Наступний Frontier в пропульсії: гібридні ракетні двигуни

Протягом десятиліть космічна розвідка спиралася на два основні типи ракетно-пропорцій: твердопаливні двигуни і рідких двигунів. Кожен пропонує різні торгово-офони в продуктивності, безпеки і вартості. Однак третя категорія— гібридний ракетний двигун—привабливий, як компelling посередині. Поєднуючи тверде паливо з рідким або газоподібним окислювачем (або з часом зворотним), гібридні двигуни обіцяють забезпечити найкраще з обох світів: простота і безпека твердих речовин з третлінгом і рештою можливостей рідин. Як космічна промисловість штовхає до більш гнучких, багаторазових і доступних систем запуску, гібридних дослідників, гібридних, гібридних, що пропульгують, є провідними, що мають більш гнучкі приватні підприємства, що мають більш гнучкі, що з рідки, що з дослідні, що надходятьсяючі, що надходятьсяючі, гібридні, що надходятьсячисті, гібридні, що мають більш гнучкі, що мають більш гнучкі, агенції, гібридні, що мають більш гнучкі, агенції, що мають

Як працює гібридний ракетний двигун

У типовій гібридній ракеті тверде паливо зерно —часто, як гумовоподібний матеріал, наприклад, гідроксиль-термінований полібутадін (HTPB) або парафіновий восок — це лиття всередині камери згоряння. Рідкий або газоподібний окислювач (однорідний оксид азоту, кисневий або перекис водню) вводять через форвардний кінець, що протікає над поверхнею паливного зерна. Оксидатор реагує з випарованим паливом в дифузійному полум'я, який спалює по поверхні зерна. Ця конфігурація властиво відрізняється від твердих ракет (де паливо і окислювач) попередньо змішані матрують рідини

Оскільки окислювач може бути точно керований за допомогою клапанів, двигун може бути дросельним, закривати і навіть перезавантажений у польоті—ємність, які надзвичайно важко або неможливі з твердими ракетами. При цьому тверде паливо зерно вставляється до моменту, поки не піддається окислювачу, що робить гібридні ракети значно безпечніше для виробництва, транспорту, а також ручки, ніж рідкі двопропелентні системи з гіперголіковими або кріогенними пропеленти.

Ключові переваги над традиційними пропульсифікацією

Підвищені заточки і контроль

Можливість варіюватися тяга в режимі реального часу є гра-обмінником для багатьох профілів місії. Рідкий потік окислювача може бути адаптований для досягнення точного налаштування дросельної дросельності, що дозволяє м'які посадки на планетарних поверхнях, орбітальні вставки маневреності, а також адаптивні асцентні траєкторії. Тверді мотори, навпаки, опіки фіксованою швидкістю раз запалені, не пропонують можливості згортання.

Недостатня безпека та зменшення

Гібридний ракетний двигун здійснює паливо як стабільний, нерозчинний твердий. Паливо і окислювач не змішуються до згоряння, що виключає ризик виникнення катастрофічних пропелентних витоків або випадкового вибуху при зберіганні та передпосівних операціях. Гібридні двигуни також вимагають менше високопресових рухомих частин, що використовуються в порівнянні з рідкими двигунами, що полегшують збірку і обслуговування.

Вартість-ефективність та керованість

Тверді зерна палива можуть бути відливні за допомогою техніки прямогонаперед полімерного обробки, а багато гібридних систем використовують міцні, некрогенні окислювачі. Це зменшує необхідність дорогих кріогенних інфраструктур і високо спеціалізованих засобів обробки. Нижня матеріальна і виробнича вартість роблять гібридні системи, привабливі для малих ракет запуску і звукоізоляційних ракет, де бюджетні обмеження особливо жорсткі.

Екологічні дружніх

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.

Торгові та інженерні рішення

Незважаючи на свою обіцянку, гібридні ракетні двигуни не мають обмежень. Однією з основних технічних черлів є порівняно низька частота регресія - швидкість, при якій тверді палива зерна опіків. Традиційні гібридні зерна, такі як HTPB, повільно горять, обмежуючи співвідношення тяги і вимагають великих площ поверхні для досягнення бажаної тяги. Дослідники зверталися це шляхом неправильної енергетичної добавки (наприклад, алюмінієвий порошок) або за допомогою високорегулюючих палива, таких як парафін віск, який утворює тонкий, нестабільний плавальний шар, що посилює парозацію палива і збільшує рівень опіку.

Ще одним завданням є зміна коефіцієнта суміші над опіком. Як працює паливна зерно, геометрія змінюється, чергуючи коефіцієнт палива до окислювача і потенційно зменшуючи специфічний імпульс або ефективність горіння. Уважний контроль системи зерна необхідно підтримувати оптимальну продуктивність протягом опіку. Крім того, гібридні двигуни зазвичай мають більш низькі специфічні імпульси, ніж високопродуктивні рідкі двигуни (наприклад, LOX / LH2), що робить їх менш придатними для деяких високоделта-V місій.

У гібридних моторах також виникають труднощі з влаштуванням палива. Осади в камері згоряння можуть паритися з впорскуванням палива і введенням окислювача, що призводить до пробок тиску або грубого горіння. Системи активного контролю, розширені інжекторні конструкції, а також техніки знеболювання розроблені для пом'якшення цих питань.

Останні прориви та дослідження

Найбільший прогрес був виконаний в останні два десятиліття, зокрема в розробці високорегулювних палив. Парафінні паливні паливо розроблені NASA і Stanford University показали, що показники опіку до чотирьох разів, що звичайного HTPB, що дозволяє практичні рівні тяги для малих до середніх ракетних транспортних засобів. Приватні компанії, такі як Rocket Lab, спочатку досліджували гібридні параметри перед встановленням на рідкому пропорції, але новіші ентранти, як Hyperion Rocketry і університет Вашингтона продовжують працювати наплін.

У оборонному секторі ВПС США та ДАРПА запрошували дослідження гібридних моторів для тактичних ракет та цільових безпілотників, де критично критично критично критично критично критично критично важливі та європейські космічні агентства, включаючи ЕСА, випробувані гібридні стадії та зелені пропелантні альтернативи. Використання добавки для виробництва (3D-друку) для паливних зернових паливних зернових дозволяє комплексні внутрішні геометереї, які покращують змішувальні та регресивні однорідності - техніка тепер під час вивчення провідних аерокосмічних інженерних програм.

Гібридні системи та місії

Кілька історичних і активних програм демонстрували гібридну пропорцію в польоті:

  • SpaceShipOne і SpaceShipTwo (Скальовані Композиції / Virgin Galactic): Ці суборбітальні транспортні засоби використовують гібридний двигун, спалювання HTPB палива з оксидом азоту. Система забезпечує контроль за дросельною, безпечною їзди і може бути негайно закривається в аварійній ситуації.
  • TERRA (Університет Вашингтона): Студент-контрактор гібридний ракет, який досяг висоти 100 км, вигравши змагання з інженерії Intercollegiate Rocket.
  • ]Запуск ракет (NASA's Wallops Flight Facility): Для вивчення високовисоких атмосферних явищ і тестування нових паливних рецептур.
  • Пропоновані місячні землероби: Кілька концептуальних досліджень оцінювали гібридні двигуни для їх сплетіння можливостей та безпечного поводження, які необхідні для екіпажних посадок на Місяці або Марсі.

Для детального огляду гібридної історії ракети Rocketry Association of United States] підтримує відмінну базу даних гібридів польотів.

Потенційні заявки на участь у Coming Decade

багаторазові запускні автомобілі

Поглиблені та рештні можливості роблять гібридні двигуни, сильні кандидати для багаторазових перших і других етапів. Гібридно-посилені перші етапи можуть виконувати контрольовані пальові смоли, а потім пролетіти на вертикальну посадку, схожу на FalconX 9, але без складності та небезпеки кріогенного рідких метану або гасіння.

Посольні тури та екскурсії по місту

Успіх компанії Virgin Galactic вже зарекомендував себе в життєздатності гібридних двигунів для легкових автомобілів. Надійність та гладкий профіль тристу добре підіграють себе до суборбітальних досвіду польоту. Кілька стартапів розвивають гібридні ракети для точкової гіперсонічної подорожі, де відключення та решта буде потрібно для регулювання траєкторії польоту.

Глибоке космічне та внутрішньо переміщене середовище

Для глибоких просторових місій гібридні двигуни можуть поєднуватися з некрогенними, довгорозривними окислювачами, щоб забезпечити кілька опіків протягом багатьох років. На Місяці або Марсі тверді палива можуть бути виготовлені з ресурсів в місці (наприклад, обробка regolith для алюмінієвого порошку), тоді як окислювач може бути виготовлений з місцевої атмосфери або водного льоду. Гібридні двигуни, які використовують парафін і кисень (витрачено з атмосфери Марса CO2) є поточною зоною NASA дослідження.

Супутникове та орбітальне манвверження

Гібридні системи пропульсування призначені для малих супутників і орбітальних транспортних засобів. Їх решта дозволяє багаторазово регулювання орбіти, при цьому тверде паливо може бути упаковане в компактні зерна, економія обсягу порівняно з окремими рідкими резервуарами.

Висновок

Гібридні ракетні двигуни займають унікальну нішу в пропульсному ландшафті—з'єднання суміші безпеки, керованості та економічності. Хоча вони навряд чи замінюють високопродуктивні рідкі двигуни для великогабаритних прискорювачів або твердих прискорювачів для стрім-на стадії, вони відмінно підходять для додатків, де затягування, перезавантаження, і безпека обробки є параmount. Намагаючись високих загартованих палива, 3D-принтовані зерна, і активний контроль згоряння є стабільно закриваючи проміжок продуктивності. Як космічна промисловість прагне до сталого, багаторазового, і універсального запуску систем, гібридний пропульсіон, що є більш гнучким.