Următoarea frontieră în propulsie: motoare cu rachete hibride

De zeci de ani, explorarea spaţiului s-a bazat pe două tipuri primare de propulsie a rachetelor: motoare cu combustibil solid şi motoare cu combustibil lichid. Fiecare oferă compromisuri distincte în performanţă, siguranţă şi cost. Cu toate acestea, o a treia categorie de motoare cu rachetă hibridă se dezvoltă în linişte ca un teren de mijloc convingător. Prin combinarea unui combustibil solid cu un oxidant lichid sau gazos (sau ocazional invers), motoarele hibride promit să ofere cele mai bune din ambele lumi: simplitatea şi siguranţa solidelor cu capacitatea de a răci şi de a reporni lichidele. Pe măsură ce industria spaţială împinge către sisteme de lansare mai flexibile, reutilizabile şi accesibile, propulsie hibridă obţine atenţie reînnoită din partea cercetătorilor, a companiilor private şi a agenţiilor guvernamentale deopotrivă.

Cum funcționează motoarele cu rachete hibride

Într-o rachetă hibridă tipică, un bob solid de combustibil [de multe ori un material asemănător cauciucului, cum ar fi polistirenul cu structură de poli (HTPB) sau ceara de cearceaf (HTPB) sau ceara de pana la ceara de ceara de cenușie este turnat în interiorul camerei de ardere. Un oxidant lichid sau gazos (de obicei oxid de azot, oxigen sau peroxid de hidrogen) este injectat prin partea anterioară, care curge pe suprafața boabelor de combustibil. Oxidantul reacționează cu combustibilul vaporizat într-o flacără de difuzie care arde de-a lungul suprafeței de cereale. Această configurație este inerent diferită de ambele rachete solide (unde combustibilul și oxidantul sunt preamestecate într-o matrice solidă) și rachetele lichide (în cazul în care ambele propulsoare sunt depozitate ca lichide și injectate prin duze separate).

Deoarece oxidantul poate fi controlat cu precizie prin supape, motorul poate fi accelerat, oprit, și chiar repornit în zbor . Capabilități care sunt extrem de dificil sau imposibil cu rachete solide. În același timp, cerealele solide combustibil este inert până când este expus la oxidant, făcând rachete hibride semnificativ mai sigure pentru a produce, transporta și manipula decât sistemele bipropellante lichide cu propulsoare hipergolice sau criogenice.

Avantaje cheie în legătură cu propulsarea tradiţională

Îmbunătăţirea accelerării şi controlului

Capacitatea de a varia de împingere în timp real este un schimbător de joc pentru multe profiluri de misiune. Fluxul oxidant lichid poate fi ajustat pentru a realiza setările precise de accelerație, permițând aterizări moi pe suprafețe planetare, manevre de inserție orbitală, și traiectorii adaptive ascensiune. Motoare solide, prin contrast, arde la o rată fixă odată aprins, oferind nici o capacitate de agitare.

Siguranţă şi complexitate redusă

Un motor hibrid de rachete transportă combustibilul său ca un solid stabil, neexploziv. Combustibilul și oxidantul nu sunt amestecate până la ardere, eliminarea riscului de scurgeri catastrofale de combustibil sau explozii accidentale în timpul depozitării și a operațiunilor de prelansare. Motoarele hibride necesită, de asemenea, mai puține piese de înaltă presiune în mișcare în comparație cu motoarele lichide, simplificarea asamblare și întreținere.

Eficacența costurilor și Manufacturabilitatea

Boabele de combustibil solid pot fi turnate folosind tehnici simple de prelucrare a polimerilor, iar multe sisteme hibride utilizează oxidanți berabili, necriogeni. Aceasta reduce necesitatea unei infrastructuri criogenice costisitoare și a unor echipamente de manipulare foarte specializate. Costurile de producție și materiale mai mici fac sistemele hibride atractive pentru vehiculele de lansare mici și rachetele de sondare, unde constrângerile bugetare sunt deosebit de stricte.

Prietenia cu mediul

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.

Provocări comerciale și de inginerie

În ciuda promisiunii lor, motoarele de rachete hibride nu sunt fără limitări. Unul dintre principalele obstacole tehnice este rata de regresie relativ scăzută . Viteza la care boabele de combustibil solid arde. boabele hibride tradiționale ca HTPB arde lent, limitarea raportului de împingere la greutate și care necesită zone mari de suprafață pentru a atinge forța dorită. Cercetătorii au abordat acest lucru prin încorporarea aditivilor energetici (de exemplu, pulbere de aluminiu) sau prin utilizarea de combustibili de înaltă calitate cum ar fi ceara parafina, care formează un strat de topire subțire, instabil, care îmbunătățește vaporizarea combustibilului și crește rata de ardere.

O altă provocare este schimbarea raportului de amestec asupra arde. Pe măsură ce boabele de combustibil se retrag, geometria se schimbă, modificând raportul combustibil-oxidant și reducând potențial impulsul specific sau eficiența de ardere. Designul atent al cerealelor și controlul sistemului de alimentare sunt necesare pentru a menține performanța optimă pe tot parcursul arsurii. În plus, motoarele hibride au, în general, impulsuri specifice mai mici decât motoarele lichide de înaltă performanță (de exemplu, LOX/LH2), ceea ce le face mai puțin potrivite pentru unele misiuni high-delta-V.

Oscilații în camera de ardere pot cuplu cu regresie combustibil și injectie oxidant, ceea ce duce la creste de presiune sau ardere dură. Sistemele active de control, modele avansate de injector, și tehnici de amortizare sunt dezvoltate pentru a atenua aceste probleme.

Topuri recente și cercetare în curs

În ultimele două decenii s-au înregistrat progrese majore, în special în dezvoltarea combustibililor cu rată ridicată de regresie. Combustibilii pe bază de parafini dezvoltați de NASA și Universitatea Stanford au arătat rate de ardere de până la patru ori mai mari decât cele ale HTPB convențional, permițând niveluri practice de propulsie pentru vehiculele cu lansare mică până la medie. Companiile private precum Rocket Lab au explorat inițial opțiuni hibride înainte de a se stabili pe propulsie lichidă, dar noii intrați ca ]Hyperion Rocketry și laboratorul de propulsie al Universității din Washington continuă să împingă limitele de performanță.

În sectorul apărării, Forţele Aeriene ale SUA şi DARPA au finanţat cercetarea motoarelor hibride pentru rachete tactice şi drone ţintă, unde sunt critice agitarea şi siguranţa. Agenţiile spaţiale europene, inclusiv ESA, au testat fazele de lovire hibride şi alternativele de combustibil verde. Utilizarea producţiei de aditivi (3D) pentru boabele de combustibil permite geometrii interne complexe care îmbunătăţesc amestecarea şi regresia până la o tehnică de studiu în prezent la programe de inginerie aerospaţială de conducere.

Sisteme și misiuni hibride notabile

Mai multe programe istorice și active au demonstrat propulsie hibridă în zbor:

  • SpaceShipOne și SpaceShipTwo (Compusuri scalate/Galeta Virgin): Aceste vehicule suborbitale utilizează un combustibil hibrid HTPB cu oxid de azot. Sistemul asigură controlul accelerației pentru o plimbare fără probleme și poate fi oprit imediat în caz de urgență.
  • TERRA (Universitatea Washingtonului): O rachetă hibridă construită de studenți care a atins o altitudine de 100 km, câștigând Concursul de Inginerie a Rachetelor Intercollegiate 2019.
  • Rachetasoning (Filmul de zbor al Nasa: Zborurile de testare hibride au fost folosite pentru a studia fenomenele atmosferice de înaltă altitudine și pentru a testa noile formule de combustibil.
  • Propusele terenuri lunare: Mai multe studii de concept au evaluat motoarele hibride pentru capacitatea lor de agitare și manevrare în condiții de siguranță, care sunt esențiale pentru debarcările echipajate pe Lună sau Marte.

Pentru o prezentare detaliată a istoriei rachetelor hibride, Rocketry Association of the United States menține o bază de date excelentă de hibrizi care au fost dovediți de zbor.

Aplicaţii potenţiale în deceniul care vine

Vehicule de lansare reutilizabile

Puterile de pornire și de pornire fac motoarele hibride să fie candidate puternice pentru prima și a doua etapă reutilizabile. O primă etapă cu motor hibrid ar putea efectua o ardere controlată de reintrare și apoi accelera în jos pentru o aterizare verticală, similară cu SpaceXs Falcon 9 dar fără complexitatea și riscul de metan lichid criogenic sau kerosen.

Turism suborbital și călătorie punct-la-punct

Succesul Virgin Galactics a dovedit deja viabilitatea motoarelor hibride pentru vehiculele care transportă pasageri. Profilul de siguranță și de împingere netedă se pretează bine la experiențele de zbor suborbitale. Mai multe startup-uri sunt în curs de dezvoltare avioane spațiale hibride-alimentate pentru călătorie hipersonică punct-la-punct, în cazul în care capacitatea de oprire și repornire va fi necesară pentru ajustări traiectoriei în timpul zborului.

Utilizarea resurselor în spaţiu şi în Situ

Pentru misiunile spațiale profunde, motoarele hibride pot fi combinate cu oxidanți necriogeni, de lungă durată, care să permită arsuri multiple de-a lungul anilor. Pe Lună sau pe Marte, combustibilii solizi ar putea fi fabricați din resurse in situ (de exemplu, prelucrarea regolitului pentru pulberea de aluminiu), în timp ce oxidantul ar putea fi produs din atmosfera locală sau din gheață de apă. Motoarele hibride care utilizează parafina și oxigenul (deversate din atmosferă de pe Marte) reprezintă o zonă curentă de cercetare NASA .

Manevre prin satelit și orbital

Sistemele de propulsie hibride sunt proiectate pentru sateliți mici și vehicule de transfer orbital. Capacitatea lor de repornire permite ajustări multiple ale orbitei, în timp ce combustibilul solid poate fi ambalat în boabe compacte, volum de economisire în comparație cu rezervoarele de lichid separate.

Concluzie

Motoarele de rachete hibride ocupă o nișă unică în peisajul de propulsie . Oferirea unui amestec convingător de siguranță, controlabilitate și eficiență a costurilor. Deși acestea sunt puțin probabile pentru a înlocui motoarele lichide de înaltă performanță pentru boostere de ridicare grele sau boostere solide pentru etapele de curea, acestea se dovedesc ideale pentru aplicații în cazul în care trepidant, repornire și de manipulare sunt esențiale. Progresele în curs de desfășurare în calitate de combustibili de înaltă calitate, proiectări de cereale 3D-imprimate, și controlul de ardere activă sunt în mod constant de închidere a decalajului de performanță. Ca industria spațială pivotează spre sisteme de lansare durabile, neutilizabile și versatil, propulsie hibridă este gata să joace un rol din ce în ce în ce mai important atât în misiunile suborbitale cât și orbitale. Decada următoare va vedea probabil mai multe rachete hibride operaționale zburand .