Гибридная ракета

гибридного ракетного двигателя Деталь SpaceShipOne

Ракета на гибридном топливе — это ракета с ракетным двигателем , в которой используется ракетное топливо в двух разных фазах: одна твердая , а другая — газообразная или жидкая . Концепция гибридной ракеты восходит к началу 1930-х годов.

Гибридные ракеты лишены некоторых недостатков твердотопливных ракет, таких как опасность обращения с топливом, а также некоторых недостатков жидкостных ракет, таких как их механическая сложность. Поскольку топливо и окислитель трудно смешивать (поскольку они представляют собой разные состояния вещества), гибридные ракеты, как правило, выходят из строя более благоприятно, чем жидкости или твердые тела. Как и жидкостные ракетные двигатели, гибридные ракетные двигатели можно легко отключить, а тягу можно регулировать. Теоретический удельный импульс ( $I_{sp}$) производительность гибридов обычно выше, чем у твердотопливных двигателей, и ниже, чем у жидкостных двигателей. $I_{sp}$ В гибридной ракете, использующей металлизированное топливо, было измерено время до 400 с. Гибридные системы более сложны, чем твердотельные, но они позволяют избежать значительных опасностей при производстве, транспортировке и обращении с твердотопливными двигателями за счет раздельного хранения окислителя и топлива.

История

Первые работы по гибридным ракетам были выполнены в начале 1930-х годов в Советской группе по изучению реактивного движения . Михаил Клавдиевич Тихонравов , который позже будет руководить проектированием «Спутника-1» и программой «Луна» , был ответственным за первый запуск гибридной ракеты ГИРД-9 17 августа 1933 года, которая достигла высоты 400 метров (1300 футов). В конце 1930-х годов в компании IG Farben в Германии и по совместительству в Калифорнийском ракетном обществе в США. Леонид Андруссов , работавший в Германии, разработал теорию гибридных ракет. О. Лутц, В. Ноггерат и Андруссов испытали гибридный ракетный двигатель мощностью 10 килоньютонов (2200 фунтов силы), использующий уголь и газообразный N ₂ O. в качестве топлива Оберт также работал над гибридным ракетным двигателем, использующим LOX в качестве окислителя и графит в качестве топлива. Высокая температура сублимации углерода не позволяла этим ракетным двигателям работать эффективно, поскольку приводила к незначительной скорости горения.

AMROC гибридного ракетного двигателя с тягой 10 000 фунтов силы (44 кН) в 1994 году в Космическом центре Стенниса. Испытание

В 1940-х годах Калифорнийское Тихоокеанское ракетное общество использовало LOX в сочетании с несколькими различными типами топлива, включая древесину, воск и каучук. Самым успешным из этих испытаний было использование каучукового топлива, которое до сих пор является доминирующим топливом. В июне 1951 года LOX ракета резиновая поднялась на высоту 9 километров (5,6 миль).

Два крупных усилия были предприняты в 1950-х годах. Одна из таких попыток была предпринята Г. Муром и К. Берманом из General Electric . Дуэт использовал 90%-ную перекись с высоким содержанием пробы (HTP или H ₂ O ₂ ) и полиэтилен (PE) в конструкции со стержневым и трубчатым зерном. Из своей работы они сделали несколько важных выводов. Топливное зерно имело равномерное горение. Трещины зерен не влияли на горение, как это происходит в твердотопливных ракетных двигателях. Жестких запусков не наблюдалось (жесткий старт — это скачок давления, наблюдаемый вблизи момента зажигания, типичный для жидкостных ракетных двигателей). Поверхность топлива действовала как держатель пламени, что способствовало стабильному горению. Окислитель можно было дросселировать с помощью одного клапана, а высокое соотношение окислителя и топлива помогало упростить сгорание. Отрицательными наблюдениями были низкая скорость горения и то, что термическая нестабильность пероксида была проблематичной по соображениям безопасности. Еще одной попыткой, предпринятой в 1950-х годах, была разработка обратного гибрида. В стандартном гибридном ракетном двигателе топливом является твердый материал. В реверсивном гибридном ракетном двигателе окислитель твердый. Уильям Эйвери из Лаборатории прикладной физики использовал топливо для реактивных двигателей и нитрат аммония , выбранные из-за их низкой стоимости. Его соотношение O/F составляло 0,035, что было в 200 раз меньше, чем соотношение, использованное Муром и Берманом.

В 1953 году Тихоокеанское ракетное общество (основано в 1943 году) разрабатывало XDF-23, гибридную ракету размером 4 на 72 дюйма (10 см × 183 см), разработанную Джимом Нудингом, с использованием LOX и резинового полимера под названием « Тиокол ». На предыдущих итерациях они уже пробовали другие виды топлива, включая хлопок, парафин и древесину. Само название XDF происходит от «экспериментальной пихты Дугласа » одного из первых подразделений.

LEX Французская ракета-зонд

В 1960-х годах работы над гибридными ракетами начали и европейские организации. ONERA , базирующаяся во Франции, и Volvo Flygmotor , базирующаяся в Швеции, разработали зондирующие ракеты с использованием технологии гибридных ракетных двигателей. Группа ONERA сосредоточилась на гиперголическом ракетном двигателе, использующем азотную кислоту и аминное топливо, при разработке зондирующей ракеты LEX . Компания запустила восемь ракет: один раз в апреле 1964 года, три раза в июне 1965 года и четыре раза в 1967 году. Максимальная высота полета составила более 100 километров (62 мили). Группа Volvo Flygmotor также использовала гиперголическую комбинацию топлива. В качестве окислителя они также использовали азотную кислоту, но в качестве топлива использовали тагаформ (полибутадиен с ароматическим амином). Их полет состоялся в 1969 году, когда полезная нагрузка массой 20 кг (44 фунта) была поднята на высоту 80 километров (50 миль).

Тем временем в США Центр United Technologies (подразделение химических систем) и компания Beech Aircraft работали над сверхзвуковым дроном-мишенью, известным как Sandpiper. использовался МОН -25 (смесь 25% NO , 75% N ₂ O ₄ В качестве окислителя - полиметилметакрилат (ПММ) и Mg ), а в качестве топлива . В 1968 году дрон летал шесть раз продолжительностью более 300 секунд на высоту более 160 километров (99 миль). Вторая версия ракеты, известная как HAST, имела IRFNA -PB/ PMM топливо и имела возможность дросселирования в диапазоне 10/1. HAST мог нести более тяжелую полезную нагрузку, чем Sandpiper. Другая версия, в которой использовалась та же комбинация топлива, что и HAST, была разработана подразделениями Chemical Systems Division и Teledyne Aircraft. Разработка этой программы закончилась в середине 1980-х годов. Подразделение химических систем также работало над комбинацией топлива из лития и FLOx (смесь F ₂ и O ₂ ). Это была эффективная гиперголическая ракета с возможностью дросселирования. вакуума Удельный импульс составил 380 секунд при эффективности сгорания 93%.

Американская ракетная компания (AMROC) разработала самые большие гибридные ракеты, когда-либо созданные, в конце 1980-х — начале 1990-х годов. Первая версия их двигателя, запущенная в лаборатории ВВС Филлипса , производила тягу 312 000 ньютонов (70 000 фунтов силы) в течение 70 секунд с использованием пороховой комбинации LOX и полибутадиенового каучука с концевыми гидроксильными группами (HTPB). Вторая версия двигателя, известная как H-250F, развивала тягу более 1 000 000 ньютонов (220 000 фунтов силы).

Кори Клайн из Environmental Aeroscience Corporation (eAc) впервые применил гибрид газообразного кислорода и каучука в 1982 году в Люцерн-Драй-Лейк , Калифорния, после обсуждения технологии с Биллом Вудом, ранее работавшим в Westinghouse . Первые гибридные испытания SpaceShipOne были успешно проведены компаниями Kline и eAc в Мохаве, Калифорния.

В 1994 году Академия ВВС США подняла ракету с гибридным зондом на высоту 5 километров (3,1 мили). Ракета длиной 6,4 метра (21 фут) использовала HTPB и LOX в качестве топлива, достигла максимальной тяги 4400 ньютонов (990 фунтов силы) и имела продолжительность тяги 16 секунд.

Основные понятия

Концептуальный обзор гибридной ракетной двигательной установки

В своей простейшей форме гибридная ракета состоит из сосуда под давлением (бака), содержащего жидкий окислитель , камеры сгорания , содержащей твердое топливо , и механического устройства, разделяющего их. Когда необходима тяга, в камеру сгорания вводится подходящий источник воспламенения и клапан открывается. Жидкий окислитель (или газ) поступает в камеру сгорания, где испаряется, а затем вступает в реакцию с твердым топливом. Горение происходит в пограничного слоя, диффузионном пламени примыкающего к поверхности твердого топлива.

Как правило, жидкое топливо является окислителем , а твердое топливо — топливом, поскольку твердые окислители чрезвычайно опасны и менее эффективны, чем жидкие окислители. Кроме того, использование твердого топлива, такого как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) или парафин, позволяет включать высокоэнергетические топливные добавки, такие как гидриды алюминия, лития или металлов .

Горение

Основное уравнение сгорания гибридной ракеты показывает, что скорость регрессии зависит от скорости массового потока окислителя, что означает, что скорость сгорания топлива пропорциональна количеству окислителя, проходящего через отверстие. Это отличается от твердотопливного ракетного двигателя, в котором скорость регрессии пропорциональна давлению в камере двигателя.

${\dot {r}}=a_{o}G_{o}^{n}$

где ${\dot {r}}$ — скорость регрессии, a _o — коэффициент скорости регрессии (с учетом длины зерна), Go _— скорость массового потока окислителя, а n — показатель степени регрессии.

По мере сгорания двигателя увеличение диаметра топливного канала приводит к увеличению массового расхода топлива. Это явление приводит к изменению соотношения окислителя и топлива (O/F) во время горения. Увеличение массового расхода топлива можно компенсировать увеличением массового расхода окислителя. Помимо изменения O/F в зависимости от времени, оно также меняется в зависимости от положения в топливной зернистости. Чем ближе положение к верху топливного зерна, тем выше соотношение O/F. Поскольку соотношение O/F меняется в зависимости от порта, точка, называемая стехиометрической точкой. в некоторой точке вниз по зерну может существовать

Свойства

Гибридные ракетные двигатели обладают как очевидными, так и тонкими преимуществами перед жидкотопливными и твердотопливными ракетами . Краткое описание некоторых из них приведено ниже:

Преимущества по сравнению с жидкостными ракетами

• Механически проще – требуется только одно жидкое топливо, что приводит к меньшему количеству водопровода, меньшему количеству клапанов и упрощению операций.
• Более плотное топливо. Топливо в твердой фазе обычно имеет более высокую плотность, чем топливо в жидкой фазе, что уменьшает общий объем системы.
• Металлические добавки – химически активные металлы, такие как алюминий, магний , литий или бериллий, могут быть легко включены в топливное зерно, увеличивая удельный импульс ( $I_{sp}$), плотность или и то, и другое.
• Нестабильность горения. Гибридные ракеты обычно не демонстрируют высокочастотной нестабильности горения, от которой страдают жидкостные ракеты, из-за того, что зерна твердого топлива разрушают акустические волны, которые в противном случае отражались бы в открытой камере сгорания жидкостного двигателя.
• Наддув топлива. Одной из самых сложных в разработке частей жидкостной ракетной системы являются турбонасосы . Конструкция турбонасоса сложна, поскольку он должен точно и эффективно перекачивать и удерживать две жидкости с разными свойствами в точных соотношениях при очень высоких объемных скоростях потока, часто при криогенных температурах и сильно летучих химикатах, одновременно сжигая те же самые жидкости для обеспечения себя энергией. У гибридов гораздо меньше жидкости для движения, и они часто могут находиться под давлением с помощью системы продувки (которая была бы непомерно тяжелой в жидкостной ракете) или окислителей с самонагнетанием (таких как N ₂ O ).
• Охлаждение. Жидкостные ракеты часто зависят от одного из видов топлива, обычно топлива, для охлаждения камеры сгорания и сопла из-за очень высоких тепловых потоков и уязвимости металлических стенок к окислению и растрескиванию под напряжением. Гибридные ракеты имеют камеры сгорания, заполненные твердым топливом, защищающим их от продуктов сгорания. Их сопла часто выполнены из графита или покрыты абляционными материалами, как и в твердотопливных ракетных двигателях. Проектирование, конструкция и тестирование потоков жидкостного охлаждения сложны, что делает систему более склонной к сбоям.

Преимущества по сравнению с твердотопливными ракетами

• Высшее теоретическое $I_{sp}$ – Возможно из-за ограничений известных твердых окислителей по сравнению с часто используемыми жидкими окислителями.
• Меньшая опасность взрыва. Пороховое зерно более устойчиво к ошибкам обработки, таким как трещины, поскольку скорость горения зависит от скорости массового потока окислителя. Пороховое зерно не может воспламениться от случайного электрического заряда и очень нечувствительно к самовоспламенению из-за тепла. Гибридные ракетные двигатели можно транспортировать на стартовую площадку с раздельным хранением окислителя и топлива, что повышает безопасность.
• Меньше проблем с обращением и хранением. Ингредиенты твердотопливных ракет часто несовместимы химически и термически. Повторяющиеся изменения температуры могут вызвать искажение зерна. Антиоксиданты и покрытия используются для предотвращения разрушения или разложения зерна.
• Больше управляемости: остановка/перезапуск и регулирование легко встраиваются в большинство конструкций. Твердотопливные ракеты редко можно легко остановить и почти никогда не имеют возможности дросселирования или перезапуска.

Недостатки гибридных ракет

Гибридные ракеты также имеют некоторые недостатки по сравнению с жидкостными и твердотопливными ракетами. К ним относятся:

• Сдвиг соотношения окислителя к топливу («сдвиг O/F») - при постоянном расходе окислителя отношение скорости производства топлива к скорости потока окислителя будет меняться по мере регрессии зерна. Это приводит к непиковой работе с точки зрения химических характеристик. Однако для хорошо спроектированного гибрида сдвиг O/F оказывает очень незначительное влияние на производительность, поскольку $I_{sp}$ нечувствителен к сдвигу O/F вблизи пика.
• Плохие регрессионные характеристики часто приводят к появлению многопортовых топливных зерен. Многопортовые топливные зерна имеют низкую объемную эффективность и, зачастую, структурные недостатки. Сжижение топлива с высокой скоростью регрессии, разработанное в конце 1990-х годов, предлагает потенциальное решение этой проблемы.
• По сравнению с жидкостной двигательной установкой, дозаправка частично или полностью разряженной гибридной ракеты будет представлять собой серьезные проблемы, поскольку твердое топливо невозможно просто закачать в топливный бак. Это может быть проблемой, а может и не быть, в зависимости от того, как планируется использовать ракету.

В целом, с гибридами было проведено гораздо меньше разработок, чем с жидкостями или твердыми телами, и вполне вероятно, что некоторые из этих недостатков можно исправить за счет дальнейших инвестиций в исследования и разработки .

Одна из проблем при проектировании больших гибридных орбитальных ракет заключается в том, что турбонасосы становятся необходимыми для достижения высоких скоростей потока и повышения давления окислителя. Этот турбонасос должен чем-то питаться. В традиционной жидкостной ракете турбонасос использует то же топливо и окислитель, что и ракета, поскольку они оба являются жидкими и могут подаваться в предварительную камеру сгорания. Но в гибриде топливо твердое и его нельзя подавать в турбонасосный двигатель. В некоторых гибридах используется окислитель, который также можно использовать в качестве монотоплива , например перекись водорода , поэтому турбонасос может работать только на нем. Однако перекись водорода значительно менее эффективна, чем жидкий кислород , который нельзя использовать отдельно для работы турбонасоса . Потребуется другое топливо, требующее собственного бака и снижающее характеристики ракеты.

Топливо

топлива

Ракета с обратным гибридом, которая встречается не очень часто, представляет собой ракету, в двигателе которой используется твердый окислитель и жидкое топливо. Некоторыми вариантами жидкого топлива являются керосин , гидразин и LH ₂ . Обычное топливо для типичного гибридного ракетного двигателя включает полимеры, такие как акрил , полиэтилен (ПЭ), сшитый каучук , такой как HTPB , или сжиженное топливо, такое как парафин . Распространенным топливом было оргстекло , поскольку горение можно было увидеть через прозрачную камеру сгорания. Синтетический каучук полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) в настоящее время является самым популярным топливом для гибридных ракетных двигателей из-за его энергии и безопасности в обращении. Были проведены испытания, в ходе которых HTPB был пропитан жидким кислородом, но он все равно не стал взрывоопасным. Это топливо, как правило, не такое плотное, как твердотопливные ракетные двигатели, поэтому в него часто добавляют алюминий для увеличения плотности и, следовательно, характеристик ракеты.

Методы производства зерна

В ролях

Гранулы гибридного ракетного топлива можно производить методом литья, поскольку они обычно представляют собой пластик или резину. Сложная геометрия, обусловленная необходимостью увеличения массового расхода топлива, делает отливку топливных зерен для гибридных ракет дорогостоящей и трудоемкой, отчасти из-за стоимости оборудования. В более широком масштабе литые зерна должны поддерживаться внутренней перепонкой, чтобы большие куски топлива не ударяли по соплу и даже не блокировали его. Дефекты зерна также являются проблемой для более крупных зерен. Традиционными литыми видами топлива являются полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) и парафиновые воски.

Аддитивное производство

Прозрачный портативный демонстрационный образец гибридного ракетного топлива, напечатанный на 3D-принтере, с двойными спиральными топливными отверстиями, камерой дожигания и соплом Лаваля , показанный перед испытанием на огнестойкость.

Аддитивное производство в настоящее время используется для создания зернистых структур, которые иначе невозможно было бы изготовить. Было показано, что спиральные порты увеличивают скорость регрессии топлива, а также увеличивают объемный КПД. Примером материала, используемого для гибридного ракетного топлива, является акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС). Печатный материал также обычно обогащается добавками для улучшения характеристик ракеты. Недавняя работа в Университете Теннесси в Ноксвилле показала, что из-за увеличенной площади поверхности использование порошкообразного топлива (например, графита, угля, алюминия), заключенного в 3D-печатную матрицу ABS , может значительно увеличить скорость сгорания топлива и уровень тяги. по сравнению с традиционными полимерными зернами.

окислитель

окислителя

Общие окислители включают газообразный или жидкий кислород , закись азота и перекись водорода . Для обратного гибрида такие окислители, как замороженный кислород и перхлорат аммония . используются

Правильное испарение окислителя важно для эффективной работы ракеты. Неправильное испарение может привести к очень большим различиям в скорости регресса в передней части двигателя по сравнению с задней частью. Один из методов заключается в использовании генератора горячего газа для нагрева окислителя в камере предварительного сгорания. Другой метод - использовать окислитель, который также можно использовать в качестве монотоплива. Хорошим примером является перекись водорода, которую можно каталитически разложить на слое серебра на горячий кислород и пар. Третий метод заключается во введении в поток топлива, гиперголического по отношению к окислителю. Некоторая часть окислителя разложится, нагревая остальную часть окислителя в потоке.

безопасность

Как правило, хорошо спроектированные и тщательно сконструированные гибриды очень безопасны. Основные опасности, связанные с гибридами:

• Неисправности сосуда под давлением . Нарушение изоляции камеры может привести к тому, что горячие газы сгорания попадут к стенкам камеры, что приведет к «прожогу», при котором сосуд разрывается.
• Обратная продувка . Для окислителей, которые разлагаются экзотермически, таких как закись азота или перекись водорода , пламя или горячие газы из камеры сгорания могут распространяться обратно через инжектор, испаряя окислитель и смешивая его с горячими газами, богатыми топливом, что приводит к взрыву бака. Для обратного продувки газы должны проходить обратно через инжектор из-за недостаточного падения давления, которое может возникнуть в периоды нестабильного сгорания. Обратная продувка присуща конкретным окислителям и невозможна для таких окислителей, как кислород или четырехокись азота , если в баке окислителя не присутствует топливо.
• Трудный запуск . Избыток окислителя в камере сгорания перед воспламенением, особенно для монотоплив, таких как закись азота , может привести к временному избыточному давлению или «всплеску» при воспламенении.

Поскольку топливо в гибриде не содержит окислителя, само по себе взрывоопасное возгорание не происходит. По этой причине гибриды классифицируются как не имеющие взрывной силы , эквивалентной тротиловому эквиваленту . Напротив, твердотопливные ракеты часто имеют тротиловый эквивалент, аналогичный по величине массе порохового зерна. Ракеты на жидком топливе обычно имеют тротиловый эквивалент, рассчитываемый на основе количества топлива и окислителя, которые могут реально тесно объединиться перед взрывным воспламенением; часто принимают за 10–20% от общей массы пороха. Для гибридов даже заполнение камеры сгорания окислителем перед воспламенением обычно не приводит к взрыву твердого топлива, взрывоопасность часто указывается как 0%.

работающие над

Коммерческие компании

В 1998 году SpaceDev приобрела всю интеллектуальную собственность, проекты и результаты испытаний, полученные в результате более чем 200 запусков гибридных ракетных двигателей, проведенных American Rocket Company за восемь лет ее существования. SpaceShipOne , первый частный космический корабль с экипажем, был оснащен гибридным ракетным двигателем SpaceDev, сжигающим HTPB с закисью азота . Однако закись азота была основным веществом, ответственным за взрыв, в результате которого погибли трое человек при разработке преемника SpaceShipOne в компании Scaled Composites в 2007 году. В следующем коммерческом суборбитальном космическом самолете Virgin Galactic SpaceShipTwo используется увеличенный гибридный двигатель.

SpaceDev разрабатывала SpaceDev Streaker , небольшую одноразовую ракету-носитель, и SpaceDev Dream Chaser , способную как на суборбитальный, так и на орбитальный полет человека в космос. И Streaker, и Dream Chaser используют гибридные ракетные двигатели, сжигающие закись азота и синтетический каучук HTPB . SpaceDev была приобретена корпорацией Sierra Nevada в 2009 году, став ее подразделением Space Systems, которое продолжает разрабатывать Dream Chaser для контракта NASA на разработку коммерческих экипажей . Сьерра-Невада также разработала RocketMotorTwo , гибридный двигатель для SpaceShipTwo . 31 октября 2014 года, когда SpaceShipTwo был потерян, первоначальные предположения предполагали, что его гибридный двигатель на самом деле взорвался, в результате чего один летчик-испытатель погиб, а другой серьезно пострадал. Однако данные расследования теперь показывают, что раннее развертывание оперяющей системы SpaceShip-Two стало причиной аэродинамического разрушения корабля.

США Рокетс произведены и внедрены гибриды с использованием самоподдерживающейся закиси азота (N ₂ O) и полибутадиена с концевыми гидроксильными группами (HTPB), а также смеси пероксида высокого давления (HTP) и HTPB . Гибриды перекиси High -test (H ₂ O ₂ ) 86% и (HTPB) и алюминия, разработанные US Rockets, давали удельный импульс, передаваемый на уровне моря (I _sp ), равный 240, что значительно выше типичных 180 для N ₂ O - HTPB. гибридов . В дополнение к этому, они были самозапускающимися, перезапускаемыми, имели значительно меньшую нестабильность сгорания, что делало их подходящими для хрупких миссий или миссий с экипажем, таких как Bloodhound SSC, SpaceShipTwo или SpaceShipThree. Компания успешно прошла испытания и внедрил версии последнего типа HTP - HTPB как с подачей под давлением, так и с подачей насосом . На сегодняшний день выпускаемые изделия имеют диаметр от 6 до 18 дюймов, а также разработаны агрегаты диаметром до 54 дюймов. Согласно литературе, распространенной на заседании Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) в ноябре 2013 года по XS-1, поставщик заявил о возможности масштабирования до диаметра более 5 метров со скоростью регрессии, приближающейся к твердым телам. US Rockets больше не производит крупномасштабные ракеты.

Gilmour Space Technologies начала испытания гибридных ракетных двигателей в 2015 году как с N ₂ O , так и с HP со смесями HDPE и HDPE + воск. В 2016 году испытания включали двигатель мощностью 22 000 Н (5 000 фунтов силы) HP/ PE . Компания планирует использовать гибриды как для зондирующих , так и для орбитальных ракет.

Корпорация Orbital Technologies (Orbitec) участвовала в некоторых финансируемых правительством США исследованиях гибридных ракет, включая концепцию «Vortex Hybrid».

Корпорация экологической аэронауки (eAc) была основана в 1994 году для разработки гибридных ракетных двигательных установок. Он был включен в конкурс на разработку двигателя SpaceShipOne, но проиграл контракт SpaceDev. Корпорация Environmental Aeroscience Corporation по-прежнему поставляла SpaceDev детали для системы заправки, вентиляции и сброса окислителя.

Rocket Lab раньше продавала ракеты с гибридным зондированием и сопутствующие технологии.

Общество исследования реакций (RRS), хотя и известное прежде всего своей работой с жидкостными ракетными двигателями, имеет долгую историю исследований и разработок в области гибридных ракетных двигателей.

Copenhagen Suborbitals , датская ракетная группа, разработала и испытала несколько гибридов, использующих N ₂ O сначала , а в настоящее время LOX . Их топливо — эпоксидная смола, парафин или полиуретан . Группа со временем отошла от гибридов из-за нестабильности тяги и теперь использует двигатель, аналогичный двигателю ракеты Фау-2 .

TiSPACE — тайваньская компания, разрабатывающая семейство ракет на гибридном топливе.

Компания bluShift Aerospace из Брансуика, штат Мэн , в июне 2019 года выиграла грант НАСА SBIR на разработку модульного гибридного ракетного двигателя для собственного биотоплива. После завершения гранта компания BluShift запустила свою первую зондирующую ракету с использованием этой технологии.

Ожидается, что Vaya Space, базирующаяся в Какао, штат Флорида, запустит свою гибридную топливную ракету Dauntless в 2023 году.

Компания Reaction Dynamics, базирующаяся в Сен-Жан-сюр-Ришелье, Квебек, в 2017 году начала разработку гибридного ракетного двигателя, способного развивать тягу 21,6 кН. Их ракета «Аврора» будет использовать девять двигателей на первой ступени и один двигатель на второй ступени и будет способна доставлять на НОО полезную нагрузку массой 50–150 кг. В мае 2022 года компания Reaction Dynamics объявила, что они сотрудничают с компанией Maritime Launch Services для запуска ракеты «Аврора» с строящейся в настоящее время стартовой площадки в Кансо, Новая Шотландия , начиная с суборбитальных испытательных полетов летом 2023 года с целью к 2024 году для первого орбитального запуска. запуск.

В 2017 году компания DeltaV Uzay Teknolojileri A.Ş. была основана Savunma Sanayi Teknolojileri A.Ş (SSTEK), государственной компанией Турции, для исследований гибридных ракетных двигателей. Генеральный директор компании Ариф Карабейоглу является бывшим профессором-консультантом Стэнфордского университета в области ракетного движения и сгорания. По данным веб-сайта компании, DeltaV добилась многих новинок в технологии гибридных ракетных двигателей, включая первый запуск двухтопливной ракеты на парафине и LOX, самые высокие удельные импульсы для гибридной ракеты, первую зондирующую ракету, достигшую высоты 100 км, первую орбитальную гибридную ракету. Конструкция ракетного топлива, первый орбитальный запуск гибридной ракеты-носителя.

Университеты

Space Propulsion Group была основана в 1999 году Арифом Карабейоглу, Брайаном Кэнтуэллом и другими из Стэнфордского университета для разработки сжижаемого гибридного ракетного топлива с высокой скоростью регрессии. Они успешно запустили двигатели размером до 12,5 дюймов (32 см). диаметром 13 000 фунтов силы (58 000 Н) с использованием этой технологии и в настоящее время разрабатывают двигатель диаметром 24 дюйма (61 см) и силой 25 000 фунтов силы (110 000 Н), который будет впервые запущен в эксплуатацию в 2010 году. Стэнфордский университет - это институт, где разрабатывается теория горения в жидком слое. для гибридных ракет. Группа SPaSE в Стэнфорде в настоящее время работает с Исследовательским центром Эймса НАСА Peregrine над разработкой ракеты-зонда , которая будет способна подниматься на высоту 100 км. Инженерные проблемы включают в себя различные виды нестабильности горения. Хотя предлагаемый двигатель был испытан в 2013 году, программа Peregrine в конечном итоге перешла на стандартную твердотопливную ракету для своего дебюта в 2016 году.

Спиральное введение окислителя в гибрид оргстекла. Изображение было сделано во время остановки, что позволяет увидеть структуру потока. Университет Теннесси в Ноксвилле.

Университет Теннесси в Ноксвилле проводит исследования гибридных ракет с 1999 года, работая в сотрудничестве с Центром космических полетов имени Маршалла НАСА и частным сектором. Эта работа включала интеграцию сопла калориметра с водяным охлаждением, одного из первых компонентов горячей секции, напечатанных на 3D-принтере, успешно используемых в ракетном двигателе. Другая работа в университете была сосредоточена на использовании спирального впрыска окислителя и топлива биологического происхождения. и порошкообразное топливо, заключенное в матрицу из АБС-пластика , напечатанную на 3D-принтере , включая успешный запуск угольного гибрида на Кубке Америки по космодрому 2019 года.

В Делфтском технологическом университете студенческая группа Delft Aerospace Rocket Engineering (DARE) очень активно занимается проектированием и созданием гибридных ракет. В октябре 2015 года DARE побила европейский студенческий рекорд высоты с помощью зондирующей ракеты Stratos II+ . Stratos II+ приводился в движение гибридным ракетным двигателем DHX-200, в котором использовался окислитель закиси азота и топливная смесь из парафина, сорбита и алюминиевого порошка. 26 июля 2018 года DARE попыталась запустить гибридную ракету Stratos III. В этой ракете использовалась та же комбинация топлива и окислителя, что и в ее предшественнице, но с увеличенным импульсом примерно на 360 кН. На момент разработки это был самый мощный по суммарному импульсу гибридный ракетный двигатель, когда-либо разработанный студенческим коллективом. К сожалению, автомобиль Stratos III был потерян на 20-й секунде полета.

Технологический институт Флориды успешно протестировал и оценил гибридные технологии в рамках своего проекта «Пантера». ВОЙНА ​ Студенческая группа Мюнхенского технического университета занимается разработкой гибридных двигателей и ракет с начала 1970-х годов. Использование кислот , кислорода или закиси азота в сочетании с полиэтиленом или HTPB . Разработка включает в себя двигатели для испытательного стенда, а также бортовые версии, такие как первая немецкая гибридная ракета Barbarella . В настоящее время они работают над гибридной ракетой с жидким кислородом в качестве окислителя, чтобы побить европейский рекорд высоты среди любительских ракет. Они также работают с Rocket Crafters и тестируют их гибридные ракеты.

Бостонского университета . «Группа ракетных двигателей», управляемая студентами которая в прошлом запускала только твердотопливные ракеты, пытается спроектировать и построить одноступенчатую гибридную ракету-зонд для запуска в суборбитальное пространство к июлю 2015 года.

Университет Бригама Янга (BYU), Университет Юты и Университет штата Юта в 1995 году запустили разработанную студентами ракету под названием Unity IV, которая сжигала твердое топливо полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) с окислителем газообразного кислорода , а в 2003 году запустили более крупная версия, в которой HTPB сжигался закисью азота .

Группа по гибридным ракетам Университета Бразилиа (UnB) начала свою работу в 1999 году на технологическом факультете , став новаторским учреждением в Южном полушарии, занимающимся гибридными ракетами. Со временем команда достигла значительных успехов, включая создание различных зондирующих ракет и гибридных ракетных двигателей. В настоящее время группа известна как Лаборатория химического движения (CPL) и расположена в кампусе UnB Gama . Компания CPL добилась значительных успехов в развитии критически важных технологий гибридных двигателей. Сюда входит разработка модульного гибридного ракетного двигателя мощностью 1 кН для платформы SARA, инновационной метано-кислородной газофакельной системы зажигания, эффективной системы подачи окислителя, прецизионных клапанов регулирования расхода и механизмов управления вектором тяги, адаптированных для гибридных двигателей. Кроме того, они добились прорыва, создав гибридный ракетный двигатель с активным охлаждением, напечатанный на 3D-принтере. Кроме того, лаборатория активно участвует в различных областях исследований и разработок: текущие проекты охватывают разработку гибридных моторных топлив с использованием парафина и N2O, численное моделирование, методы оптимизации и проектирование ракет. CPL активно сотрудничает с государственными учреждениями, частными инвесторами и другими образовательными учреждениями, включая FAPDF, FAPESP, CNPq и AEB. Заметные совместные усилия включают в себя Capital Rocket Team (CRT), группа студентов из UnB, которые в настоящее время сотрудничают с CPL для разработки ракет с гибридным зондированием. Выдающимся достижением стало то, что CRT заняла первое место в Латиноамериканском космическом конкурсе 2022 года (LASC).

Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Студенты запускают гибридные ракеты, использующие закись азота в качестве окислителя и HTPB в качестве топлива. В настоящее время они находятся в процессе разработки своего пятого гибридного ракетного двигателя, созданного студентами.

Университета Торонто Управляемая студентами «Аэрокосмическая команда Университета Торонто» проектирует и производит ракеты с гибридными двигателями. В настоящее время они строят новый испытательный стенд для двигателей в Институте аэрокосмических исследований Университета Торонто и работают над тем, чтобы побить канадский рекорд высоты любительской ракетной техники с помощью своей новой ракеты Defiance MKIII, которая в настоящее время проходит тщательные испытания. Двигатель Defiance MK III, QUASAR, представляет собой гибридный двигатель азота и парафина , способный развивать тягу 7 кН в течение 9 секунд.

В 2016 году Пакистанский университет DHA Суффа успешно разработал Raheel-1, гибридные ракетные двигатели класса 1 кН, использующие парафин и жидкий кислород , стали первой университетской программой ракетных исследований в стране. В Индии работает Технологический институт Бирлы, факультет космической техники и ракетной техники Месры над гибридными проектами с использованием различных видов топлива и окислителей.

Группа Pars Rocketry Group из Стамбульского технического университета спроектировала и изготовила первый в Турции гибридный ракетный двигатель , который прошел всесторонние испытания в мае 2015 года.

Команда из Великобритании (лафин-газ) использует четыре гибридные ракеты N ₂ O в автомобиле в стиле дрэг-рейсинга. Каждая ракета имеет внешний диаметр 150 мм и длину 1,4 м. В качестве топлива они используют намотанную бумагу высокой плотности, пропитанную растительным маслом. Подача N ₂ O обеспечивается поршневыми аккумуляторами, находящимися под давлением азота, которые обеспечивают более высокую скорость доставки, чем просто газ N ₂ O , а также обеспечивают демпфирование любого обратного удара.

В Италии одним из ведущих центров исследований ракет с гибридным топливом является CISAS (Центр исследований и деятельности в области космоса) «Г. Коломбо» Падуанского университета . Деятельность охватывает все этапы разработки: от теоретического анализа процесса горения до численного моделирования с использованием CFD-кодов, а затем путем проведения наземных испытаний малогабаритных и крупногабаритных ракет (до 20 кН, N ₂ O – Парафин на основе парафина). моторы). Один из этих двигателей успешно совершил полет в 2009 году. С 2014 года исследовательская группа занимается использованием высокопрочного перекиси в качестве окислителя в партнерстве с «Technology for Propulsion and Innovation», дочерней компанией Падуанского университета.

На Тайване разработки гибридных ракетных систем начались в 2009 году в рамках научно-исследовательских проектов NSPO с участием двух университетских групп. Обе команды использовали закись азота / HTPB систему топлива с разными схемами усовершенствований. На данный момент коллективами NCKU и NCTU успешно запущено несколько гибридных ракет, достигших высоты 10–20 км. В их планы входит попытка запуска на высоту 100–200 км для тестирования наноспутников и разработка возможностей орбитального запуска наноспутников в долгосрочной перспективе. с двойным вихревым потоком (DVF) подмасштаба, Испытание гибридного двигателя с _{двойным} вихревым потоком (DVF ) проведенное в 2014 году, показало среднее время Isp 280 секунд, что указывает на то, что эффективность сгорания системы достигла около 97%.

В Германии студенческая команда HyEnd Штутгартского университета является действующим мировым рекордсменом по самой высокой высоте полета гибридной ракеты, построенной студентами, со своими ракетами HEROS.

В Бангладеш организация любительской экспериментальной ракетной техники в Дакке при поддержке Американского международного университета Бангладеш также провела испытания первого в стране гибридного ракетного двигателя и в настоящее время работает над созданием более крупных прототипов на основе парафина и закиси азота.

Аэрокосмическая группа Технического университета Граца (Австрия) также разрабатывает ракету на гибридном топливе.

Польская студенческая группа PWr в космосе Вроцлавского научно-технического университета разработала три гибридные ракеты: R2 «Сетка», R3 «Dziewięćdziesiątka dziewiątka» и самую мощную из всех — R4 «Рысь» и успешно прошла испытания на своем испытательном стенде.

Многие другие университеты, такие как Университет аэронавтики Эмбри-Риддла , Вашингтонский университет , Университет Пердью , Мичиганский университет в Анн-Арборе, Университет Арканзаса в Литл-Роке , Колледж Хендрикса , Университет Иллинойса , Портлендский государственный университет , Университет Квазулу-Натал , Техасский университет A&M , Орхусский университет , Университет Райса и Университет науки и технологий AGH имеют испытательные стенды для гибридных двигателей, которые позволяют студентам проводить исследования с использованием гибридных ракет.

Ракетная техника большой мощности

Существует ряд систем гибридных ракетных двигателей, доступных для использования любителями в моделях ракет большой мощности. К ним относятся популярные системы HyperTek. и ряд систем Urbanski-Colburn Valved (U/C), таких как RATTWorks, Ракеты инверсионного следа, и двигательные полимеры. Во всех этих системах в качестве окислителя используется закись азота и пластиковое топливо (например, поливинилхлорид (ПВХ), полипропилен ) или топливо на полимерной основе, такое как HTPB . Это снижает стоимость полета по сравнению с твердотопливными ракетными двигателями, хотя для гибридов обычно требуется больше наземного вспомогательного оборудования.

В популярной культуре

Эпизод телешоу « Разрушители легенд » от 26 октября 2005 года под названием « Ракета Конфедерации ». отличался гибридным ракетным двигателем, использующим жидкую закись азота и парафин . Миф утверждал, что во время Гражданской войны в США армия Конфедерации смогла построить ракету этого типа. Миф был вновь рассмотрен в более позднем эпизоде ​​под названием «Ракета салями» использовалась выдолбленная сухая салями , где в качестве твердого топлива .

В эпизоде ​​Top Gear Reliant Robin использовали от 18 февраля 2007 года Ричард Хаммонд и Джеймс Мэй в попытке превратить обычного Робина K-reg в многоразовый космический шаттл . Стив Холланд, профессиональный пилот радиоуправляемого самолета , помог Хаммонду понять, как безопасно посадить Робин. Корабль был построен высокопоставленными членами Ассоциации ракетостроения Соединенного Королевства (UKRA) и совершил успешный запуск, пролетел несколько секунд в воздухе и сумел вовремя успешно сбросить твердотопливные ракетные ускорители. Это была самая большая ракета, запущенная неправительственной организацией в Европе. На нем использовались двигатели 6 × 40960 NS O производства Contrail Rockets, обеспечивающие максимальную тягу 8 тонн. Однако машине не удалось отделиться от большого внешнего топливного бака из-за неисправных взрывных болтов между Робином и внешним баком, и Робин впоследствии врезался в землю и, похоже, вскоре взорвался. Этот взрыв был добавлен для драматического эффекта, поскольку ни Reliant Robins, ни гибридные ракетные двигатели не взрываются так, как показано.

См. также

• Движение космического корабля

Дальнейшее чтение

• Коста, Фернандо де Соуза; Виейра, Рикардо (2010). «Предварительный анализ гибридных ракет для запуска наноспутников на НОО» . Журнал Бразильского общества механических наук и инженерии . 32 (4): 502–509. дои : 10.1590/S1678-58782010000400012 .

Внешние ссылки

• «Разработка и испытания гибридного ракетного двигателя 2 кН» . Hybrid-engine-development.de (на немецком языке).
• «Парафиновые гибридные связи» . Портлендское государственное аэрокосмическое общество. Архивировано из оригинала 1 сентября 2006 года.
• «Гибридрокет» . c-turbines.ch (частная веб-страница) (на немецком языке).