रमों में अध्ययन के तहत एक तकनीक।

उल्लेखनीय हाइब्रिड सिस्टम और मिशन

कई ऐतिहासिक और सक्रिय कार्यक्रमों ने उड़ान में हाइब्रिड प्रणोदन का प्रदर्शन किया है:

• ]SpaceShipOne और SpaceShip Two (Scaled composites / Virgin Galactic): ये सबॉर्बिटल वाहन नाइट्रस ऑक्साइड के साथ हाइब्रिड मोटर बर्निंग HTPB ईंधन का उपयोग करते हैं। यह प्रणाली एक चिकनी, सुरक्षित सवारी के लिए थ्रॉटल नियंत्रण प्रदान करती है और तुरंत आपातकालीन स्थिति में बंद हो सकती है।
• TERRA (Wannage की विश्वविद्यालय): एक छात्र निर्मित हाइब्रिड रॉकेट जो 100 किमी की ऊंचाई पर पहुंच गया, 2019 इंटरकॉलेजिएट रॉकेट इंजीनियरिंग प्रतियोगिता जीती।
• ]Sounding रॉकेट (NASA's Wallops Flight सुविधा): हाइब्रिड परीक्षण उड़ानों का उपयोग उच्च ऊंचाई वाले वायुमंडलीय घटनाओं और नए ईंधन योगों का परीक्षण करने के लिए किया गया है।
• ]]: कई अवधारणा अध्ययनों ने अपनी थ्रोटलिंग क्षमता और सुरक्षित हैंडलिंग के लिए हाइब्रिड इंजन का मूल्यांकन किया है, जो चंद्रमा या मंगल पर क्रूड लैंडिंग के लिए आवश्यक हैं।

हाइब्रिड रॉकेट इतिहास के विस्तृत अवलोकन के लिए, संयुक्त राज्य अमेरिका के Rocketry एसोसिएशन उड़ान साबित हाइब्रिड्स का एक उत्कृष्ट डेटाबेस बनाए रखता है।

Decade में संभावित अनुप्रयोग

पुन: प्रयोज्य लॉन्च वाहन

थ्रॉटलिंग और पुनरारंभ क्षमताओं में पहले और दूसरे चरणों में पुन: प्रयोज्य के लिए हाइब्रिड इंजन मजबूत उम्मीदवार बनाते हैं। एक हाइब्रिड-संचालित पहला चरण एक नियंत्रित पुनर्वित्तीय जल को कर सकता है और फिर स्पेसएक्स के फाल्कन 9 के समान ऊर्ध्वाधर लैंडिंग के लिए थ्रॉटल हो सकता है लेकिन क्रायोजेनिक तरल मीथेन या केरोजेन की जटिलता और खतरे के बिना।

सबॉर्बिटल पर्यटन और पॉइंट-टू-पॉइंट यात्रा

वर्जिन गैलेक्टिक की सफलता ने पहले ही यात्री-वाहन वाहनों के लिए हाइब्रिड इंजन की व्यवहार्यता साबित कर दी है। सुरक्षा और चिकनी जोर प्रोफ़ाइल खुद को सबॉर्बिटल उड़ान अनुभवों को ठीक करने के लिए अच्छी तरह से उधार देती है। कई स्टार्टअप पॉइंट-टू-पॉइंट हाइपरसोनिक यात्रा के लिए हाइब्रिड-पावर्ड स्पेसप्लेन विकसित कर रहे हैं, जहां इन-फ्लाइट ट्रैप्टरीक समायोजन के लिए शटडाउन और रिबूट क्षमता की आवश्यकता होगी।

डीप स्पेस और इन-सिटू रिसोर्स यूटिबिलाइजेशन

गहरे अंतरिक्ष मिशन के लिए, हाइब्रिड इंजन को वर्षों में कई जलों को सक्षम करने के लिए गैर-क्रायोजेनिक, लंबे समय तक चलने योग्य ऑक्सीडाइज़र के साथ जोड़ा जा सकता है। चंद्रमा या मंगल पर, ठोस ईंधन को इन-सिटू संसाधनों (जैसे, एल्यूमीनियम पाउडर के लिए प्रसंस्करण regolith) से निर्मित किया जा सकता है, जबकि ऑक्सीकरण स्थानीय वातावरण या पानी की बर्फ से उत्पादित किया जा सकता है। हाइब्रिड इंजन जो पैराफिन और ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं (मार्स सीओ 2 वायुमंडल से बाहर) NASA अनुसंधान का एक वर्तमान क्षेत्र है।

उपग्रह और कक्षीय व्यवस्था

हाइब्रिड प्रणोदन प्रणाली को छोटे उपग्रहों और कक्षीय हस्तांतरण वाहनों के लिए डिज़ाइन किया जा रहा है। उनकी पुनरारंभ क्षमता एकाधिक कक्षा समायोजन की अनुमति देती है, जबकि ठोस ईंधन को कॉम्पैक्ट अनाज में पैक किया जा सकता है, अलग-अलग तरल टैंकों की तुलना में मात्रा को बचा सकता है।

निष्कर्ष

हाइब्रिड रॉकेट इंजन प्रणोदन परिदृश्य में एक अद्वितीय आला पर कब्जा कर लेते हैं - सुरक्षा, नियंत्रणीयता और लागत दक्षता के एक सम्मोहक मिश्रण को पेश करते हुए। जबकि वे भारी-लिफ्ट बूस्टर या स्ट्रैप-ऑन चरणों के लिए ठोस बूस्टर के लिए उच्च प्रदर्शन वाले तरल इंजन को बदलने की संभावना नहीं रखते हैं, वे उन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श साबित कर रहे हैं जहां थ्रोटलिंग, पुनरारंभ और सुरक्षा को संभालने की संभावना पैरामाउंट है। उच्च-प्रतिगमन-दर-रिग्रेशन ईंधन में आगे बढ़ने पर, 3 डी-प्रिंटेड अनाज डिजाइन और सक्रिय दहन नियंत्रण लगातार प्रदर्शन अंतराल को बंद कर रहे हैं। अंतरिक्ष उद्योग के रूप में टिकाऊ, पुन: प्रयोज्य और बहुमुखी प्रक्षेपण प्रणाली की संभावना है।