Гибридная ракета — это ракета с ракетным двигателем , которая использует ракетное топливо в двух различных фазах: твердое и газообразное или жидкое . Концепция гибридной ракеты восходит к началу 1930-х годов.
Гибридные ракеты избегают некоторых недостатков твердотопливных ракет, таких как опасности обращения с топливом, а также избегают некоторых недостатков жидкостных ракет , таких как их механическая сложность. [1] Поскольку топливо и окислитель трудно смешивать в тесном контакте (так как они находятся в разных состояниях вещества), гибридные ракеты, как правило, выходят из строя более мягко, чем жидкости или твердые вещества. Как и жидкостные ракетные двигатели, гибридные ракетные двигатели можно легко выключить, а тягу можно дросселировать. Теоретическая удельная импульсная характеристика ( ) гибридов, как правило, выше, чем у твердотопливных двигателей, и ниже, чем у жидкостных двигателей. до 400 с была измерена в гибридной ракете с использованием металлизированного топлива. [2] Гибридные системы сложнее твердотопливных, но они избегают значительных опасностей производства, транспортировки и обращения с твердотопливными ракетными двигателями, храня окислитель и топливо отдельно.
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 проектированием Спутника-1 и программы «Луна» , был ответственным за первый запуск гибридной ракеты ГИРД-9 17 августа 1933 года, которая достигла высоты 400 метров (1300 футов). [3] [4] В конце 1930-х годов в IG Farben в Германии и одновременно в Калифорнийском ракетном обществе в США. Леонид Андруссов , работавший в Германии, теоретизировал гибридные ракеты на топливе. О. Лутц, В. Ноггерат и Андруссов испытали 10-килоньютонный (2200 фунтов силы) гибридный ракетный двигатель, используя уголь и газообразный 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, поскольку это приводило к незначительной скорости горения. [5]
В 1940-х годах Калифорнийское Тихоокеанское Ракетное Общество использовало LOX в сочетании с несколькими различными типами топлива, включая древесину, воск и резину. Наиболее успешным из этих испытаний было испытание с резиновым топливом, которое до сих пор является доминирующим топливом, используемым сегодня. В июне 1951 года ракета LOX / резина была запущена на высоту 9 километров (5,6 миль). [5]
Две основные попытки были предприняты в 1950-х годах. Одна из этих попыток была предпринята Г. Муром и К. Берманом из General Electric . Дуэт использовал 90% высокотемпературный пероксид (HTP или H 2 O 2 ) и полиэтилен (PE) в конструкции стержневого и трубчатого зерна. Они сделали несколько важных выводов из своей работы. Топливное зерно имело равномерное горение. Трещины в зерне не влияли на горение, как это происходит в твердотопливных ракетных двигателях. Не наблюдалось никаких жестких запусков (жесткий запуск — это скачок давления, наблюдаемый близко к моменту зажигания, что типично для жидкостных ракетных двигателей). Поверхность топлива действовала как держатель пламени, что способствовало стабильному горению. Окислитель можно было дросселировать одним клапаном, а высокое соотношение окислителя и топлива помогло упростить горение. Отрицательными наблюдениями были низкие скорости 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 твердый материал является топливом. В обратном гибридном ракетном двигателе окислитель является твердым. Уильям Эвери из Лаборатории прикладной физики использовал реактивное топливо и нитрат аммония , выбранные за их низкую стоимость. Его отношение O/F составило 0,035, что в 200 раз меньше отношения, использованного Муром и Берманом. [5]
В 1953 году Pacific Rocket Society (основано в 1943 году) разрабатывало XDF-23, гибридную ракету размером 10 на 183 см (4 дюйма × 72 дюйма), спроектированную Джимом Нудингом, с использованием жидкого кислорода и резинового полимера под названием « Thiokol ». Они уже пробовали другие виды топлива в предыдущих итерациях, включая хлопок, парафиновый воск и дерево. Само название XDF происходит от «experimental Douglas fir » (экспериментальная пихта Дугласа) одного из первых блоков. [6]
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 гибридного ракетного двигателя. Группа ONERA сосредоточилась на гипергольном ракетном двигателе, используя азотную кислоту и аминовое топливо, разработав зондирующую ракету LEX . [7] [8] [9] Компания запустила восемь ракет: один раз в апреле 1964 года, три раза в июне 1965 года и четыре раза в 1967 году. Максимальная высота, достигнутая полетами, составила более 100 километров (62 мили). [5] Группа Volvo Flygmotor также использовала гипергольную комбинацию топлива. Они также использовали азотную кислоту в качестве окислителя, но использовали Тагаформ (полибутадиен с ароматическим амином) в качестве топлива. Их полет состоялся в 1969 году, подняв полезную нагрузку весом 20 килограммов (44 фунта) на высоту 80 километров (50 миль). [5]
Тем временем в Соединенных Штатах United Technologies Center (Chemical Systems Division) и Beech Aircraft работали над сверхзвуковым целевым беспилотником, известным как Sandpiper. Он использовал MON -25 (смесь 25% NO , 75% N2O4 ) в качестве окислителя и полиметилметакрилат (PMM) и Mg в качестве топлива. Беспилотник совершил шесть полетов в 1968 году, в течение более 300 секунд и на высоте более 160 километров (100 миль). Вторая итерация ракеты, известная как HAST, имела IRFNA -PB/ PMM в качестве топлива и могла дросселироваться в диапазоне 10/1. HAST мог нести более тяжелую полезную нагрузку, чем Sandpiper. Другая итерация, которая использовала ту же комбинацию топлива, что и HAST, была разработана Chemical Systems Division и Teledyne Aircraft. Разработка этой программы закончилась в середине 1980-х годов. Отделение химических систем также работало над комбинацией пропеллентов лития и FLOx (смешанный F 2 и O 2 ). Это была эффективная гиперголическая ракета с возможностью дросселирования. Удельный импульс в вакууме составлял 380 секунд при эффективности сгорания 93%. [5]
American Rocket Company (AMROC) разработала самые большие гибридные ракеты, когда-либо созданные в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Первая версия их двигателя, запущенная в лаборатории ВВС Филлипса , производила 312 000 ньютонов (70 000 фунтов силы) тяги в течение 70 секунд с комбинацией топлива LOX и гидроксильного концевого полибутадиенового каучука (HTPB). Вторая версия двигателя, известная как H-250F, производила более 1 000 000 ньютонов (220 000 фунтов силы) тяги. [5]
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 в Westinghouse . [10] Первые испытания гибрида SpaceShipOne были успешно проведены Клайном и eAc в Мохаве, Калифорния. [11]
В 1994 году Академия ВВС США запустила гибридную зондирующую ракету на высоту 5 километров (3,1 мили). Ракета длиной 6,4 метра (21 фут) использовала в качестве топлива HTPB и LOX и достигла пиковой тяги в 4400 ньютонов (990 фунтов силы) и имела продолжительность тяги 16 секунд. [5]
В простейшем виде гибридная ракета состоит из сосуда под давлением (бака), содержащего жидкий окислитель , камеры сгорания , содержащей твердое топливо , и механического устройства, разделяющего их. Когда требуется тяга, в камеру сгорания вводится подходящий источник зажигания, а клапан открывается. Жидкий окислитель (или газ) поступает в камеру сгорания, где он испаряется, а затем реагирует с твердым топливом. Горение происходит в диффузионном пламени пограничного слоя, прилегающем к поверхности твердого топлива.
Обычно 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 гидроксильными концевыми группами (HTPB) или парафиновый воск, позволяет включать высокоэнергетические топливные добавки, такие как алюминий, литий или гидриды металлов .
Управляющее уравнение для сгорания гибридной ракеты показывает, что скорость регрессии зависит от скорости потока массы окислителя, что означает, что скорость, с которой топливо будет гореть, пропорциональна количеству окислителя, протекающего через порт. Это отличается от твердотопливного ракетного двигателя, в котором скорость регрессии пропорциональна давлению в камере двигателя. [5]
По мере сгорания двигателя увеличение диаметра топливного порта приводит к увеличению расхода топлива. Это явление заставляет соотношение окислителя и топлива (O/F) смещаться во время сгорания. Увеличенный расход топлива можно компенсировать, также увеличив расход окислителя. Помимо изменения O/F в зависимости от времени, оно также меняется в зависимости от положения вниз по топливному зерну. Чем ближе положение к верхней части топливного зерна, тем выше отношение O/F. Поскольку O/F изменяется вниз по порту, точка, называемая стехиометрической точкой, может существовать в некоторой точке вниз по зерну. [5]
Гибридные ракетные двигатели демонстрируют некоторые очевидные, а также некоторые скрытые преимущества по сравнению с жидкотопливными ракетами и твердотопливными ракетами . Краткое изложение некоторых из них приведено ниже:
Гибридные ракеты также имеют некоторые недостатки по сравнению с жидкостными и твердотопливными ракетами. К ним относятся:
В целом, с гибридами было проведено гораздо меньше опытно-конструкторских работ, чем с жидкостями или твердыми веществами, и вполне вероятно, что некоторые из этих недостатков можно будет устранить за счет дополнительных инвестиций в исследования и разработки .
Одной из проблем при проектировании больших гибридных орбитальных ракет является то, что турбонасосы становятся необходимыми для достижения высоких скоростей потока и давления окислителя. Этот турбонасос должен быть чем-то приведен в действие. В традиционной жидкостной ракете турбонасос использует то же топливо и окислитель, что и ракета, поскольку они оба жидкие и могут подаваться в предварительную камеру сгорания. Но в гибриде топливо твердое и не может подаваться в двигатель турбонасоса. Некоторые гибриды используют окислитель, который также может использоваться в качестве монотоплива , например, перекись водорода , и поэтому турбонасос может работать только на нем. Однако перекись водорода значительно менее эффективна, чем жидкий кислород , который не может использоваться отдельно для работы турбонасоса . Потребуется другое топливо, требующее собственного бака и снижающее производительность ракеты.
Обратно-гибридная ракета, которая встречается не очень часто, — это та, в которой двигатель использует твердый окислитель и жидкое топливо. Некоторые варианты жидкого топлива — керосин , гидразин и LH2 . Обычные виды топлива для типичного гибридного ракетного двигателя включают полимеры , такие как акрилы , полиэтилен (ПЭ), сшитый каучук , такой как HTPB , или сжиженное топливо, такое как парафиновый воск . Оргстекло было обычным топливом, так как 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 из-за того, насколько он безопасен в обращении. Были проведены испытания, в которых HTPB пропитывался жидким кислородом, и он все еще не становился взрывоопасным. Эти виды топлива, как правило, не такие плотные, как твердотопливные ракетные двигатели, поэтому их часто легируют алюминием для увеличения плотности и, следовательно, производительности ракеты. [5] : 404
Зерна гибридного ракетного топлива могут быть изготовлены с помощью литья, поскольку они обычно представляют собой пластик или резину. Сложная геометрия, которая обусловлена необходимостью более высоких скоростей потока топлива, делает литье топливных зерен для гибридных ракет дорогим и трудоемким процессом, отчасти из-за стоимости оборудования. В более крупных масштабах литые зерна должны поддерживаться внутренней перемычкой, чтобы большие куски топлива не ударяли и даже не блокировали сопло. Дефекты зерен также являются проблемой для более крупных зерен. Традиционные виды топлива, которые отливаются, представляют собой полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) и парафиновые воски. [13]
В настоящее время аддитивное производство используется для создания зернистых структур, которые в противном случае было бы невозможно изготовить. Было показано, что спиральные порты увеличивают скорость регрессии топлива, а также увеличивают объемную эффективность. [14] Примером материала, используемого для гибридного ракетного топлива, является акрилонитрилбутадиенстирол (АБС). Печатный материал также обычно улучшается добавками для улучшения характеристик ракеты. [13] Недавние исследования в Университете Теннесси в Ноксвилле показали, что из-за увеличенной площади поверхности использование порошкообразного топлива (например, графита, угля, алюминия), заключенного в 3D-печатную матрицу АБС , может значительно увеличить скорость сгорания топлива и уровень тяги по сравнению с традиционными полимерными зернами. [15] [16]
Обычные окислители включают газообразный или жидкий кислород , закись азота и перекись водорода . Для обратного гибрида используются окислители, такие как замороженный кислород и перхлорат аммония . [5] : 405–406
Правильное испарение окислителя важно для эффективной работы ракеты. Неправильное испарение может привести к очень большим различиям в скорости регрессии в головной части двигателя по сравнению с кормовой частью. Один из методов заключается в использовании генератора горячего газа для нагрева окислителя в камере предварительного сгорания. Другой метод заключается в использовании окислителя, который также может использоваться в качестве монотоплива. Хорошим примером является перекись водорода, которая может каталитически разлагаться над слоем серебра на горячий кислород и пар. Третий метод заключается в впрыскивании в поток топлива, которое является гиперголическим с окислителем. Часть окислителя будет разлагаться, нагревая остальную часть окислителя в потоке. [5] : 406–407
Как правило, хорошо спроектированные и тщательно сконструированные гибриды очень безопасны. Основные опасности, связанные с гибридами:
Поскольку топливо в гибриде не содержит окислителя, оно не будет само по себе взрывоопасно гореть. По этой причине гибриды классифицируются как не имеющие взрывной мощности эквивалента тротила . Напротив, твердотопливные ракеты часто имеют эквиваленты тротила, близкие по величине к массе порохового зерна. Ракеты на жидком топливе обычно имеют эквивалент тротила, рассчитанный на основе количества топлива и окислителя, которые могли бы реалистично тесно объединиться перед взрывным воспламенением; это часто принимается равным 10–20% от общей массы топлива. Для гибридов даже заполнение камеры сгорания окислителем до воспламенения обычно не приведет к взрыву с твердым топливом, взрывной эквивалент часто указывается как 0%.
В 1998 году SpaceDev приобрела всю интеллектуальную собственность, проекты и результаты испытаний, полученные в результате более 200 запусков гибридных ракетных двигателей American Rocket Company за восемь лет ее существования. SpaceShipOne , первый частный пилотируемый космический корабль, был оснащен гибридным ракетным двигателем SpaceDev, сжигающим HTPB с закисью азота . Однако закись азота была основным веществом, ответственным за взрыв, в результате которого погибли три человека при разработке преемника SpaceShipOne в Scaled Composites в 2007 году. [17] [18] Последующий коммерческий суборбитальный космоплан Virgin Galactic SpaceShipTwo использует увеличенный гибридный двигатель.
SpaceDev разрабатывала SpaceDev Streaker , одноразовую малую ракету-носитель, и SpaceDev Dream Chaser , способную 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 разрабатывать Dream Chaser по контракту NASA Commercial Crew Development . Sierra Nevada 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 и убил одного летчика-испытателя и серьезно ранил другого. Однако теперь данные расследования указывают на то, что раннее развертывание системы оперения SpaceShip-Two стало причиной аэродинамического разрушения корабля. [19]
US Rockets [20] изготовила и развернула гибриды, используя самонагнетающуюся закись азота (N 2 O) и полибутадиен с гидроксильным окончанием (HTPB), а также смешанный высокопрочный пероксид (HTP) и HTPB . Высокопрочный пероксид (H 2 O 2 ) 86% и (HTPB) и алюминиевые гибриды, разработанные US Rockets, производили удельный импульс на уровне моря (I sp ) 240, что значительно выше типичных 180 для гибридов N 2 O - HTPB . В дополнение к этому, они были самозапускающимися, перезапускаемыми, имели значительно более низкую нестабильность сгорания, что делало их подходящими для хрупких или пилотируемых миссий, таких как Bloodhound SSC, SpaceShipTwo или SpaceShipThree. Компания успешно испытала [21] и развернула как версии с подачей под давлением, так и версии с подачей насосом последнего стиля HTP - HTPB . На сегодняшний день диаметры поставляемых изделий варьировались от 15 до 46 сантиметров (от 6 до 18 дюймов), а разработанные блоки имели диаметр до 140 сантиметров (54 дюйма). Поставщик заявил о масштабируемости до более чем 5 метров (200 дюймов) в диаметре с показателями регрессии, приближающимися к твердым телам, согласно литературе, распространенной на встрече Агентства перспективных исследовательских проектов обороны (DARPA) в ноябре 2013 года для XS-1. US Rockets больше не производит крупномасштабные ракеты. [22] [ проверка не удалась ]
Gilmour Space Technologies начала испытания гибридных ракетных двигателей в 2015 году с использованием как N 2 O, так и HP с HDPE и HDPE + восковыми смесями. В 2016 году испытания включают 22 000 Н (5 000 фунтов силы) HP/ PE двигатель. Компания планирует использовать гибриды как для зондирующих , так и для орбитальных ракет.
Корпорация Orbital Technologies (Orbitec) принимала участие в некоторых финансируемых правительством США исследованиях гибридных ракет, включая концепцию «Vortex Hybrid». [23]
Корпорация Environmental Aeroscience Corporation (eAc) [24] была зарегистрирована в 1994 году для разработки гибридных ракетных двигательных установок. Она была включена в конкурс на проектирование двигателя SpaceShipOne, но проиграла контракт SpaceDev. Корпорация Environmental Aeroscience Corporation все еще поставляла детали SpaceDev для системы заполнения, вентиляции и сброса окислителя. [25]
Ранее компания Rocket Lab занималась продажей гибридных зондирующих ракет и связанных с ними технологий.
Общество исследований реакций (RRS), хотя и известно в первую очередь своими работами 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, сначала использовавших N 2 O, а в настоящее время LOX . Их топливом является эпоксидная смола, парафиновый воск или полиуретан . [26] В конечном итоге группа отошла от гибридов из-за нестабильности тяги и теперь использует двигатель, аналогичный двигателю ракеты V-2 .
TiSPACE — тайваньская компания, которая разрабатывает семейство гибридных ракет. [27]
Компания bluShift Aerospace в Брансуике, штат Мэн , выиграла грант NASA SBIR на разработку модульного гибридного ракетного двигателя для своего фирменного биотоплива в июне 2019 года. [28] Завершив грант, компания bluShift запустила свою первую зондирующую ракету с использованием этой технологии. [29]
Компания Vaya Space, базирующаяся в городе Коко, штат Флорида, как ожидается, запустит свою гибридную топливную ракету Dauntless в 2023 году. [30] [31]
Компания Reaction Dynamics, базирующаяся в Сен-Жан-сюр-Ришелье, Квебек, начала разработку гибридного ракетного двигателя в 2017 году, способного производить тягу 21,6 кН. Их ракета Aurora будет использовать девять двигателей на первой ступени и один двигатель на второй ступени и сможет доставлять полезную нагрузку массой 50–150 кг на НОО. [32] В мае 2022 года компания Reaction Dynamics объявила о партнерстве с Maritime Launch Services для запуска ракеты Aurora с их стартовой площадки, которая в настоящее время строится в Кансо, Новая Шотландия , начиная с суборбитальных испытательных полетов летом 2023 года с целью первого орбитального запуска в 2024 году. [33]
В 2017 году компания DeltaV Uzay Teknolojileri A.Ş. была основана государственной компанией Турции Savunma Sanayi Teknolojileri A.Ş. для исследования гибридных ракетных двигателей. Генеральный директор компании Ариф Карабейоглу — бывший профессор-консультант Стэнфордского университета в области ракетного движения и сгорания. Согласно веб-сайту компании, DeltaV добилась многих первых результатов в области гибридных ракетных двигателей, включая первый запуск двухтопливной ракеты на парафине/жидком кислороде, самые высокие удельные импульсы для гибридной ракеты, первую зондирующую ракету, достигшую высоты 100 км, первую орбитальную конструкцию гибридной ракеты, первый орбитальный запуск гибридной ракеты. [ требуется ссылка ]
Space Propulsion Group была основана в 1999 году Арифом Карабейоглу, Брайаном Кантвеллом и другими из Стэнфордского университета для разработки гибридных ракетных топлив с высокой скоростью регрессии. Они успешно запустили двигатели диаметром до 12,5 дюймов (32 см), которые выдают 13 000 фунтов силы (58 000 Н), используя эту технологию, и в настоящее время разрабатывают двигатель диаметром 24 дюйма (61 см), 25 000 фунтов силы (110 000 Н), который будет первоначально запущен в 2010 году. Стэнфордский университет является учреждением, где была разработана теория горения в жидком слое для гибридных ракет. Группа SPaSE в Стэнфорде в настоящее время работает с исследовательским центром NASA Ames, разрабатывая зондирующую ракету Peregrine , которая сможет достигать высоты 100 км. [34] Инженерные проблемы включают различные типы нестабильности горения. [35] 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 имени Маршалла и частной промышленностью. Эта работа включала интеграцию водоохлаждаемого калориметрического сопла, одного из первых 3D-печатных компонентов горячей секции, успешно использованных в ракетном двигателе. [36] Другие работы в университете были сосредоточены на использовании спирального впрыска окислителя, биопроизводного топлива [37] и порошкообразного топлива, заключенного в 3D-печатную матрицу ABS , включая успешный запуск работающего на угле гибрида на Кубке Америки в 2019 году в Космопорте. [15] [16]
В Делфтском технологическом университете студенческая команда Delft Aerospace Rocket Engineering (DARE) очень активна в проектировании и создании 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, использующим окислитель закиси азота и топливную смесь из парафина, сорбита и алюминиевого порошка. 26 июля 2018 года DARE попыталась запустить гибридную ракету Stratos III. Эта ракета использовала ту же комбинацию топлива/окислителя, что и ее предшественница, но с увеличенным импульсом около 360 кН. [38] На момент разработки это был самый мощный гибридный ракетный двигатель, когда-либо разработанный студенческой командой с точки зрения общего импульса. Аппарат Stratos III был потерян через 20 секунд полета. [39]
Флоридский технологический институт успешно испытал и оценил гибридные технологии в рамках своего проекта Panther. Студенческая команда WARR [40] в Мюнхенском техническом университете разрабатывает гибридные двигатели и ракеты с начала 1970-х годов. Используя кислоты , кислород или закись азота в сочетании с полиэтиленом или HTPB . Разработка включает в себя двигатели для испытательных стендов, а также версии для воздушного судна, 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 испытывают свои гибридные ракеты.
Студенческая группа «Rocket Propulsion Group» Бостонского университета [41] , которая в прошлом запускала только твердотопливные ракеты, пытается спроектировать и построить одноступенчатую гибридную ракету-зонд для запуска в суборбитальное пространство к июлю 2015 года. [42]
В 1995 году Университет имени Бригама Янга (BYU), Университет штата Юта и Университет штата Юта запустили разработанную студентами ракету Unity IV, в которой использовалось твердое топливо — полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) — с окислителем из газообразного кислорода , а в 2003 году была запущена более крупная версия, в которой HTPB сжигался с закисью азота .
Команда по гибридным ракетам Университета Бразилиа (UnB) начала свою деятельность в 1999 году на факультете технологий, став пионером в Южном полушарии, занимающимся гибридными ракетами. Со временем команда достигла заметных успехов, включая создание различных зондирующих ракет и гибридных ракетных двигателей. В настоящее время команда известна как Лаборатория химического движения (CPL) и находится в кампусе UnB Gama. CPL добилась значительных успехов в продвижении критических технологий гибридных двигателей. Сюда входит разработка модульного гибридного ракетного двигателя 1 кН для платформы SARA, инновационной системы зажигания метан-кислородной газовой горелки, эффективной системы подачи окислителя, прецизионных клапанов управления потоком и механизмов управления вектором тяги, адаптированных для гибридных двигателей. Кроме того, они достигли прорыва с помощью 3D-печатного гибридного ракетного двигателя с активным охлаждением. Кроме того, лаборатория активно занимается различными направлениями исследований и разработок, текущие проекты охватывают разработку гибридных топлив для двигателей с использованием парафина и N2O, численное моделирование, методы оптимизации и проектирование ракет. CPL широко сотрудничает с государственными учреждениями, частными инвесторами и другими образовательными учреждениями, включая FAPDF, FAPESP, CNPq и AEB. Заметное совместное усилие включает Capital Rocket Team (CRT), группу студентов из UnB, которые в настоящее время сотрудничают с CPL для разработки гибридных зондирующих ракет. В замечательном достижении CRT занял первое место в Latin American Space Challenge (LASC) 2022 года.
Студенческий проект "Rocket Project at UCLA" Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе запускает гибридные ракеты с использованием закиси азота в качестве окислителя и HTPB в качестве топлива. В настоящее время они находятся в процессе разработки своего пятого студенческого гибридного ракетного двигателя. [43]
Студенческая команда University of Toronto Aerospace Team из Университета Торонто проектирует и строит 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 полета любительских ракет с помощью своей новой ракеты Defiance MKIII, которая в настоящее время проходит строгие испытания. Двигатель Defiance MK III, QUASAR, представляет собой гибридный двигатель на основе азота и парафина , способный выдавать тягу 7 кН в течение 9 секунд. [ требуется ссылка ]
В 2016 году в Университете DHA Suffa в Пакистане успешно разработаны [44] гибридные ракетные двигатели Raheel-1 в классе 1 кН с использованием парафина и жидкого кислорода , что стало первой в стране университетской программой ракетных исследований. [45] В Индии , в Технологическом институте Бирлы, на кафедре космической инженерии и ракетной техники Месры работают над гибридными проектами с использованием различных видов топлива и окислителей.
Группа Pars Rocketry из Стамбульского технического университета спроектировала и построила первый гибридный ракетный двигатель Турции , который прошел всесторонние испытания в мае 2015 года. [46]
Команда из Великобритании (laffin-gas) использует четыре гибридных ракеты N 2 O в автомобиле в стиле дрэг-рейсинга. Каждая ракета имеет внешний диаметр 150 мм и длину 1,4 м. Они используют топливное зерно из высокоплотной намотанной бумаги, пропитанной растительным маслом. Подача N 2 O обеспечивается поршневыми аккумуляторами под давлением азота, которые обеспечивают более высокую скорость подачи, чем газ N 2 O в одиночку, а также обеспечивают гашение любого обратного удара. [ необходима цитата ]
В Италии одним из ведущих центров по исследованию гибридных ракетных топлив является CISAS (Центр исследований и деятельности в области космоса) "G. Colombo", Университет Падуи . Деятельность охватывает все этапы разработки: от теоретического анализа процесса сгорания до численного моделирования с использованием кодов CFD, а затем путем проведения наземных испытаний малогабаритных и крупногабаритных ракет (до 20 кН, двигатели на основе N 2 O - парафина ). Один из этих двигателей успешно полетел в 2009 году. С 2014 года исследовательская группа сосредоточена на использовании высокотемпературного пероксида в качестве окислителя в партнерстве с "Technology for Propulsion and Innovation", спин-офф компанией Университета Падуи. [47]
На Тайване разработки гибридных ракетных систем начались в 2009 году в рамках научно-исследовательских проектов NSPO с двумя университетскими командами. Обе команды использовали систему закиси азота / HTPB с различными схемами усовершенствования. Несколько гибридных ракет были успешно запущены командами NCKU и NCTU до сих пор, достигнув высоты 10–20 км. В их планы входит попытка запуска на высоту 100–200 км для испытания наноспутников и разработка возможностей орбитального запуска наноспутников в долгосрочной перспективе. Испытание гибридного двигателя с двойным вихревым потоком (DVF) субмасштаба N 2 O / PE с горячим огнем в 2014 году дало средний Isp 280 сек, что указывает на то, что система достигла около 97% эффективности сгорания. [ необходима цитата ]
В (Германия) студенческая команда HyEnd из Штутгартского университета является действующим мировым рекордсменом по высоте полета гибридной ракеты, созданной студентами, с помощью ракет HEROS. [48]
В Бангладеш , Центр любительского экспериментального ракетостроения в Дакке при поддержке Американского международного университета в Бангладеш также испытал первый в стране гибридный ракетный двигатель и в настоящее время работает над более крупными прототипами на основе парафина/закиси азота. [49]
Аэрокосмическая группа Технического университета Граца , Австрия, также разрабатывает ракету на гибридном топливе. [50]
Польская студенческая команда PWr in Space во Вроцлавском университете науки и технологий разработала три гибридные ракеты: R2 «Setka», R3 «Dziewięćdziesiątka dziewiątka» и самую мощную из всех — R4 «Lynx», успешно проведя испытания на своем испытательном стенде [51]
Во многих других университетах, таких как Университет аэронавтики Эмбри-Риддла , Вашингтонский университет , Университет Пердью , Мичиганский университет в Энн-Арборе, Арканзасский университет в Литл-Роке , колледж Хендрикса , Иллинойсский университет , Портлендский государственный университет , Университет Квазулу-Натал , Техасский университет A&M , Орхусский университет , Университет Райса и Научно-технический университет AGH , есть испытательные стенды для гибридных двигателей, которые позволяют студентам проводить исследования с гибридными ракетами. [ требуется ссылка ]
Существует ряд гибридных систем ракетных двигателей, доступных для использования любителями/любителями в ракетном моделировании высокой мощности. К ним относятся популярные системы HyperTek [52] и ряд систем «Urbanski-Colburn Valved» (U/C), таких как RATTWorks [53] , Contrail Rockets [54] и Propulsion Polymers. [55] 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 для гибридов обычно требуется больше наземного вспомогательного оборудования.
В эпизоде телешоу MythBusters от 26 октября 2005 года под названием « Конфедеративная ракета » [56] был показан гибридный ракетный двигатель, использующий жидкую закись азота и парафиновый воск . Миф утверждал, что во время Гражданской войны в США армия Конфедерации смогла построить ракету этого типа. Миф был пересмотрен в более позднем эпизоде под названием «Саляминая ракета» , где в качестве твердого топлива использовалась выдолбленная сухая салями .
В выпуске Top Gear от 18 февраля 2007 года Ричард Хаммонд и Джеймс Мэй использовали Reliant Robin в попытке модифицировать обычный K-reg Robin в многоразовый космический челнок . Стив Холланд, профессиональный пилот радиоуправляемого самолета , помог Хаммонду разобраться, как безопасно посадить Robin. Аппарат был построен старшими членами Ассоциации ракетостроения Соединенного Королевства (UKRA) и успешно запустился, пролетев несколько секунд в воздухе и сумев вовремя успешно сбросить твердотопливные ракетные ускорители. Это была самая большая ракета, запущенная неправительственной организацией в Европе. Она использовала 6 двигателей × 40960 NS O от Contrail Rockets, обеспечивающих максимальную тягу 8 тонн. Однако автомобиль не смог отделиться от большого внешнего топливного бака из-за неисправных разрывных болтов между Robin и внешним баком, и Robin впоследствии врезался в землю и, казалось, вскоре взорвался. Этот взрыв был добавлен для драматического эффекта, поскольку ни Reliant Robins, ни гибридные ракетные двигатели не взрываются так, как показано.
