Ракетные двигатели с гибридным топливом: история и перспективы.

Введение

Ракетный двигатель, использующий как жидкое / газообразное, так и твердое топливо.

Гибридная ракета – это ракета с ракетным двигателем, использующим ракетное топливо в двух различных фазах: одна – твердая, другая – газообразная или жидкая. Концепция гибридной ракеты восходит к началу 1930-х годов. Гибридные ракеты позволяют избежать 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 тщательно смешать (из-за различного агрегатного состояния), гибридные ракеты, как правило, выходят из строя менее опасно, чем жидкостные или твердотопливные. Как и жидкостные ракетные двигатели, гибридные ракетные двигатели можно легко выключить и регулировать тягу. Теоретический удельный импульс гибридных двигателей обычно выше, чем у твердотопливных, и ниже, чем у жидкостных. Удельный импульс до 400 с был измерен в гибридной ракете с использованием металлизированного топлива. Гибридные системы сложнее, чем твердотопливные, но они позволяют избежать значительных опасностей, связанных с производством, транспортировкой и обращением с твердотопливными ракетными двигателями, благодаря раздельному хранению 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 руководил разработкой программы «Спутник-1» и программы «Луна», отвечал за первый запуск гибридной ракеты GIRD 9, 17 августа 1933 года, которая достигла высоты. В конце 1930-х годов аналогичные работы проводились в IG Farben в Германии и одновременно в Калифорнийском ракетном обществе в Соединенных Штатах. Леонид Андрусов, работая в Германии, разработал теорию гибридных ракет. О. Луц, В. Ноеггерат и Андрусов испытали гибридный ракетный двигатель, используя уголь и газообразный N2O в качестве топлива. Оберт также работал над гибридным ракетным двигателем, используя LOX в качестве окислителя и графит в качестве топлива. Высокая теплота сублимации углерода препятствовала эффективной работе этих ракетных двигателей, поскольку приводила к незначительной скорости сгорания. В 1940-х годах Калифорнийское тихоокеанское ракетное общество использовало LOX в сочетании с различными типами топлива, включая древесину, воск и резину. Наиболее успешными оказались испытания с резиновым топливом, которое до сих пор является доминирующим в использовании. В июне 1951 года ракета на LOX и резиновом топливе была запущена на высоту. В 1960-х годах европейские организации также начали работы по гибридным ракетам. ONERA (Франция) и Volvo Flygmotor (Швеция) разработали ракеты-зонды с использованием технологии гибридных ракетных двигателей. Группа ONERA сосредоточилась на гиперголическом ракетном двигателе, использующем азотную кислоту и аминное топливо, разработав ракету-зонд LEX. Было выполнено восемь запусков: один в апреле 1964 года, три в июне 1965 года и четыре в 1967 году. Максимальная высота, достигнутая в ходе этих запусков, составила более. Первые успешные гибридные испытания SpaceShipOne были проведены Kline и eAc в Мохаве, Калифорния. В 1994 году Военно-воздушная академия США запустила гибридную ракету-зонд на высоту. Ракета использовала HTPB и LOX в качестве топлива, достигла максимальной тяги и имела продолжительность тяги 16 секунд. По сравнению с жидкостными двигателями, дозаправка частично или полностью исчерпавшей гибридной ракеты представляет значительные трудности, поскольку твердое топливо нельзя просто перекачать в топливный бак. Это может быть проблемой или не быть ею, в зависимости от планируемого использования ракеты. В целом, разработка гибридных ракетных двигателей отстает от разработок жидкостных и твердотопливных двигателей, и вероятно, что некоторые из этих недостатков можно устранить за счет дальнейших инвестиций в исследования и разработки. Одна из проблем при проектировании больших гибридных орбитальных ракет заключается в необходимости использования турбонасосов для достижения высоких расходов и давления окислителя. Этот турбонасос должен приводиться в действие. В традиционной ракете с жидким топливом турбонасос использует то же топливо и окислитель, что и ракета, поскольку они оба находятся в жидком состоянии и могут подаваться в предкамеру сгорания. Однако в гибридной ракете топливо твердое и не может быть подано в двигатель турбонасоса. Некоторые гибридные ракеты используют окислитель, который также может использоваться в качестве монопропеллента, например, перекись водорода, что позволяет турбонасосу работать только на нем. Однако перекись водорода значительно менее эффективна, чем жидкий кислород, который нельзя использовать самостоятельно для работы турбонасоса. Потребуется дополнительное топливо, что потребует отдельного бака и снизит характеристики ракеты.

The first work on hybrid rockets was performed in the early 1930s at the Soviet Group for the Study of Reactive Motion. Mikhail Klavdievich Tikhonravov, who would later supervise the design of Sputnik I and the Luna programme, was responsible for the first hybrid propelled rocket launch, the GIRD 9, on 17 August 1933, which reached an altitude of In the late 1930s at IG Farben in Germany and concurrently at the California Rocket Society in the United States. Leonid Andrussow, working in Germany, theorized hybrid propellant rockets. O. Lutz, W. Noeggerath, and Andrussow tested a hybrid rocket motor using coal and gaseous N2O as the propellants. Oberth also worked on a hybrid rocket motor using LOX as the oxidizer and graphite as the fuel. The high heat of sublimation of carbon prevented these rocket motors from operating efficiently, as it resulted in a negligible burning rate. In the 1940s, the California Pacific Rocket Society used LOX in combination with several different fuel types, including wood, wax, and rubber. The most successful of these tests was with the rubber fuel, which is still the dominant fuel in use today. In June 1951, a LOX / rubber rocket was flown to an altitude of
In the 1960s, European organizations also began work on hybrid rockets. ONERA, based in France, and Volvo Flygmotor, based in Sweden, developed sounding rockets using hybrid rocket motor technology. The ONERA group focused on a hypergolic rocket motor, using nitric acid and an amine fuel, developing the LEX sounding rocket. The company flew eight rockets: Once in April 1964, three times in June 1965, and four times in 1967. The maximum altitude the flights achieved was over The first SpaceShipOne hybrid tests were successfully conducted by Kline and eAc at Mojave, CA. In 1994, the U. S. Air Force Academy flew a hybrid sounding rocket to an altitude of The rocket used HTPB and LOX for its propellant, and reached a peak thrust of and had a thrust duration of 16 seconds. Compared with liquid based propulsion, re fueling a partially or totally depleted hybrid rocket would present significant challenges, as the solid propellant cannot simply be pumped into a fuel tank. This may or may not be an issue, depending upon how the rocket is planned to be used. In general, much less development work has been completed with hybrids than liquids or solids and it is likely that some of these disadvantages could be rectified through further investment in research and development. One problem in designing large hybrid orbital rockets is that turbopumps become necessary to achieve high flow rates and pressurization of the oxidizer. This turbopump must be powered by something. In a traditional liquid propellant rocket, the turbopump uses the same fuel and oxidizer as the rocket, since they are both liquid and can be fed to the pre burner. But in a hybrid, the fuel is solid and cannot be fed to a turbopump's engine. Some hybrids use an oxidizer that can also be used as a monopropellant, such as hydrogen peroxide, and so a turbopump can run on it alone. However, hydrogen peroxide is significantly less efficient than liquid oxygen, which cannot be used alone to run a turbopump. Another fuel would be needed, requiring its own tank and decreasing rocket performance.

Общие варианты топлива

Обратная гибридная ракета, не очень распространенная конструкция, использует твердое окислительное вещество и жидкое топливо. В качестве жидкого топлива могут использоваться керосин, гидразин и LH2. Типичные гибридные ракетные двигатели работают на полимерах, таких как акрил, полиэтилен (PE), сшитая резина, например HTPB, или топливе, которое плавится, например, парафиновый воск. Плексиглас часто использовался в качестве топлива, поскольку процесс сгорания был виден через прозрачную камеру сгорания. В настоящее время наиболее популярным топливом для гибридных ракетных двигателей является синтетический каучук гидроксил-терминированного полибутадиена (HTPB) благодаря его энергетической эффективности и безопасности в обращении. Проводились испытания, в ходе которых HTPB пропитывали жидким кислородом, и он при этом не становился взрывоопасным. Эти виды топлива обычно менее плотные, чем в твердотопливных ракетных двигателях, поэтому их часто легируют алюминием для повышения плотности и, следовательно, характеристик ракеты.

Добавленное производство

В настоящее время аддитивное производство используется для создания микроструктур, которые иным образом было бы невозможно изготовить. Спиральные каналы продемонстрировали увеличение скорости выгорания топлива и повышение объемной эффективности. Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) является примером материала, используемого в качестве гибридного ракетного топлива. Напечатанный материал также обычно модифицируется добавками для повышения эффективности ракеты.

Обычные варианты окислителя

Обычные окислители включают газообразный или жидкий кислород, закись азота и перекись водорода. Для обратных гибридных двигателей используются окислители, такие как замороженный кислород и перхлорат аммония. Космический корабль Virgin Galactic SpaceShipTwo, следующий за коммерческим суборбитальным космическим самолетом, использует гибридный двигатель увеличенного размера. SpaceDev разрабатывала SpaceDev Streaker – небольшую ракету-носитель и SpaceDev Dream Chaser, способный выполнять суборбитальные и орбитальные пилотируемые полеты. И Streaker, и Dream Chaser используют гибридные ракетные двигатели, работающие на закиси азота и синтетическом каучуке HTPB. В 2009 году SpaceDev была приобретена корпорацией Sierra Nevada, став ее подразделением Space Systems, которое продолжает разрабатывать Dream Chaser по контракту NASA Commercial Crew Development. Sierra Nevada также разработала RocketMotorTwo – гибридный двигатель для SpaceShipTwo. 31 октября 2014 года, после потери SpaceShipTwo, первоначальные предположения указывали на взрыв его гибридного двигателя, который привел к гибели одного летчика-испытателя и серьезному ранению другого. Однако, данные расследования теперь указывают на то, что причиной аэродинамического разрушения аппарата стало преждевременное включение системы оперения SpaceShipTwo. U.S. Rockets производила и использовала гибридные двигатели, работающие на самопрессирующемся закиси азота (N2O) и полибутадиене, оканчивающемся гидроксильной группой (HTPB), а также на смеси высококонцентрированной перекиси водорода (HTP) и HTPB. Гибридные двигатели, разработанные U.S. Rockets, работающие на высококонцентрированной перекиси водорода (H2O2) 86% и (HTPB) с алюминием, обеспечивали удельный импульс (Isp) 240 на уровне моря, что значительно превышает типичные 180 для гибридов N2O/HTPB. Кроме того, они были самозапускающимися, перезапускаемыми и обладали значительно меньшей нестабильностью горения, что делало их подходящими для деликатных или пилотируемых миссий, таких как Bloodhound SSC, SpaceShipTwo или SpaceShipThree. Компания успешно испытала и внедрила как версии с подачей под давлением, так и версии с подачей насосом последнего типа HTP/HTPB. Поставленные образцы имели диаметр от 6 до 18 дюймов, а разработанные – до 54 дюймов. По заявлению поставщика, масштабируемость превышает 5 метров в диаметре, а скорость регрессии приближается к скорости горения твердого топлива, согласно материалам, распространенным на встрече Агентства передовых исследовательских проектов обороны (DARPA) в ноябре 2013 года для проекта XS 1. U.S. Rockets больше не производит крупномасштабные ракеты. Gilmour Space Technologies начала испытания гибридных ракетных двигателей в 2015 году, используя как N2O, так и HP с HDPE и смесями HDPE+воск. В испытаниях 2016 года был задействован двигатель HP/PE. Компания планирует использовать гибридные двигатели как для зондирующих, так и для орбитальных ракет. Orbital Technologies Corporation (Orbitec) участвовала в нескольких исследованиях, финансируемых правительством США, по гибридным ракетам, включая концепцию "Vortex Hybrid". Environmental Aeroscience Corporation (eAc) была основана в 1994 году для разработки гибридных ракетных двигателей. Она участвовала в конкурсе на разработку двигателя SpaceShipOne, но проиграла SpaceDev. Environmental Aeroscience Corporation по-прежнему поставляла SpaceDev детали для системы заполнения, вентиляции и слива окислителя. Rocket Lab ранее продавала гибридные зондирующие ракеты и сопутствующие технологии. Общество исследований реакций (RRS), хотя и известно в основном своей работой с жидкостными ракетными двигателями, имеет долгую историю исследований и разработок в области гибридных ракетных двигателей. Copenhagen Suborbitals, датская ракетная группа, разработала и провела испытания нескольких гибридных двигателей, сначала использующих N2O, а в настоящее время – LOX. В качестве топлива используется эпоксидная смола, парафиновый воск или полиуретан. Группа в конечном итоге отказалась от гибридных двигателей из-за нестабильности тяги и теперь использует двигатель, аналогичный двигателю ракеты V2. TiSPACE – тайваньская компания, разрабатывающая семейство ракет с гибридным топливом. bluShift Aerospace из Брансуика, штат Мэн, выиграла грант NASA SBIR в июне 2019 года на разработку модульного гибридного ракетного двигателя для своего запатентованного топлива биологического происхождения. После завершения гранта bluShift запустила свою первую зондирующую ракету с использованием этой технологии. Ожидается, что Vaya Space, базирующаяся в Кокоа, штат Флорида, запустит свою гибридную ракету Dauntless в 2023 году. Reaction Dynamics из Сен-Жан-сюр-Ришелье, Квебек, начала разработку гибридного ракетного двигателя в 2017 году, способного создавать тягу 21,6 кН. Их ракета Aurora будет использовать девять двигателей на первой ступени и один двигатель на второй ступени и сможет выводить полезную нагрузку весом 50–150 кг на НОО. В мае 2022 года Reaction Dynamics объявила о партнерстве с Maritime Launch Services для запуска ракеты Aurora с космодрома, находящегося в стадии строительства в Кансо, Новая Шотландия, начиная с суборбитальных тестовых полетов летом 2023 года с целью первого орбитального запуска в 2024 году. В 2017 году DeltaV Uzay Teknolojileri A.Ş. была основана Savunma Sanayi Teknolojileri A.Ş (SSTEK), государственной компанией Турции, для проведения исследований в области ракет с гибридным топливом. Генеральный директор компании, Ариф Карабейоглу, является бывшим консультантом-профессором Стенфордского университета в области ракетных двигателей и горения. Согласно веб-сайту компании, DeltaV достигла многих первых результатов в технологии ракет с гибридным топливом, включая первый запуск ракеты с двойным топливом парафин/LOX, самый высокий удельный импульс для ракеты с гибридным топливом, первую зондирующую ракету, достигшую высоты 100 км, первый проект орбитальной ракеты с гибридным топливом и первый орбитальный запуск ракеты с гибридным топливом.

Common oxidizers include gaseous or liquid oxygen, nitrous oxide, and hydrogen peroxide. For a reverse hybrid, oxidizers such as frozen oxygen and ammonium perchlorate are used. The Virgin Galactic SpaceShipTwo follow on commercial suborbital spaceplane uses a scaled up hybrid motor. SpaceDev was developing the SpaceDev Streaker, an expendable small launch vehicle, and SpaceDev Dream Chaser, capable of both suborbital and orbital human space flight. Both Streaker and Dream Chaser use hybrid rocket motors that burn nitrous oxide and the synthetic HTPB rubber. SpaceDev was acquired by Sierra Nevada Corporation in 2009, becoming its Space Systems division, which continues to develop Dream Chaser for NASA's Commercial Crew Development contract. Sierra Nevada also developed RocketMotorTwo, the hybrid engine for SpaceShipTwo. On October 31, 2014, when SpaceShipTwo was lost, initial speculation had suggested that its hybrid engine had in fact exploded and killed one test pilot and seriously injured the other. However, investigation data now indicates an early deployment of the SpaceShip Two feather system was the cause for aerodynamic breakup of the vehicle. U. S. Rockets manufactured and deployed hybrids using self pressurizing nitrous oxide (N2O) and hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB) as well as mixed High test peroxide (HTP) and HTPB. The High test peroxide (H2O2) 86% and (HTPB) and aluminum hybrids developed by U. S. Rockets produced a sea level delivered specific impulse (Isp) of 240, well above the typical 180 of N2O HTPB hybrids. In addition to that, they were self starting, restartable, had considerably lower combustion instability making them suitable for fragile or crewed missions such as Bloodhound SSC, SpaceShipTwo or SpaceShipThree. The company had successfully tested and deployed both pressure fed and pump fed versions of the latter HTP HTPB style. Deliverables to date have ranged from 6 inch to 18 inch diameter, and developed units up to 54 inch diameter. The vendor claimed scalability to over 5 meters diameter with regression rates approaching solids, according to literature distributed at the November 2013 Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) meeting for XS 1. U. S. Rockets is no longer manufacturing large scale rockets. Gilmour Space Technologies began testing Hybrid rocket engines in 2015 with both N2O and HP with HDPE and HDPE+wax blends. For 2016 testing includes a HP/PE engine. The company is planning to use hybrids for both sounding and orbital rockets. Orbital Technologies Corporation (Orbitec) has been involved in some U. S. government funded research on hybrid rockets including the "Vortex Hybrid" concept. Environmental Aeroscience Corporation (eAc) was incorporated in 1994 to develop hybrid rocket propulsion systems. It was included in the design competition for the SpaceShipOne motor but lost the contract to SpaceDev. Environmental Aeroscience Corporation still supplied parts to SpaceDev for the oxidizer fill, vent, and dump system. Rocket Lab formerly sold hybrid sounding rockets and related technology. The Reaction Research Society (RRS), although known primarily for their work with liquid rocket propulsion, has a long history of research and development with hybrid rocket propulsion. Copenhagen Suborbitals, a Danish rocket group, has designed and test fired several hybrids using N2O at first and currently LOX. Their fuel is epoxy, paraffin wax, or polyurethane. The group eventually moved away from hybrids because of thrust instabilities, and now uses a motor similar to that of the V 2 rocket. TiSPACE is a Taiwanese company which is developing a family of hybrid propellant rockets. bluShift Aerospace in Brunswick, Maine, won a NASA SBIR grant to develop a modular hybrid rocket engine for its proprietary bio derived fuel in June 2019. Having completed the grant bluShift has launched its first sounding rocket using the technology. Vaya Space based out of Cocoa, Florida, is expected to launch its hybrid fuel rocket Dauntless in 2023. Reaction Dynamics based out Saint Jean sur Richelieu, Quebec, began developing a hybrid rocket engine in 2017 capable of producing 21.6 kN of thrust. Their Aurora rocket will use nine engines on the first stage and one engine on the second stage and will be capable of delivering a payload of 50–150 kg to LEO. In May 2022, Reaction Dynamics announced they were partnering with Maritime Launch Services to launch the Aurora rocket from their launch site currently under construction in Canso, Nova Scotia, beginning with suborbital test flights in Summer, 2023 with a target of 2024 for the first orbital launch. In 2017 DeltaV Uzay Teknolojileri A.Ş. was founded by Savunma Sanayi Teknolojileri A.Ş (SSTEK), a state company of Turkiye, for hybrid propellant rocket research. The company CEO Arif Karabeyoglu is former Consulting Professor of Stanford University in the area of rocket propulsion and combustion. According to company web site DeltaV achived many firsts in hybrid propellant rocket technology including first paraffin/LOX dual fuel rocket launch, highest specific impulses for a hybrid propellant rocket, first sounding rocket to reach 100 km altittude, first orbital hybrid propellant rocket design, first orbital firing of hybrid propellant rocket.

Ракетные установки большой мощности

Существует ряд гибридных ракетных двигательных систем, доступных для любительского и хобби-использования в высокомощных ракетах-моделях. К ним относятся популярные системы HyperTek и ряд систем с клапанным управлением по схеме Urbanski Colburn (U/C), таких как RATTWorks, Contrail Rockets и Propulsion Polymers. Все эти системы используют оксид азота в качестве окислителя и пластиковое топливо (например, поливинилхлорид (PVC), полипропилен) или топливо на полимерной основе, такое как HTPB. Это снижает стоимость одного запуска по сравнению с твердотопливными ракетными двигателями, хотя для гибридных двигателей обычно требуется больше наземного оборудования.

В популярной культуре

26 октября 2005 года в эпизоде телешоу "Разрушители мифов" под названием "Конфедеративная ракета" был представлен гибридный ракетный двигатель, использующий жидкий закись азота и парафиновый воск. Утверждалось, что во время Гражданской войны в США армия Конфедерации смогла построить ракету подобного типа. Этот миф был повторно рассмотрен в более позднем эпизоде под названием "Ракета из салями", где в качестве твердого топлива использовались выдолбленные сухие колбасы салями. В эпизоде "Top Gear" от 18 февраля 2007 года Ричард Хаммонд и Джеймс Мэй использовали Reliant Robin в попытке модифицировать обычный Robin с регистрационным номером K в многоразовый космический шаттл. Стив Холланд, профессиональный пилот радиоуправляемых самолетов, помог Хаммонду разработать безопасный способ посадки Robin. Аппарат был построен старшими членами Объединенной ассоциации ракетостроения Великобритании (UKRA) и успешно стартовал, пролетел в воздухе несколько секунд и успешно сбросил твердотопливные ракетные ускорители вовремя. Это была самая большая ракета, запущенная негосударственной организацией в Европе. В ней использовалось 6 двигателей Contrail Rockets модели 40960 NS O, обеспечивающих максимальную тягу в 8 тонн. Однако автомобиль не отделился от большого внешнего топливного бака из-за неисправных взрывных болтов между Robin и внешним баком, и впоследствии Robin врезался в землю и, казалось, вскоре после этого взорвался. Этот взрыв был добавлен для драматического эффекта, поскольку ни Reliant Robin, ни гибридные ракетные двигатели не взрываются так, как это было показано.