推進の次のフロンティア:ハイブリッドロケットエンジン

数十年にわたり、宇宙探査はロケット推進の2つの主要なタイプに頼っています。固体燃料モーターと液体燃料エンジン。それぞれが性能、安全性、コストの異なるトレードオフを提供しています。しかし、ハイブリッドロケットエンジンは、静かな新興国として、説得力のある中間地として存在しています。液体または気体酸化装置(または時々逆)と固体燃料を組み合わせることにより、ハイブリッドエンジンは、両方の世界最高の供給を約束します。ハイブリッドロケットエンジンは、よりシンプルで、より快適な環境を促進し、より快適な環境を実現します。

ハイブリッドロケットエンジンの仕組み

典型的なハイブリッドロケットでは、固体燃料穀物-ヒドロキシル-terminated polybutadiene (HTPB) やパラフィンワックス-燃焼チャンバー内部でキャストされます。液体または気体酸化剤(一般的に酸化窒素、酸素、または過酸化水素)は、前方端を通って注入され、燃料粒の表面を上回ります。酸化剤は、粉砕された燃料と混合された液体を混合し、固体の燃料を分離する(固体)と固体の混合する。

酸化剤はバルブを介して正確に制御することができるので、エンジンはスロットルド、シャットダウンすることができ、さらには、飛行中に再起動されるため、固体ロケットで非常に困難または不可能である能力。同時に、固体燃料穀物は、酸化剤にさらされるまで、ハイブリッドロケットは、高酸素または低温殺菌剤で液体のバイプロペラシステムよりも大幅に安全を製造、輸送、および処理する。

従来の推進上の主利点

強化されたスロットリングと制御

リアルタイムでスラストを変える能力は、多くのミッションプロファイルのためのゲームチェンジャーです。 液体オキシダーゼフローは、正確なスロットル設定を達成するために調整することができ、惑星表面、軌道のインサート操縦、および適応型上昇軌跡の軟地化を可能にします。 対照的に、固体モーターは、固定速度で焼くと、回転機能はありません。

安全・複雑性を低減

ハイブリッドロケットモーターは、安定した非爆発固体として燃料を運びます。燃料とオキシダは燃焼まで混合されず、貯蔵および事前調整された操作の間に大惨事な支柱の漏出または偶然の爆発の危険を排除します。ハイブリッドエンジンは、より少ない高圧移動部品を液体エンジンと比較して、アセンブリとメンテナンスを簡素化します。

コスト効果と製造性

固体燃料穀物は、ストレートフォワードポリマー加工技術を使用して鋳造することができ、多くのハイブリッドシステムでは、ストールブル、非低温酸化装置を使用します。これにより、高価な低温インフラと高度に専門性の高い処理装置の必要性が軽減されます。材料と製造コストが低減され、小規模の打ち上げ車両や予算の制約が特に厳しい場所のロケットを鳴らすために、ハイブリッドシステムが魅力的になります。

環境のFriendliness

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.

トレードオフとエンジニアリングチャレンジ

約束にもかかわらず、ハイブリッドロケットエンジンは制限なしではありません。 主要な技術的なハードルの1つは、比較的低い回帰率です。固体燃料の穀物が焼く速度。 HTPBのような伝統的なハイブリッド燃料穀物はゆっくりと燃焼し、推圧対重量比を制限し、希望する推圧を達成するために大きな表面面積を必要とする。 研究者は、エネルギー添加剤(例えば、アルミニウム粉末)を組み込むことによって、これを対処しました。 燃料は、燃料を排出するような高濃度の層を増加させ、その変化を増加させます。

もう一つの課題は、燃焼を転回する混合比です。燃料穀物が回復するにつれて、幾何学的変化は燃料に酸化剤比を変え、特定の衝動または燃焼効率を低下させる可能性があります。 有用な穀物設計と供給システム制御は、燃焼中の最適な性能を維持するために必要です。 さらに、ハイブリッドエンジンは、一般的に、高性能液体エンジン(例えば、LOX / LH2)よりも低い特定の衝動を持っているので、いくつかの高デルタVミッションに適したものを作る。

燃焼の不安定性は雑種のモーターでまた発生することができます。燃焼部屋の振動は圧力スパイクか荒い焼却に導く燃料回帰および酸化装置の注入と、結合できます。活動的な制御システム、高度の注入器の設計および弱まる技術はこれらの問題を軽減するために開発されています。

最近のブレークスルーとオンゴイング研究

主要な進歩は、過去2年で行われてきました, 特に高回帰率燃料の開発で. パラフィンベースの燃料は、によって開発されました ]]NASAとスタンフォード大学[]]は、従来のHTPBの4回までの燃焼速度を示しました, 実用的推力レベルを小型から中進水車に有効にします. 液体推進に調整する前に、ロケットラボなどの民間企業がハイブリッドオプションを探索しました, と LTFLTFLTF] は、次の性能を継続します。 [F]

防衛部門では、米国空軍およびDARPAは、戦術的なミサイルやターゲットドローンのためのハイブリッドモータに研究を資金を供給してきました。この分野は、回転と安全性が重要である。 ESAを含むヨーロッパの宇宙機関は、ハイブリッドキックステージと緑の推進力代替品をテストしました。 燃料穀物のための添加製造(3Dプリント)の使用は、混合と回帰の均一性を向上させる複雑な内部幾何学を可能にします。 大手航空宇宙工学プログラムで研究の下で技術が研究されています。

ハイブリッドシステムとミッション

いくつかの歴史的で活動的なプログラムが飛行中にハイブリッド推進を実証しました。

  • [SpaceShipOneとSpaceShipTwo(スケーリングコンポジット/バージン銀河):これらの亜策車両は、酸化窒素でHTPB燃料を燃焼するハイブリッドモーターを使用します。 このシステムは、スムーズで安全な乗り心地のためのスロットル制御を提供し、緊急時にすぐにシャットダウンすることができます。
  • TERRA(ワシントン大学):2019年インターカレッジ・ロケット工学コンクールで優勝した、100kmの高度に達した学生ビルのハイブリッドロケット。
  • [ 音のロケット] (NASAのWallops Flight設備): 高度大気現象を調べ、新しい燃料製剤をテストするためにハイブリッドテストフライトが使用されています。
  • :月面着陸を提唱:いくつかのコンセプト研究は、月面または火星の乗組着陸に不可欠である、回転能力と安全な取り扱いのためのハイブリッドエンジンを評価しています。

ハイブリッドロケットの歴史の詳細な概要については、米国[]のロケット協会は、飛行実証済みのハイブリッドの優れたデータベースを維持します。

産学期における潜在的な適用

再利用可能な起動車

スロットリングと再起動機能により、ハイブリッドエンジンは、再利用可能な第1段階と第2段階のハイブリッドエンジンの強力な候補を生成します。ハイブリッドパワーのファーストステージは、制御された再エントリーバーンを実行し、その後、SpaceXのFalcon 9と同様、垂直着陸のためにスロットルダウンすることができますが、低温液体メタンや灯油の複雑さと危険性なし。

観光・ポイントツーポイント旅行

バージン・ガラクシーの成功は、すでに旅客運送車両用のハイブリッドエンジンの生存可能性を証明しています。 安全とスムーズなスラストプロファイルは、フライトの体験を抑制するために十分に貸与します。 いくつかのスタートアップは、ポイントツーポイントのハイパーソニック旅行のためのハイブリッドパワー宇宙飛行士を開発しています。 操業停止と再起動機能は、機内軌跡調整に必要な。

深層空間と内科資源活用

ディープスペースのミッションでは、ハイブリッドエンジンは、非低温、長回転酸化剤と組み合わせて、長年にわたり複数の焼跡を有効にすることができます。月または火星では、固体燃料は、内分リソース(例えば、アルミニウム粉末の規制処理)から製造することができ、オキシダーは、ローカル大気や水氷から生成することができる。パラフィンと酸素(火星のCO2から抽出された大気)を使用するハイブリッドエンジンは、現在の領域である[FAT][F][F][F][F][F]]]の[F]]]の領域である[F][F]]]

衛星および軌道操縦

ハイブリッド推進システムは、小型衛星や軌道移動車両向けに設計されています。 それらの再起動機能は、複数の軌道調整を可能にします。固体燃料は、コンパクトな穀物でパッケージ化することができ、別の液体タンクと比較してボリュームを節約します。

コンテンツ

ハイブリッドロケットエンジンは、推進の風景にユニークなニッチを占めています。それは、安全性、制御性、およびコスト効率の両立的なブレンドを享受しています。 それらは、高性能液体エンジンを重ねるのに異なりませんが、高揚力ブースターやストラップオンステージ用の固体ブースターは、これらは、回転、再起動、および安全の取り扱いがパラマウントであるアプリケーションに最適です。 進行方向に進むと、高回帰管燃料、および3Dプリントの拡張可能な性能が、およびアクティブ・コントロール・テクノロジーが、さらには、より重要な役割を果たします。