Кіріспе

Сұйық / газды және қатты отынды пайдаланатын зымыран қозғалтқышы. Гибридтік зымыран – зымыран қозғалтқышы бар зымыран, ол екі түрлі фазадағы зымыран отынын пайдаланады: біреуі қатты, екіншісі газ немесе сұйық. Гибридтік зымыран тұжырымының тарихы 1930 жылдардың басына дейін жетеді. Гибридтік зымырандар қатты отынды зымырандардың отынды басқару сияқты кейбір кемшіліктерінен сақтайды, сонымен қатар сұйық зымырандардың механикалық күрделілігі сияқты кемшіліктерін де болдырмайды. Отын мен тотықтырғыштың тығыз араласуы қиын болғандықтан (олар материяның әртүрлі күйлері болғандықтан), гибридтік зымырандар сұйық немесе қатты отынды зымырандарға қарағанда қауіпсіз сәтсіздікке ұшырайды. Сұйық зымыран қозғалтқыштары сияқты, гибридтік зымыран қозғалтқыштарын оңай өшіруге болады және итергіш күшін реттеуге болады. Гибридтік зымырандардың теориялық импульстік көрсеткіші әдетте қатты қозғалтқыштардан жоғары, ал сұйық қозғалтқыштардан төмен. Металл отыны бар гибридтік зымыранда 400 секундқа дейін жоғары көрсеткіш өлшенген. Гибридтік жүйелер қатты жүйелерге қарағанда күрделірек, бірақ тотықтырғыш пен отынды бөлек сақтау арқылы қатты зымыран қозғалтқыштарын өндіру, тасымалдау және қолдану кезіндегі маңызды қауіптерден сақтайды.

Тарих

Гибридтік зымырандар бойынша алғашқы жұмыстар 1930 жылдардың басында КСРО-дағы реактивті қозғалысты зерттеу тобында жүргізілді. Кейіннен "Спутник-1" және "Луна" бағдарламасының жобалауын басқарған Михаил Клавдиевич Тихонравов 1933 жылдың 17 тамызында алғашқы гибридтік зымыранды – GIRD 9-ды ұшыруға жауапты болды. 1930 жылдардың соңында Германиядағы IG Farben және АҚШ-тағы Калифорниялық зымыран қоғамында да зерттеулер жүргізілді, зымыран 3000 метр биіктікке жетті. Германияда жұмыс істеген Леонид Андрусов гибридтік зымыран қозғалтқыштарының теориялық негізін жасады. О. Латц, В. Ноеггерат және Андрусов көмір мен газ тәрізді N2O-ны отын ретінде пайдалана отырып, гибридтік зымыран қозғалтқышын сынады. Сонымен қатар, Oberth LOX-ты окистендіргіш ретінде және графитті отын ретінде пайдаланатын гибридтік зымыран қозғалтқышымен жұмыс істеді. Көміртектің сублимациясының жоғары жылуы осы зымыран қозғалтқыштарының тиімді жұмыс істеуіне кедергі келтірді, себебі бұл күйдіру жылдамдығының өте төмен болуына әкелді. 1940 жылдары Калифорниялық Тынық мұхиты зымыран қоғамы LOX-ты ағаш, балауыз және резеңке сияқты әртүрлі отын түрлерімен бірге қолданды. Осы сынақтардың ең сәттісі резеңке отынымен жасалды, ол бүгінгі күнге дейін қолданылып келеді. 1951 жылдың маусымында LOX / резеңке зымыраны 60 метр биіктікке ұшырды. 1960 жылдары еуропалық ұйымдар да гибридтік зымырандарды жасау жұмыстарын бастады. Франциядағы ONERA және Швециядағы Volvo Flygmotor компаниялары гибридтік зымыран қозғалтқышы технологиясын қолдана отырып, зондтау зымырандарын жасады. ONERA тобы азот қышқылы мен амин отынын пайдаланатын гиперголдық зымыран қозғалтқышына, сондай-ақ LEX зондтау зымыранының әзірлеуіне баса назар аударды. Компания сегіз зымыран ұшырды: 1964 жылдың сәуірінде бір рет, 1965 жылдың маусымында үш рет және 1967 жылы төрт рет. SpaceShipOne гибридтік сынақтарын алғашқы рет Клайн мен eAc компаниясы Калифорнияның Мохаве қаласында сәтті өткізді. 1994 жылы АҚШ Әуе күштері академиясы гибридтік зондтау зымыранын ұшырды. Зымырандағы отын ретінде HTPB және LOX қолданылды, ол ең жоғары итеру күшіне ие болды және итеру күшінің ұзақтығы 16 секундты құрады. Сұйық отынға негіделген қозғалтқыштармен салыстырғанда, жартылай немесе толықтай тозығып қалған гибридтік зымыранды қайта отынмен толтыру қиындықтар тудырады, себебі қатты отынды отын резервуарына жай ғана құю мүмкін емес. Бұл ракетаның қалай пайдаланылатынына байланысты мәселе болуы мүмкін. Жалпы алғанда, гибридтік зымырандармен сұйық немесе қатты отынды зымырандарға қарағанда аз жұмыс жасалды және бұл кемшіліктердің кейбіреулерін ғылыми-зерттеу және дамуға қосымша инвестиция салу арқылы жоюға болады. Үлкен гибридтік орбиталық зымыранды жобалаудағы бір мәселе – турбонасостардың окистендіргіштің жоғары ағындылығын және қысымын қамтамасыз ету үшін қажет болуы. Бұл турбонасосқа қуат беру үшін бір нәрсе қажет. Дәстүрлі сұйық отынды зымыранда турбонасос зымырандағы отын мен окистендіргіштің өзін пайдаланады, себебі олар екеуі де сұйық және алдын ала жағушыға берілуі мүмкін. Бірақ гибридтік зымыранда отын қатты болады және оны турбонасосқа беруге болмайды. Кейбір гибридтік зымырандар сутек пероксиді сияқты моножелкіш ретінде де қолданылатын окистендіргішті пайдаланады, сондықтан турбонасос онымен ғана жұмыс істей алады. Алайда сутек пероксиді сұйық оттегіге қарағанда әлдеқайда тиімсіз, оны турбонасосты іске қосу үшін жалғыз өзі пайдалануға болмайды. Басқа отын қажет болады, ол өзінің жеке резервуарын және зымыранның өнімділігін төмендетеді.

Жалпы отын таңдау

Кері гибридтік зымыран, ол сирек кездесетін түрі, қозғалтқышы қатты тотықтырғыш және сұйық отынды пайдаланады. Сұйық отынға керосин, гидразин және LH2 сияқты нұсқалар жатады. Гибридтік зымыран қозғалтқыштары үшін акрил, полиэтилен (ПЭ), HTPB сияқты байланыстырылған резеңке немесе парафин сияқты балқытылатын отын сияқты полимерлер жиі қолданылады. Плексиглас бұрын көп қолданылған отын болды, себебі жанасу мөлдір жанасу камерасы арқылы көрінетін. Гидроксилдік полибутадиен (HTPB) синтетикалық резеңке қазіргі уақытта гибридтік зымыран қозғалтқыштары үшін ең танымал отын, өйткені оның энергиясы жоғары және қолдану қауіпсіздігі бар. Тәжірибелерде HTPB сұйық оттегіне батырылған күйінде де жарылғыш болмады. Бұл отындардың тығыздығы әдетте қатты ракеталық қозғалтқыштарға қарағанда төмен, сондықтан олардың тығыздығын және ракетаның тиімділігін арттыру үшін алюминий қосылады.

Қосымша өңдеу

Қазіргі уақытта аддитивті өндіріс әдісі басқа тәсілдермен жасау мүмкін емес дән құрылымдарын жасауға қолданылуда. Бұрыштық тетіктер отынның күю жылдамдығын арттырады, сонымен қатар көлемдік тиімділікті де арттырады. Гибридтік ракета отыны үшін қолданылатын материалдың мысалы – акрилонитрил-бутадиенстирол (ABS). Басылған материалдар ракетаның жұмысын жақсарту үшін әдетте қосымша заттармен күшейтіледі.

Жалпы тотықтырғыш таңдау

Жалпы тотықтырғыштарға газ тәрізді немесе сұйық оттегі, азот оксиді және сутек пероксиді жатады. Кері гибрид үшін тоңазытылған оттегі және аммоний перхлораты сияқты тотықтырғыштар қолданылады. Virgin Galactic SpaceShipTwo коммерциялық суборбитальды ғарыш кемесі кеңейтілген гибридті қозғалтқышты пайдаланады. SpaceDev, бір рет қолданылатын шағын ұшыру құралы SpaceDev Streaker және суборбитальдық және орбитальдық адаммен ұшуға қабілетті SpaceDev Dream Chaser-ді жасады. Streaker және Dream Chaser гибридтік зымыран қозғалтқыштарын пайдаланады, олар азот оксиді мен синтетикалық HTPB каучугін жасайды. 2009 жылы SpaceDev компаниясын Sierra Nevada Corporation сатып алды, ол Space Systems бөлімшесіне айналды және NASA-ның Коммерциялық Экипаж Дамыту шарты бойынша Dream Chaser-ді әзірлеуді жалғастырды. Sierra Nevada сондай-ақ SpaceShipTwo үшін RocketMotorTwo гибридті қозғалтқышын жасады. 2014 жылдың 31 қазанында SpaceShipTwo жоғалған кезде, бастапқы болжамдар оның гибридті қозғалтқышы жарылып, бір сынақ ұшқышын өлтіргенін және екіншісін ауыр жарақаттағанын көрсетті. Алайда, зерттеу деректері SpaceShip Two қауырсын жүйесінің ерте жұмыс істеуі көліктің аэродинамикалық бұзылуына себеп болғанын көрсетті. АҚШ-тың ракета жасаушылары өздігінен қысыммен азот оксидін (N2O) және гидроксилді полибутадиенді (HTPB), сондай-ақ аралас жоғары сынақ пероксидін (HTP) және HTPB қолдана отырып, гибридтерді жасады және орналастырды. U.S. Rockets компаниясы жасаған 86% жоғары сынақ пероксиді (H2O2) және (HTPB) және алюминий гибридтері теңіз деңгейінде 240-тың нақты импульсын (Isp) берді, бұл N2O HTPB гибридтерінің әдеттегі 180-інен жоғары. Олар өздігінен іске қосылатын, қайта іске қосылатын және жанатын тұрақсыздықтары төмен болды, сондықтан Bloodhound SSC, SpaceShipTwo немесе SpaceShipThree сияқты нәзік немесе экипаждық миссияларға жарамды болды. Компания соңғы HTP HTPB стилінің қысыммен және сорғымен берілетін нұсқаларын сәтті сынап, орнатты. Бүгінгі күнге дейін жеткізілген өнімдердің диаметрі 6 дюймнен 18 дюймге дейін, ал жасалған бірліктердің диаметрі 54 дюймге дейін жетті. Жабдықтаушы, 2013 жылдың қарашасында XS 1 үшін Қорғаныс жоғары ғылыми жобалар агенттігінің (DARPA) кездесуінде таратылған материалдарға сәйкес, қатты заттарға жақындаған регрессиялық жылдамдықтармен 5 метрден асатын диаметрге дейін кеңейтуге болады. U.S. Rockets енді ірі зымырандар жасауды тоқтатты. Gilmour Space Technologies 2015 жылы N2O және HP-мен HDPE және HDPE + вокс қоспаларымен гибридтік зымыран қозғалтқыштарын сынақтан өткізе бастады. 2016 жылғы сынақтар HP/PE қозғалтқышын қамтыды. Компания гибридтерді зондтау және орбиталық зымырандар үшін пайдалануды жоспарлап отыр. Orbital Technologies Corporation (Orbitec) гибридтік зымырандар бойынша АҚШ үкіметі қаржыландырған зерттеулерге, соның ішінде "Vortex Hybrid" тұжырымдамасына қатысты. Environmental Aeroscience Corporation (eAc) 1994 жылы гибридтік зымырандық қозғалтқыш жүйелерін жасау үшін құрылды. Ол SpaceShipOne моторының жобалау конкурсына қатысты, бірақ келісімшартты SpaceDev-ке жоғалтты. Environmental Aeroscience Corporation әлі де SpaceDev-ке тотықтырғыш толтыру, желдету және құю жүйесі үшін бөлшектермен қамтамасыз етті. Rocket Lab бұрын гибридтік зымырандық зымырандар мен оған байланысты технологияларды сатты. Реакциялық зерттеулер қоғамы (RRS) негізінен сұйық зымырандық қозғалтқыштармен жұмыс істегенімен танымал болса да, гибридтік зымырандық қозғалтқыштармен зерттеулер мен дамудың ұзақ тарихы бар. Copenhagen Suborbitals, Даниялық зымыран тобы, бастапқыда N2O және қазіргі LOX пайдалана отырып, бірнеше гибридтерді жобалап, сынақтан өткізді. Олардың отындық көзі эпоксид, парафин немесе полиуретан. Топ, ақыр соңында, қозғалтқыштың тұрақсыздығына байланысты гибридтерден алыстап кетті және қазір V 2 зымыранына ұқсас қозғалтқышты қолданады. TiSPACE - гибридтік отын зымырандарының отбасын дамытып жатқан тайваньдық компания. Брансуиктегі bluShift Aerospace компаниясы 2019 жылдың маусым айында биологиялық отын үшін модульді гибридтік зымыран қозғалтқышын жасау үшін NASA SBIR грантын жеңіп алды. Грант аяқталғаннан кейін bluShift технологияны пайдалана отырып, алғашқы зондтау зымыранын ұшырды. Флорида штатының Кокоа қаласында орналасқан Vaya Space 2023 жылы гибридті отын зымыранын Dauntless деп аталады. Квебек штатындағы Сен-Жан-сюр-Ришельедегі Reaction Dynamics компаниясы 2017 жылы 21,6 кН итермелеуге қабілетті гибридті зымыран қозғалтқышын әзірлеуді бастады. Олардың Aurora зымыраны бірінші сатыда тоғыз қозғалтқышты, екінші сатыда бір қозғалтқышты пайдаланады және LEO-ға 50–150 кг пайдалы жүк жіберуге қабілетті. 2022 жылдың мамырында Reaction Dynamics Maritime Launch Services компаниясымен Aurora зымыранын Canso, Nova Scotia-да салынып жатқан ұшыру алаңынан ұшыруға келісімшарт жасағанын хабарлады, 2023 жылдың жазында суборбитальдық сынақ ұшуларымен басталады, ал алғашқы орбиталық ұшыру 2024 жылға жоспарланған. 2017 жылы DeltaV Uzay Teknolojileri A.Ş. Turkiye мемлекеттік компаниясы Savunma Sanayi Teknolojileri A.Ş (SSTEK) гибридтік отын зымыран зерттеулері үшін құрылды. Компанияның бас директоры Ариф Карабейоглу бұрын Stanford University-нің ракеталық қозғалтқыштар және жану саласындағы кеңесші профессоры болған. Компанияның веб-сайтында DeltaV гибридтік отын зымыран технологиясында көптеген алғашқы жетістіктерге қол жеткізгені, соның ішінде алғашқы парафин/LOX екі отынды зымыран ұшыруы, гибридтік отын зымыраны үшін ең жоғары нақты импульс, 100 км биіктікке жеткен алғашқы зондтау зымыраны, алғашқы орбиталық гибридтік отын зымыран жобасы, гибридтік отын зымыранының алғашқы орбиталық сынағы жазылған.

Жоғары қуатты зымыран

Әуесқойлар/хоббистер үшін жоғары қуатты модельдік зымырандарда қолдануға болатын бірнеше гибридті зымыран қозғалтқышы жүйелері бар. Оларға танымал HyperTek жүйелері және RATTWorks, Contrail Rockets, Propulsion Polymers сияқты "Urbanski Colburn Valved" (U/C) жүйелері кіреді. Бұл жүйелердің бәрі тотықтырғыш ретінде азот оксидін және пластик отынды (мысалы, поливинилхлорид (PVC), полипропилен) немесе HTPB сияқты полимерлік отынды пайдаланады. Бұл, қатты зымыран қозғалтқыштарымен салыстырғанда, әрбір ұшу құнын төмендетеді, бірақ гибридтік жүйелерге көбірек жердегі техникалық қолдау жабдықтары қажет болады.

Танымал мәдениетте

2005 жылғы 26 қазанда MythBusters телешоуының "Конфедерациялық ракета" атты эпизодында сұйық азот оксиді мен парафинді пайдаланған гибридті ракеталық қозғалтқыш көрсетілді. Аңыз бойынша, Америка Азамат соғысы кезінде Конфедерация армиясы осындай типтегі ракета құрастыра алған. Бұл аңыз кейіннен "Салами ракетасы" деп аталған эпизодта қайта қарастырылды, онда қатты отын ретінде құрғақ салями қолданылды. 2007 жылғы 18 ақпанда Top Gear эпизодында Ричард Хаммонд пен Джеймс Мэй Reliant Robin көлігін қалыпты K тіркемелі Robin-ді қайта пайдалануға болатын ғарыш шаттлына айналдыруға тырысты. Кәсіби радиобасқарылатын ұшақтар ұшқышы Стив Холланд Хаммондқа Robin-ді қауіпсіз қондыру жолын анықтауға көмектесті. Кеме Ұлыбритания Зымыран қауымдастығының (UKRA) аға мүшелерімен жасалды және сәтті ұшырылды, бірнеше секунд бойы ауада ұшып, қатты отынмен жұмыс істейтін зымыран күштерін уақтылы бөліп шығарды. Бұл Еуропадағы үкіметтік емес ұйым ұшырған ең ірі зымыран болды. Ол Contrail Rockets компаниясының 6 × 40960 NS O моторларын пайдаланды, бұл 8 тоннаға дейін итеру күшін қамтамасыз етті. Дегенмен, Robin мен сыртқы жанармай багі арасындағы жарылғыш бұрандалардың істен шығуына байланысты көлік үлкен сыртқы жанармай багінен бөлінбеді, содан кейін Robin жерге құлап, жарылғандай болды. Бұл жарылыс драмалық эффект үшін қосылды, себебі Reliant Robin көліктері немесе гибридті ракеталық қозғалтқыштар бейнеленгендей жарылмайды.