推进中的下一个前沿:混合火箭发动机

几十年来,空间探索依赖于两种主要的火箭推进方式:固体燃料发动机和液体燃料发动机。 每种都提供了不同的性能、安全和成本权衡。 然而,第三类混合火箭发动机悄悄地成为了令人信服的中间点。 通过将固体燃料与液体或气体氧化剂(或偶尔相反 ) 相结合,混合发动机保证了两种世界中最好的:固体的简单和安全性,同时使液体的减速和重新启动能力。 随着空间工业向更灵活、更可再利用和更负担得起的发射系统迈进,混合推进正得到研究人员、私营公司和政府机构的重新关注。

混合火箭发动机如何运作

在典型的混合火箭中,固体燃料谷——通常是像橡胶一样的材料,如羟基灭聚丁二烯(HTPB)或石蜡——被投放到燃烧室内,液体或气体氧化剂(通常为一氧化二氮、氧气或过氧化氢)被注入到燃料谷表面的前端,流过燃料谷表面,氧化剂与蒸发燃料反应在沿着谷物表面燃烧的散射火焰中,这种配置与固体火箭(燃料和氧化剂在固体基质中预先混合)和液体火箭(两种推进剂都作为液体储存,通过单独的喷嘴注入)有着内在本质上的不同。

由于氧化剂可以通过阀门精确控制,发动机可以被节流,关闭,甚至可以在飞行中重新启动——用固体火箭是极其困难或不可能的能力。 与此同时,固体燃料谷物在接触氧化剂之前是惰性的,使得混合火箭比具有超晶体或低温推进剂的液体双推进系统要安全得多。

关键优势高于传统推进

增强调压和控制

实时改变推力的能力是许多任务配置的游戏改变器。 液氧化剂流可以调整,以达到精确的节流设置,从而能够软着陆在行星表面,轨道插入动作,以及适应性上升轨迹。 相比之下,固体马达一旦点燃,就以固定的速度燃烧,不提供节流能力。

内在安全和减少复杂程度

混合火箭发动机携带其燃料作为稳定,非爆炸固体,燃料和氧化剂在燃烧之前不混合,消除了储存和发射前操作中发生灾难性推进剂泄漏或意外爆炸的风险. 混合发动机还需要与液体发动机相比较少的高压移动部件,简化组装和维护.

成本效益和制造能力

固体燃料谷物可以使用直截了当的聚合物加工技术投放,许多混合系统使用可储存的非致冷氧化剂,这减少了对昂贵的低温基础设施和高度专业化的装卸设备的需求,降低材料和制造成本使得混合系统对小型运载火箭和探空火箭具有吸引力,因为预算限制特别紧。

环境友好

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.

贸易业务和工程挑战

尽管它们有希望,但混合火箭发动机并非没有限制。 主要的技术性障碍之一是回归率相对较低,固体燃料谷物燃烧的速度也比较快。 HTPB等传统混合燃料谷物燃烧缓慢,限制了推力与重量的比例,要求大面积的表面面积达到预期的推力。 研究人员通过添加高能添加剂(如铝粉)或使用高回流率燃料,如石蜡,形成了一个薄而不稳定的熔层,提高了燃料蒸发度和燃烧率。

另一个挑战是混合比在燃烧后发生转变,随着燃料谷物的退缩,几何变化,改变燃料与氧化剂的比例,并可能降低特定的冲动或燃烧效率,需要精心的谷物设计和饲料系统控制,以在整个燃烧过程中保持最佳性能,此外,混合发动机一般比高性能液体发动机(如LOX/LH2)更低的具体冲动,使其更不适合一些高德尔塔-V任务.

混合动力机中也会产生燃烧不稳定性. 燃烧室的振荡可以与燃料回归和氧化剂注入并存,导致压力尖顶或粗烧. 主动控制系统,先进的注射器设计,以及坝顶技术正在开发中以缓解这些问题.

最近突破和持续研究

在过去20年中,特别是在高递归率燃料的开发方面已经取得了重大进步。 美国航天局和斯坦福大学[开发的Paraffin基燃料的燃烧率是常规HTPB的四倍,使中小型运载火箭能够实际推力。 火箭实验室等私营公司在安放液体推进之前,首先探索了混合选择,但新近进入者如[Hyperion Rocketry,华盛顿大学的推进实验室继续推进性能界限。

在国防部门,美国空军和DARPA资助了战术导弹和靶子无人机混合发动机的研究,这些发动机的节流和安全至关重要。 欧洲空间机构,包括欧空局,测试了混合踢级和绿色推进剂替代品。 燃料谷物添加剂制造(3D打印)的使用使得内部几何结构更为复杂,可以改进混合和回归统一性 — — 目前在航空航天工程项目中正在研究的一种技术。

显著的混合系统和特派团

几个历史性的、积极的方案在飞行中显示出混合推进:

  • SpaceShip One and SpaceShip Two(比例复合/维尔京银河):这些亚轨道车辆使用混合发动机燃烧HTPB燃料与一氧化二氮,系统为平稳安全搭载提供了节流阀控制,在紧急情况下可以立即关闭.
  • TERRA (华盛顿大学):一款学生制造的混合火箭,其高度达到100公里,赢得了2019年学院间火箭工程竞赛.
  • 探空火箭(美国国家航空航天局的瓦洛普斯飞行设施):混合试验飞行已经被用来研究高空大气现象和测试新的燃料配方.
  • 拟议的月球着陆器[:一些概念研究评价了混合发动机的节流能力和安全处理能力,这对乘员在月球或火星上着陆至关重要.

对于混合火箭历史的详细概述,美国洛克特协会维持着一个出色的飞行证明混合体数据库.

下一个十年中可能的申请

可再利用运载火箭

摇摆和重启能力使混合发动机成为可重复使用的一级和二级的强候选机。 混合动力的一级可以进行可控的再入燃烧,然后向下节流,进行垂直着陆,类似于SpaceQQs Falcon 9,但不会造成低温液态甲烷或煤油的复杂性和危害。

亚轨道旅游和点对点旅行

维尔京银河的成功已经证明了混合发动机对载客车辆的可行性。 安全和平滑推力的特征非常适合亚轨道飞行经验。 几个新开工的企业正在研制用于点对点超音速旅行的混合动力空间飞机,在飞行中调整轨道需要关闭和重启能力。

深空和就地资源利用

对于深空任务,混合发动机可以与非致癌,长存氧化剂结合,以便多年内进行多次燃烧. 在月球或火星上,固体燃料可以从原地资源(如铝粉加工的Regolith)中制造,而氧化剂可以从局部大气或水冰中产生. 使用石蜡和氧气(从火星CO2大气层中提取)的混合发动机是目前NASA研究的一个区域.

卫星和轨道操纵

正在为小型卫星和轨道转移飞行器设计混合推进系统,其重新启动能力允许进行多个轨道调整,而固体燃料可以包装在紧凑的谷物中,与单独的液体罐相比节省体积。

结论

混合火箭发动机在推进方面占据了独特的位置——在安全、可控性和成本效益方面提供了令人信服的组合。 虽然它们不大可能取代用于重型助推器的高性能液体发动机或用于捆绑级的固体助推器,但它们在下述应用方面却证明是理想的:节流、重新启动和操作安全至关重要。 高回转速燃料、三维打印的谷物设计和活燃烧控制方面的持续进步正在稳步地缩小性能差距。 随着空间工业向可持续、可再利用和多用途发射系统发展,混合推进在亚轨道和轨道飞行任务中都准备发挥越来越重要的作用。 未来十年中,有可能看到更多的混合火箭运行,随着这些火箭,一个灵活空间进入的新时代。