Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Деталь гибридного ракетного двигателя SpaceShipOne

Гибридно-ракетный является ракеты с ракетным двигателем , который использует ракетные топлива в двух различных фазах: один твердый , а другой либо газ или жидкость . Идея гибридной ракеты восходит как минимум к 1930-м годам. [1]

Гибридные ракеты избегают некоторых недостатков твердотопливных ракет, таких как опасность обращения с ракетным топливом, а также избегают некоторых недостатков жидкостных ракет, таких как их механическая сложность. [2] Так как топливо и окислитель трудно смешивать друг с другом (поскольку они находятся в разных состояниях материи), гибридные ракеты обычно выходят из строя более мягко, чем жидкости или твердые тела. Подобно жидкостным ракетным двигателям, гибридные ракетные двигатели можно легко отключить, а тягу можно регулировать. Теоретическая удельная импульсная ( ) характеристика гибридов обычно выше, чем у твердотельных двигателей, и ниже, чем у жидкостных. на гибридной ракете, использующей металлизированное топливо, было измерено до 400 с. [3]Гибридные системы более сложны, чем твердотельные, но они позволяют избежать серьезных опасностей при производстве, транспортировке и обращении с твердотопливными ракетными двигателями за счет раздельного хранения окислителя и топлива.

История [ править ]

Первые работы по гибридным ракетам были выполнены в конце 1930-х годов в IG Farben в Германии и одновременно в Калифорнийском ракетном обществе в США. Леонид Андрусов , работающий в Германии, первым теоретизировал гибридные ракетные двигатели. О. Лутц, В. Неггерат и Андруссов испытали гибридный ракетный двигатель мощностью 10 килоньютон (2200 фунтов силы) с использованием угля и газообразного N 2 O в качестве топлива. Оберт также работал над гибридным ракетным двигателем, используя LOX в качестве окислителя и графит в качестве топлива. Высокая температура сублимации углерода не позволяла этим ракетным двигателям работать эффективно, так как это приводило к незначительной скорости горения. [4]

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

В 1940-х годах Калифорнийское Тихоокеанское ракетное общество использовало LOX в сочетании с несколькими различными видами топлива, включая дерево, воск и резину. Наиболее успешным из этих испытаний было каучуковое топливо, которое до сих пор остается доминирующим топливом. В июне 1951 года LOX / резиновая ракета поднялась на высоту 9 километров (5,6 миль). [4]

В 1950-е гг. Были предприняты две основные попытки. Одно из таких начинаний было предпринято Дж. Муром и К. Берманом из General Electric . Дуэт использовал тест-перекись (HTP или H 2 O 2 ) с высоким содержанием 90% и полиэтилен.(PE) в форме стержня и трубы. Из своей работы они сделали несколько важных выводов. Горючее зерно имело равномерное горение. Трещины зерна не влияли на горение, как это происходит с твердотопливными ракетными двигателями. Жестких запусков не наблюдалось (жесткий запуск - это скачок давления, наблюдаемый близко к моменту зажигания, типичный для жидкостных ракетных двигателей). Поверхность топлива служила держателем пламени, что способствовало стабильному горению. Окислитель можно было дросселировать с помощью одного клапана, а высокое отношение окислителя к топливу помогло упростить сгорание. Отрицательные наблюдения заключались в низкой скорости горения и в том, что термическая нестабильность пероксида была проблематичной по соображениям безопасности. Еще одна попытка, которая была предпринята в 1950-х годах, заключалась в разработке обратного гибрида. В стандартном гибридном ракетном двигателе твердым материалом является топливо. В реверсивном гибридном ракетном двигателеокислитель твердый.Уильям Эйвери из Лаборатории прикладной физики использовал реактивное топливо и нитрат аммония , выбранные из-за их низкой стоимости. Его соотношение O / F составляло 0,035, что в 200 раз меньше, чем отношение, используемое Муром и Берманом. [4]

В 1953 году Тихоокеанское ракетное общество (основано в 1943 году) разрабатывало XDF-23, гибридную ракету размером 4 дюйма (10 см) × 72 дюйма (180 см), разработанную Джимом Нудингом, с использованием LOX и каучукового полимера под названием « Тиокол ». В предыдущих версиях они уже пробовали другие виды топлива, включая хлопок, парафин и дерево. Само название XDF происходит от «экспериментальной пихты Дугласа » одной из первых моделей. [5]

В 1960-х годах европейские организации также начали работу над гибридными ракетами. 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. 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). [4]Группа Volvo Flygmotor также использовала гиперголичную комбинацию топлива. Они также использовали азотную кислоту в качестве окислителя, но использовали тагаформ (полибутадиен с ароматическим амином) в качестве топлива. Их полет был в 1969 году, когда они подняли 20-килограммовую (44 фунта) полезную нагрузку на расстояние 80 километров (50 миль). [4]

Тем временем в Соединенных Штатах United Technologies Center (подразделение химических систем) и Beech Aircraft работали над сверхзвуковым дроном-мишенью, известным как Sandpiper. Он использовал MON-25 (смесь 25% NO , 75% N 2 O 4 ) в качестве окислителя и полиметилметакрилата (PMM) и Mg в качестве топлива. В 1968 году дрон пролетел шесть раз в течение более 300 секунд на высоту более 160 километров (99 миль). Вторая итерация ракеты, известная как HAST, имела IRFNA -PB / PMM.для его топлива и был дросселем в диапазоне 10/1. HAST мог нести более тяжелую нагрузку, чем Sandpiper. Другая итерация, в которой использовалась та же комбинация топлива, что и HAST, была разработана подразделением химических систем 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 дроссельной заслонкой. Удельный импульс вакуума составлял 380 секунд при КПД сгорания 93%. [4]

AMROC разработала самые большие из когда-либо созданных гибридных ракет в конце 1980-х - начале 1990-х годов. Первая версия их двигателя, запущенная в лаборатории Air Force Phillips, вырабатывала 312 000 ньютонов (70 000 фунт-сил) тяги в течение 70 секунд с использованием комбинации топлива LOX и полибутадиенового каучука с концевыми гидроксильными группами (HTPB). Вторая версия двигателя, известная как H-250F, создавала тягу более 1 000 000 ньютонов (220 000 фунтов силы). [4]

Кори Клайн из Environmental Aeroscience Corporation (eAc) впервые запустил гибрид газообразного кислорода и резины в 1982 году в Люцерн-Драй-Лейк , Калифорния, после обсуждения технологии с Биллом Вудом, ранее работавшим с Westinghouse . [6] Первые гибридные испытания SpaceShipOne были успешно проведены компаниями Kline и eAc в Мохаве, Калифорния. [7]

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

Основные понятия [ править ]

Концептуальный обзор гибридной ракетной двигательной установки

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

Обычно жидкое ракетное топливо является окислителем, а твердое ракетное 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 парафиновый воск, позволяет вводить высокоэнергетические топливные добавки, такие как гидриды алюминия, лития или металлов .

Сжигание [ править ]

Управляющее уравнение для сжигания гибридной ракеты показывает, что скорость регрессии зависит от скорости потока массы окислителя, что означает, что скорость, с которой будет гореть топливо, пропорциональна количеству окислителя, протекающего через порт. Это отличается от твердотопливного ракетного двигателя, в котором скорость регрессии пропорциональна давлению в камере двигателя. [4]

где - скорость регрессии, a o - коэффициент скорости регрессии (включающий длину зерна), G o - массовая скорость потока окислителя, а n - показатель скорости регрессии. [4]

Когда двигатель горит, увеличение диаметра топливного канала приводит к увеличению массового расхода топлива. Это явление приводит к изменению отношения окислителя к топливу (O / F) во время горения. Повышенный массовый расход топлива может быть компенсирован также увеличением массового расхода окислителя. В дополнение к изменению O / F как функции времени, оно также изменяется в зависимости от положения топливной крупы. Чем ближе позиция к верху топливной крупы, тем выше отношение O / F. Поскольку отношение O / F изменяется в зависимости от порта, точка, называемая стехиометрической точкой, может существовать в некоторой точке вниз по зерну. [4]

Свойства [ править ]

Гибридные ракетные двигатели демонстрируют некоторые очевидные, а также некоторые тонкие преимущества перед жидкотопливных ракет и твердотопливных ракет . Краткое изложение некоторых из них приводится ниже:

Преимущества по сравнению с жидкостными ракетами [ править ]

  • Механически проще - требуется только одно жидкое топливо, что приводит к меньшему количеству трубопроводов, меньшему количеству клапанов и упрощению операций.
  • Более плотное топливо - топливо в твердой фазе обычно имеет более высокую плотность, чем в жидкой фазе, что снижает общий объем системы.
  • Добавки металлов - химически активные металлы, такие как алюминий, магний , литий или бериллий, могут быть легко включены в топливную крупу, увеличивая удельный импульс ( ), плотность или и то, и другое.
  • Нестабильность горения. Гибридные ракеты обычно не демонстрируют высокочастотную нестабильность горения, которая поражает жидкие ракеты из-за того, что частицы твердого топлива разрушают акустические волны, которые в противном случае отражались бы в открытой камере сгорания жидкостного двигателя.
  • Повышение давления топлива. Одной из самых сложных для проектирования частей жидкостной ракетной системы являются турбонасосы . Конструкция турбонасоса сложна, поскольку он должен точно и эффективно перекачивать и поддерживать разделенные две жидкости с разными свойствами в точных соотношениях при очень высоких объемных расходах, часто при криогенных температурах и легколетучих химикатах, сжигая те же самые жидкости для самообеспечения. Гибриды имеют гораздо меньше жидкости для перемещения и часто могут находиться под давлением с помощью системы продувки (которая была бы чрезмерно тяжелой для жидкостной ракеты) или самонапорных окислителей (таких как N 2 O ).
  • Охлаждение - Жидкостные ракеты часто зависят от одного из компонентов 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. У гибридных ракет есть камеры сгорания, которые покрыты твердым топливом, которое защищает его от продуктовых газов. Их сопла часто выполнены из графита или покрыты абляционными материалами, как у твердотопливных ракетных двигателей. Проектирование, конструкция и испытания потоков жидкостного охлаждения сложны, что делает систему более склонной к сбоям.

Преимущества по сравнению с твердотопливными ракетами [ править ]

  • Более высокое теоретическое - возможно из-за ограничений известных твердых окислителей по сравнению с часто используемыми жидкими окислителями.
  • Меньшая опасность взрыва - зерно топлива более устойчиво к ошибкам обработки, таким как трещины, поскольку скорость горения зависит от скорости потока массы окислителя. Пороховое зерно не может воспламениться паразитным электрическим зарядом и очень нечувствительно к самовоспламенению из-за тепла. Гибридные ракетные двигатели можно доставлять на стартовую площадку с раздельным хранением окислителя и топлива, что повышает безопасность.
  • Меньше проблем с обращением и хранением. Ингредиенты твердых ракет часто несовместимы химически и термически. Повторяющиеся изменения температуры могут вызвать деформацию зерна. Антиоксиданты и покрытия используются для предотвращения разрушения или разложения зерна.
  • Более управляемый - останов / перезапуск и дросселирование легко встроены в большинство конструкций. Твердотопливные ракеты редко можно легко остановить, и почти никогда не бывает возможностей дросселирования или перезапуска.

Недостатки гибридных ракет [ править ]

Гибридные ракеты также обладают некоторыми недостатками по сравнению с жидкостными и твердотельными ракетами. К ним относятся:

  • Сдвиг отношения окислителя к топливу («сдвиг O / F») - при постоянном расходе окислителя отношение расхода топлива к расходу окислителя будет изменяться по мере регресса зерна. Это приводит к непиковой работе с точки зрения химических характеристик. Однако для хорошо спроектированного гибрида сдвиг O / F имеет очень небольшое влияние на производительность, поскольку он нечувствителен к сдвигу O / F около пика.
  • Топливо с низкой скоростью регрессии (скорость, с которой уменьшается твердая фаза) часто приводит в движение многопортовые частицы топлива. Многопортовые топливные зерна имеют низкий объемный КПД и часто структурные дефекты. Сжиженные топлива с высокой скоростью регрессии, разработанные в конце 1990-х годов, предлагают потенциальное решение этой проблемы. [8]
  • По сравнению с двигательной установкой на жидкой основе, дозаправка частично или полностью разряженной гибридной ракеты создаст серьезные проблемы, поскольку твердое топливо нельзя просто закачать в топливный бак. Это может быть, а может и не быть проблемой, в зависимости от того, как планируется использовать ракету.

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

Одна из проблем при разработке больших гибридных орбитальных ракет состоит в том, что турбонасосы становятся необходимыми для достижения высоких скоростей потока и повышения давления в окислителе. Этот турбонасос должен чем-то питаться. В традиционной ракете на жидком топливе турбонасос использует то же топливо и окислитель, что и ракета, поскольку они оба являются жидкими и могут подаваться в предварительную горелку. Но в гибриде топливо твердое и не может подаваться в двигатель турбонасоса. Некоторые гибриды используют окислитель, который также можно использовать в качестве монотоплива , например нитрометан или перекись водорода , и поэтому турбонасос может работать только на нем. Но нитрометан и перекись водорода значительно менее эффективны, чемжидкий кислород , который нельзя использовать отдельно для работы турбонасоса . Потребовалось бы другое топливо, что потребовало бы собственного бака и снижения характеристик ракеты.

Топливо [ править ]

Общие варианты топлива [ править ]

Реверсивно-гибридная ракета, которая не очень распространена, - это та, в которой двигатель использует твердый окислитель и жидкое топливо. Некоторые варианты жидкого топлива - керосин , гидразин и LH 2 . Обычные виды топлива для типичного гибридного ракетного двигателя включают полимеры, такие как акрил , полиэтилен (PE), сшитый каучук , такой как HTPB , или жидкие топлива, такие как парафиновый воск . Оргстекло было обычным топливом, так как горение было видно через прозрачную камеру сгорания. Полибутадиен с концевыми гидроксильными группамиСинтетический каучук (HTPB) в настоящее время является наиболее популярным топливом для гибридных ракетных двигателей из-за его энергии и безопасности в обращении. Были проведены испытания, в которых HTPB был пропитан жидким кислородом, и он все еще не стал взрывоопасным. Эти виды топлива, как правило, не такие плотные, как твердотопливные ракетные двигатели, поэтому они часто легированы алюминием для увеличения плотности и, следовательно, характеристик ракеты. [4] ( стр. 404 )

Способы производства зерна [ править ]

В ролях [ править ]

Зерна гибридного ракетного топлива могут быть изготовлены методом литья, поскольку они обычно представляют собой пластик или резину. Сложная геометрия, обусловленная необходимостью более высоких массовых расходов топлива, делает литье топливных гранул для гибридных ракет дорогостоящим и трудоемким, отчасти из-за стоимости оборудования. В более крупном масштабе литые зерна должны поддерживаться внутренней перемычкой, чтобы большие куски топлива не ударяли и даже не блокировали сопло. Дефекты зерна также являются проблемой для крупных зерен. Традиционные литые виды топлива представляют собой полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) и парафиновые воски. [9]

Аддитивное производство [ править ]

Прозрачный портативный образовательный демонстратор, напечатанный на 3D-принтере, гибридное зерно ракетного топлива с двойными спиральными отверстиями для топлива, камерой дожигания и соплом де Лаваля , показанное перед испытанием на горячем пламени.

Аддитивное производство в настоящее время используется для создания зернистых структур, которые иначе было бы невозможно изготовить. Было показано, что винтовые порты увеличивают скорость регресса топлива, а также увеличивают объемный КПД. [10] Примером материала, используемого для гибридного ракетного топлива, является акрилонитрилбутадиенстирол (АБС). Печатный материал также обычно улучшается добавками для улучшения характеристик ракеты. [9] Недавняя работа в Университете Теннесси в Ноксвилле показала, что из-за увеличения площади поверхности использование порошкового топлива (например, графита, угля, алюминия), заключенного в 3D-печатную матрицу ABS, может значительно увеличить скорость сжигания топлива. и уровень тяги по сравнению с традиционными полимерными зернами.[11] [12]

Окислитель [ править ]

Общие варианты окислителей [ править ]

Обычные окислители включают газообразный или жидкий кислород , закись азота и перекись водорода . Для обратного гибрида используются окислители, такие как замороженный кислород и перхлорат аммония . [4] ( стр. 405–406 )

Правильное испарение окислителя важно для эффективной работы ракеты. Неправильное испарение может привести к очень большим различиям в скорости регрессии на головной 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 над слоем серебра на горячий кислород и пар. Третий метод заключается в нагнетании в поток пропеллента, который является гиперголичным с окислителем. Часть окислителя разлагается, нагревая остальной окислитель в потоке. [4] ( стр. 406–407 )

Гибридная безопасность [ править ]

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 попаданию горячих продуктов сгорания вблизи стенок камеры, что приведет к «прожогу», при котором происходит разрыв сосуда.
  • Возвратная 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, воспламеняя окислитель и приводя к взрыву резервуара. Для продувки требуется, чтобы газы возвращались обратно через форсунку из-за недостаточного падения давления, которое может происходить в периоды нестабильного сгорания. Обратная продувка присуща конкретным окислителям и невозможна с окислителями, такими как кислород или четырехокись азота , если топливо не присутствует в баке окислителя.
  • Жесткий запуск - Избыток окислителя в камере сгорания перед воспламенением, особенно для одноразового топлива, такого как закись азота , может привести к временному избыточному давлению или «всплеску» при воспламенении.

Поскольку топливо в гибриде не содержит окислителя, оно не будет взрываться само по себе. По этой причине гибриды классифицируются как не имеющие взрывной силы, эквивалентной тротилу . Напротив, твердотопливные ракеты часто имеют эквивалент в тротиловом эквиваленте, аналогичный по величине массе пороха. Ракеты , работающие на жидком топливе, обычно имеют эквивалент в тротиловом эквиваленте, рассчитанный на основе количества топлива и окислителя, которые могут реально тесно объединиться перед взрывом; часто принимают 10–20% от общей массы пороха. Для гибридов даже заполнение камеры сгорания окислителем перед воспламенением обычно не приводит к взрыву твердого топлива, взрывной эквивалент часто указывается как 0%.

Организации, работающие над гибридами [ править ]

Коммерческие компании [ править ]

В 1998 году SpaceDev приобрела всю интеллектуальную собственность, разработки и результаты испытаний, полученные в результате более чем 200 запусков гибридных ракетных двигателей американской ракетной компанией за восемь лет ее существования . SpaceShipOne , первый частный пилотируемый космический корабль, был оснащен гибридным ракетным двигателем SpaceDev, работающим на HTPB с закисью азота . Тем не менее, закиси азота был главным веществом , ответственным за взрыв, погибли три в разработке преемника SpaceShipOne в Scaled Composites в 2007 г. [13] [14] Virgin Galactic SpaceShipTwoпоследующий коммерческий суборбитальный космический самолет использует увеличенный гибридный двигатель.

SpaceDev разрабатывала SpaceDev Streaker , небольшую расходуемую ракету-носитель, и SpaceDev Dream Chaser , способные совершать как суборбитальные, так и орбитальные полеты человека в космос. И Streaker, и Dream Chaser используют гибридные ракетные двигатели, сжигающие закись азота и синтетический каучук HTPB . SpaceDev была приобретена Sierra Nevada Corporation в 2009 году, став ее подразделением Space Systems, которое продолжает разработку Dream Chaser для контракта НАСА по разработке коммерческих экипажей . Sierra Nevada также разработала RocketMotorTwo , гибридный двигатель для SpaceShipTwo . 31 октября 2014 года SpaceShipTwoбыл утерян, первоначальные предположения предполагали, что его гибридный двигатель на самом деле взорвался и убил одного пилота-испытателя и серьезно ранил другого. Однако данные расследования теперь указывают на то, что раннее развертывание системы оперения SpaceShip-Two стало причиной аэродинамического разрушения корабля. [15]

US Rockets [16] производила и внедряла гибриды, использующие самонаполняющуюся закись азота (N 2 O) и полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB), а также смесь пероксида High-test (HTP) и HTPB . Высокий тест пероксид (H 2 O 2 ) 86% и (HTPB) и алюминиевые гибриды , разработанный США Ракета производство уровень моря доставлен удельный импульс (I зр ) 240, что значительно выше типичного 180 из N 2 O - HTPBгибриды. Вдобавок они были самозапускаемыми, перезапускаемыми, имели значительно меньшую нестабильность сгорания, что делало их пригодными для хрупких или пилотируемых миссий, таких как Bloodhound SSC, SpaceShipTwo или SpaceShipThree. Компания успешно протестировала [17] и внедрила версии последнего типа HTP - HTPB как с подачей давления, так и с насосом . На сегодняшний день результаты варьируются от 6 дюймов до 18 дюймов в диаметре, а разработанные блоки имеют диаметр до 54 дюймов. Согласно литературным источникам, распространенным на заседании Агентства перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA) для XS-1 в ноябре 2013 года, производитель заявлял о масштабируемости до диаметра более 5 метров со скоростью регрессии, приближающейся к твердым телам . US Rockets больше не производит крупномасштабные ракеты.[18]

Компания Gilmour Space Technologies начала испытания гибридных ракетных двигателей в 2015 году как с N 2 O, так и с HP со смесями парафинов HDPE и HDPE +. Для испытаний 2016 года используется двигатель мощностью 5000 фунтов HP / PE . Компания планирует использовать гибриды как для зондирующих, так и для орбитальных ракет.

Корпорация Orbital Technologies (Orbitec) принимала участие в финансируемых правительством США исследованиях гибридных ракет, включая концепцию "Vortex Hybrid". [19]

Environmental Aeroscience Corporation (eAc) [20] была создана в 1994 году для разработки гибридных ракетных силовых установок. Он был включен в конкурс на разработку двигателя SpaceShipOne, но проиграл контракт со SpaceDev. Environmental Aeroscience Corporation по-прежнему поставляла SpaceDev детали для системы заполнения, вентиляции и сброса окислителя. [21]

Rocket Crafters Inc. (RCI) создает и испытывает гибридные ракеты в Какао, Флорида. Они провели более 40 субшкальных испытаний своего двигателя STAR-3D и провели испытания испытательного двигателя мощностью 5000 фунт-сила на своем предприятии в Какао. Они используют жидкую закись азота в сочетании с топливным зерном из АБС- пластика, напечатанного на 3D-принтере . Они планируют свой первый суборбитальный полет из космодрома Нью-Мексико летом 2020 года. [22]

Rocket Lab продает гибридные зондирующие ракеты и сопутствующие технологии.

Общество исследований реакции (RRS), хотя и известно в первую очередь своей работой с жидкостными ракетными двигателями, имеет долгую историю исследований и разработок гибридных ракетных двигателей.

Copenhagen Suborbitals , датская ракетная группа, разработала и испытала несколько гибридов, использующих сначала N 2 O, а в настоящее время LOX . Их топливо - эпоксидная смола, парафиновый воск или полиуретан . [23] Группа в конечном итоге отказалась от гибридов из-за нестабильности тяги и теперь использует двигатель, аналогичный двигателю ракеты Фау-2 .

TiSPACE - тайваньская компания, разрабатывающая семейство ракет с гибридным топливом. [24]

bluShift Aerospace в Брансуике, штат Мэн , выиграла грант NASA SBIR на разработку модульного гибридного ракетного двигателя для своего патентованного биотоплива в июне 2019 года. [25] Завершив грант, bluShift запустила свою первую ракету для зондирования с использованием этой технологии. [26]

Университеты [ править ]

Space Propulsion Group была основана в 1999 году Арифом Карабейоглу, Брайаном Кантвеллом и другими из Стэнфордского университета для разработки сжиженных ракетных топлив с высокой скоростью регрессии. Они успешно запустили двигатели диаметром 12,5 дюймов, которые производят 13 000 фунтов силы. используя эту технологию, и в настоящее время разрабатываем модель диаметром 24 дюйма и мощностью 25 000 фунтов силы. двигатель будет запущен в 2010 году. Стэнфордский университет - это учреждение, где была разработана теория жидкостного горения для гибридных ракет. Группа SPaSE в Стэнфорде в настоящее время работает с Исследовательским центром NASA в Эймсе над разработкой зондирующей ракеты Peregrine, способной развивать высоту до 100 км. [27]Технические проблемы включают различные типы нестабильности горения. [28] Хотя предложенный двигатель был испытан в 2013 году, программа Peregrine в конечном итоге перешла на стандартную твердотопливную ракету для своего дебюта в 2016 году.

Университет Теннесси в Ноксвилле проводит исследования гибридных ракет с 1999 года, работая в сотрудничестве с Центром космических полетов НАСА им. Маршалла и частным сектором. Эта работа включала интеграцию сопла калориметра с водяным охлаждением, одного из первых напечатанных на 3D-принтере компонентов горячей секции, успешно используемых в ракетном двигателе. [29] Другая работа в университете была сосредоточена на использовании биотоплива [30] и порошкового топлива, заключенного в 3D-печатную матрицу ABS , включая успешный запуск угольного гибрида на Кубке Америки в космодроме 2019 года. . [11] [12]

В Делфтском технологическом университете студенческая команда Delft Aerospace Rocket Engineering (DARE) очень активна в разработке и строительстве гибридных ракет. В октябре 2015 года DARE побила европейский студенческий рекорд высоты, выпустив ракету Stratos II + . Stratos II + приводился в движение гибридным ракетным двигателем DHX-200 с использованием окислителя закиси азота и топливной смеси из парафина, сорбита и алюминиевого порошка. 26 июля 2018 года DARE предприняла попытку запуска гибридной ракеты Stratos III. Эта ракета использовала ту же комбинацию топлива / окислителя, что и ее предшественница, но с увеличенным импульсом около 360 кН. [31]На момент разработки это был самый мощный гибридный ракетный двигатель, когда-либо созданный студенческим отрядом с точки зрения общего импульса. К сожалению, аппарат Stratos III потерял 20 секунд полета. [32]

Технологический институт Флориды успешно протестировал и оценил гибридные технологии в рамках своего проекта «Пантера». WARR [33] студент-группа в Техническом университете Мюнхена разрабатывает гибридные двигатели и ракеты с начала 1970 - х годов. Использование кислот , кислорода или закиси азота в сочетании с полиэтиленом или HTPB . Разработка включает в себя испытательные стенды двигателей, 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 любительских ракет. Они также работают с Rocket Crafters и тестируют свои гибридные ракеты.

Управляемая студентами "Rocket Propulsion Group" Бостонского университета [34], которая в прошлом запускала только твердотопливные ракеты, пытается спроектировать и построить одноступенчатую гибридную зондирующую ракету для запуска в суборбитальное пространство к июлю 2015 года. . [35]

Университет Бригама Янга (BYU), Университет штата Юта и Университет штата Юта в 1995 году запустили разработанную студентом ракету под названием Unity IV, которая сжигала твердое топливо полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) с окислителем газообразного кислорода , а в 2003 году была запущена. большая версия , которая сжигается HTPB с закисью азота .

Группа специалистов по гибридным технологиям Университета Бразилиа провела обширные исследования гибридов парафин / N 2 O и уже провела более 50 испытаний на возгорание. Hybrid Team в настоящее время работает над сжиженным топливом, численной оптимизацией и проектированием ракеты. В настоящее время группа разработчиков ракет под названием Capital Rocket Team разрабатывает мощные гибридные ракеты и исследует некоторые добавки. Лаборатория химического движения уже провела некоторые исследования и разрабатывает двигатель для платформы SARA. [ необходима цитата ]

Университет Калифорнии, Лос-Анджелес, управляемый студентами "Университетский ракетный проект" запускает гибридные силовые установки, использующие закись азота в качестве окислителя и HTPB в качестве топлива. В настоящее время они находятся в процессе разработки своего третьего гибридного ракетного двигателя, построенного студентами. [ необходима цитата ]

Университет Торонто «с студенческим„Университетом Торонто аэрокосмического Team“, проектирует и строит гибридный двигатель работает ракету. В настоящее время они строят новую лабораторию для испытаний двигателей в Институте аэрокосмических исследований Университета Торонто и работают над тем, чтобы побить канадский рекорд высоты в любительской ракетной технике с помощью своей новой ракеты Defiance MKIII, которая в настоящее время проходит тщательные испытания. Двигатель Defiance MK III, в КВАЗАР, является Закись - Парафин гибридный двигатель, способный производить 7 кН тяги в течение 9 секунд. [ необходима цитата ]

В 2016 году Пакистан «s DHA Suffa университет успешно развивается [36] Рахил-1, гибридные ракетные двигатели в 1 классе кН, используя парафин и жидкий кислород , тем самым став первым университетом запуска ракеты научно - исследовательскую программу в стране. [37] В Индии , Бирла технологический институт, Mesra Космическая техника и ракетостроение отдел работает на гибридных проектов с различными видами топлива и окислителей.

Pars Rocketry Group из Стамбульского технического университета спроектировала и построила первый гибридный ракетный двигатель в Турции , ракетный двигатель всесторонне испытан в мае 2015 года. [38]

Команда из Соединенного Королевства (laffin-gas) 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. Они используют горючее зерно из намотанной бумаги высокой плотности, пропитанной кулинарным маслом. Н 2 О питании обеспечивается азот под давлением поршневых аккумуляторов , которые обеспечивают более высокую скорость подачи , чем N 2 O только газ , а также обеспечивают затухание любого обратного удара. [ необходима цитата ]

В Италии одним из ведущих центров исследований в области ракет с гибридным топливом является CISAS (Центр исследований и космической деятельности) им. Дж. Коломбо, Университет Падуи . Мероприятия охватывают все этапы разработки: от теоретического анализа процесса горения до численного моделирования с использованием CFD-кодов, а затем путем проведения наземных испытаний маломасштабных и крупномасштабных ракет (до 20 кН, N 2 O - парафин на основе парафина). двигатели). Один из этих двигателей успешно эксплуатировался в 2009 году. С 2014 года исследовательская группа в партнерстве с компанией «Technology for Propulsion and Innovation», дочерней компанией Падуанского университета, сосредоточила свои усилия на использовании перекиси, прошедшей высокие испытания, в качестве окислителя. [39]

На Тайване разработки гибридных ракетных систем начались в 2009 году в рамках научно-исследовательских проектов NSPO с двумя университетскими командами. Обе группы использовали систему пропеллента закиси азота / HTPB с различными схемами улучшения. Одна команда (NCKU) добавила 50% парафина в твердое зерно для повышения скорости регрессии. Другая команда ( ARRC/ NCTU) включены инновационные устройства для улучшения смешивания, чтобы довести общую эффективность сгорания до теоретического значения. Эта команда в полной мере использует возможности высокоточного моделирования и экспериментальных работ для очень рентабельных разработок. К настоящему времени успешно запущено несколько гибридных ракет, достигающих высот 10–20 км. В их планы входит попытка запуска на высоте 100–200 км для тестирования наноспутников и разработка возможностей орбитального запуска для наноспутников в долгосрочной перспективе. Суб-шкала Н 2 О / РЕ двойного вихревой поток (DVF) гибридный двигатель горячего огневых испытания в 2014 году поставила усредненный уровень моря ЗИП 280 сек, что свидетельствует о том , что система достигла эффективностей сгорания около 97%. [ необходима цитата]

В (Германия) студенческая команда Штутгартского университета HyEnd является нынешним мировым рекордсменом по самой высокой летающей гибридной ракете, построенной студентами, с их ракетами HEROS. [40]

Aerospace команда из ТОГО Граца , Австрия, также разрабатывает гибридный ракетной. [41]

Многие другие университеты, такие как Эмбри-Риддл авиационного университета , в Университете штата Вашингтон , Университет Пердью , в Мичиганском университете в Анн - Арбор, то Университет Арканзаса в Литл - Рок , Hendrix College , то Университет штата Иллинойс , Портленд государственный университет , Университет В Квазулу-Натале , Техасском университете A&M , Орхусском университете , Университете Райса и Университете науки и технологий AGH имеются стенды для испытаний гибридных двигателей, которые позволяют студентам проводить исследования с использованием гибридных ракет. [цитата необходима ]

Ракетная техника большой мощности [ править ]

Существует ряд гибридных систем ракетных двигателей, доступных для использования любителями / любителями в ракетной технике большой мощности. К ним относятся популярные системы HyperTek [42] и ряд систем «Urbanski-Colburn Valved» (U / C), такие как RATTWorks, [43] Contrail Rockets, [44] и Propulsion Polymers. [45] Все эти системы используют закись азота в качестве окислителя и пластиковое топливо (такое как поливинилхлорид (ПВХ), полипропилен ) или топливо на основе полимеров, такое как HTPB . Это снижает стоимость полета по сравнению с твердотопливными ракетными двигателями, хотя, как правило, для гибридов требуется больше наземного вспомогательного оборудования.

В популярной культуре [ править ]

В эпизоде ​​телешоу « Разрушители мифов » от 26 октября 2005 г. под названием « Ракета Конфедерации » [46] был показан гибридный ракетный двигатель, использующий жидкую закись азота и парафиновый воск . Миф утверждал, что во время Гражданской войны в США Конфедеративная армия смогла построить ракету такого типа. Миф был пересмотрен в более позднем эпизоде, озаглавленном « Ракета салями», где в качестве твердого топлива использовалась выдолбленная сухая салями .

В 18 февраля 2007, эпизод Top Gear , Reliant Робин был использован Ричард Хаммонд и Джеймс Мэй в попытке изменить нормальную K-REG Робин в многоразовых космических челноков . Стив Холланд, профессиональный пилот радиоуправляемого самолета , помог Хаммонду придумать, как безопасно посадить Робин. Корабль был построен высокопоставленными членами Ассоциации ракетостроителей Соединенного Королевства (UKRA) и успешно стартовал, в течение нескольких секунд взлетал в воздух и вовремя успел успешно сбросить за борт твердотопливные ракетные ускорители. Это была самая большая ракета, запущенная неправительственной организацией в Европе. Используется 6 × 40960 NS Oдвигатели Contrail Rockets, обеспечивающие максимальную тягу 8 тонн. Однако автомобиль не смог 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 после этого взорвался. Этот взрыв был добавлен для драматического эффекта, поскольку ни Reliant Robins, ни гибридные ракетные двигатели не взрываются так, как показано.

См. Также [ править ]

  • Движение космического корабля

Ссылки [ править ]

  1. ^ "ГИРД-09" . Энциклопедия Astronautix . Проверено 25 июня 2017 года .
  2. ^ "Обзор гибридной ракетной двигательной установки" . Space Propulsion Group, Inc.
  3. ^ "Краткая история гибридной ракетной техники" . Space Propulsion Group, Inc. Архивировано из оригинала 16 июля 2011 года . Проверено 15 октября 2010 года .
  4. ^ Б с д е е г ч я J к л м н Хамбл, Рональд; Гэри, Генри; Ларсон, Уайли (1995). Анализ и дизайн космической двигательной установки . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-031320-0.
  5. ^ Шеперд, Шеп (апрель 1954 г.). «С любителями - но серьезными - ракетчиками в пустыне Мохаве сейчас четвертое июля в году» . Популярная механика . Журналы Hearst. С. 81–85.
  6. ^ «Так начали LMR и HPR ...» Калифорнийский журнал Rocketry.
  7. ^ Галерея фотографий с первого успешного статического испытания SpaceShipOne с Кори Клайн из eAc и Бертом Рутаном из Scaled Composites (фото). Фотогалерея eAc. Корпорация экологической аэробики (eAc);см. также Burt Rutan , Scaled Composites , SpaceShipOne .
  8. ^ «Восковые гибриды» . Наука @ НАСА. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Архивировано из оригинального 23 мая 2009 года . Проверено 1 июня 2009 года .
  9. ^ a b «Гибридные ракетные двигатели используют аддитивное производство, чтобы объединить преимущества твердого и жидкого топлива» . Stratasys . Проверено 19 декабря 2016 года .
  10. ^ Уокер, Шон (2015). Гранулы гибридного ракетного топлива с высокой скоростью регрессии и спиральными портами . Аэрокосмическая техника (кандидатская диссертация). Логан, штат Юта: Университет штата Юта (USU). п. 40. Bibcode : 2016PhDT ......... 6W - через Digital Commons, Библиотека Меррилла-Казье, УрГУ.
  11. ^ a b Использование трехмерной печати полимерной матрицы, содержащей пылевидное топливо, в гибридной ракете, Джеймс Эванс Лайн, А. Бригам, Р. Савери, К. Карчер, Дж. Пайрон, Л. Адамс, Г. Рейган, Х. Фёрчс, Д. Сола, Л. Мелендес и К. Кек, AIAA Paper 2018-4597, Форум по вопросам движения и энергетики 2018 г., Цинциннати, Огайо.
  12. ^ a b Разработка порошковой матрицы ABS для использования в качестве топлива в гибридном ракетном двигателе, Тиг Аарант, Джаред Басс, Тимоти Гриззель, Сет Холладей, Мэтью Маквей, Уильям Путхофф, Ангус Шоу, Питер Тарл, Роберт Никель, Кэролайн Литтель и Джеймс Эванс Лайн, AIAA Paper 2019-4417, Форум по вопросам движения и энергетики 2019 г.
  13. ^ Bosker, Бьянка (30 ноября 2009). «Virgin Galactic SpaceShipTwo готовится к испытательным полетам в преддверии космического туризма» . HuffPost .
  14. ^ Dorneanu, Лукиан. «В результате взрыва космического корабля на испытательном полигоне в пустыне Мохаве погибли 2 человека» .
  15. ^ "SpaceShipTwo компании Virgin Galactic терпит крушение: 1 погиб, 1 ранен" . NBC News.
  16. ^ "CRR 457мм" . Архивировано из оригинала на 2 января 2014 года . Проверено 2 января 2014 года .
  17. ^ Термин "диаметр 18 самозапуска и заканчивая ПВТ-HTPB гибрид рядом с гарлока, CA (видео). 17 октября 2009 . Проверено 31 декабря 2013 года .
  18. ^ "Объявление о производстве" . Ракеты США.[ неудачная проверка ]
  19. ^ "Orbitec Vortex Hybrid Test, с фото" . Orbitec . Проверено 23 апреля 2016 года .
  20. ^ "Домашняя страница компании EAC" . Корпорация экологической аэробиологии . Проверено 4 октября 2017 года .
  21. ^ "Уровень 1" . Корпорация экологической аэробиологии.
  22. ^ "Rocket Crafters завершают испытания комет" . rocketcrafters.com (пресс-релиз). Ракетные мастера. 11 мая 2020.
  23. ^ "Разработка и испытания ускорителей HEAT, с фотографиями и видео" . Копенгагенские суборбитали. Архивировано из оригинала на 27 мая 2010 года . Проверено 3 июня 2010 года .
  24. ^ Чиа-нань, Лин. «Фирма взирает на небеса по мере развития космической отрасли» . Тайбэй Таймс . Особенность . Проверено 17 февраля 2020 года .
  25. ^ Brogan, Бет (21 июня 2019). «Аэрокосмическая компания Brunswick получает грант НАСА на разработку гибридного ракетного двигателя» . Bangor Daily News . Проверено 27 октября, 2020 .
  26. ↑ О'Брайен, Джейн (1 февраля 2021 г.). «Новаторская ракета на биотопливе может стать« Убер для космоса » » . BBC News . Проверено 3 февраля 2021 года .
  27. ^ "Плакат с ракетой" Сапсан " (PDF) . Стэндфордский Университет. 2008. Архивировано из оригинального (PDF) 27 февраля 2009 года.
  28. ^ "Плакат с ракетой" Сапсан " (PDF) . Стэндфордский Университет. 2012. Архивировано из оригинального (PDF) 13 апреля 2014 года.
  29. ^ Куигли, Ник; Лайн, Дж. Э. (ноябрь – декабрь 2014 г.). «Разработка трехмерного печатного сопла с жидкостным охлаждением для гибридной ракеты» . Журнал движения и мощности . doi : 10.2514 / 1.B35455 - через ResearchGate.
  30. ^ Putnam, Скотт Грейсон (2007). Исследование нетрадиционных биотоплив для гибридных ракетных двигателей . Аэрокосмическая техника (кандидатская диссертация). Университет Теннесси.
  31. ^ П. М. ван ден Берг, Ф. Баррейро, К. Л. Клоп, Д. А. ван Стридонк, С. Т. Келер, Разработка гибридного ракетного двигателя 25 кН для зондирующей ракеты Stratos III, 69-й Международный астронавтический конгресс (МАК), Бремен, Германия, 1–5 октября 2018 г.
  32. ^ Краткое изложение запуска Stratos III (Отчет). Делфт, Нидерланды: Технологический университет Делфта. Июль 2018 г.
  33. ^ "Raketentechnik" . warr.de . Архивировано из оригинала на 6 декабря 2011 года . Проверено 27 июня 2011 года .
  34. ^ "Ракетно-двигательная группа" . Бостон, Массачусетс: Бостонский университет.
  35. ^ "Звездный склеп" . Ракетно-двигательная группа. Бостонский университет. Архивировано из оригинала на 3 января 2015 года.
  36. ^ Первый гибридный ракетный двигатель Пакистана (видео) - через YouTube.
  37. ^ «Первая в истории Пакистана гибридная ракета, готовящаяся к запуску» . Экспресс Трибуна .
  38. ^ "ITU24" . Команда Pars Rocketry. Стамбульский технический университет.
  39. ^ "Гибридное топливо | T4i" . Космические технологии для инноваций.
  40. ^ "HEROS запускает" . hybrid-engine-development.de .
  41. ^ "ASTG Propulsion" . 27 февраля 2021 г.
  42. ^ «HyperTEK - Самый простой доступ из всех» . hypertekhybrids.com .
  43. ^ "RATTworks: Прецизионные гибридные и трибридные ракетные двигатели" . rattworks.net .
  44. ^ "Инверсионных Ракеты Hybrid Rocket Motors" . Contrailrockets.com .
  45. ^ "初 売 り で 流行 の ア イ テ ム を 入手 し よ う ｜ 人 気 の ゃ グ ッ ズ" . propulsionpolymers.com .
  46. ^ Конфедеративная ракета . discovery.com (видео). Разрушители легенд. 2005 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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. DOI : 10.1590 / S1678-58782010000400012 .

Внешние ссылки [ править ]

  • «Разработка и испытание гибридного ракетного двигателя 2 кН» . hybrid-engine-development.de (на немецком языке).
  • «Парафиновые гибридные звенья» . Государственное аэрокосмическое общество Портленда. Архивировано из оригинала на 1 сентября 2006 года.
  • «Гибридная ракета» . c-turbines.ch (частная веб-страница) (на немецком языке).