参考:维基百科

 

两种型式的混合火箭发动机细节

混合推进剂火箭是带有两个不同物态推进剂的发动机,两态推进剂:一个是固体,另一个是气体或液体。混合火箭的概念可以追溯到20世纪30年代初。

混合火箭避免了固体火箭的一些缺点,如推进剂处理危险,同时也避免了液体火箭一些缺点,如它们的机械复杂性。[1]由于燃料和氧化剂很难紧密混合(是物质的不同状态),混合火箭往往比液体或固体更缓慢地失效。像液体火箭发动机一样,混合动力火箭发动机可以很容易地关闭,推力是可调节的。理论比冲 \({I}_{sp}\)混合发动机的性能通常高于固体发动机,低于液体发动机。\({I}_{sp}\)在使用金属化燃料的混合火箭中测量高达400秒。[2]混合动力系统比固体系统更复杂,但它们通过分别储存氧化剂和燃料来避免制造,运输和处理固体火箭发动机的重大危险。

石蜡基燃料对几种氧化剂的真空比冲与混合比的对比曲线

1.发展历史

混合火箭的第一项工作是在20世纪30年代初,在苏联反应运动研究小组进行的。米哈伊尔·克拉夫季耶维奇·吉洪拉沃夫(Mikhail Tikhonravov)后来负责监督人造卫星一号和月球计划的设计,负责1933年8月17日的第一次混合推进火箭发射,GIRD-9,该火箭达到了400米(1,300英尺)的高度。[3][4]1930年代末,在德国的IG Farben工作,同时在美国的加州火箭协会工作。列昂尼德·安德鲁索(Leonid Andrussow)夫在德国工作,理论化了混合推进剂火箭。O.卢茨,W.诺格拉斯和安德鲁索使用煤和气态N 2O作为推进剂测试了10kN(2200磅力)混合火箭发动机。Oberth还研究了一种混合火箭发动机,使用LOX作为氧化剂,石墨作为燃料。碳升华的高热量使这些火箭发动机无法有效运行,因为它导致燃烧速率太低。[注5]

AMROC于1994年在斯坦尼斯航天中心测试了10,000磅力(4.4吨)推力的混合火箭发动机。

在20世纪40年代,加州太平洋火箭协会将LOX与几种不同的燃料类型(包括木材,蜡和橡胶)结合使用。这些测试中最成功的是橡胶燃料,它仍然是今天使用的主要燃料。1951年6月,一枚LOX /橡胶火箭被发射到9公里(5.6英里)的高度。[注5]

20世纪50年代进行了两项重大努力。其中一项努力是通用电气的G.摩尔和K.伯曼。两人在棒型和管状装药设计中使用了90%高的测试过氧化物(HTP,或H2O2)和聚乙烯(PE)。从他们的工作中得出了几个重要结论。装药燃料均匀燃烧。装药裂纹不会影响燃烧,就像固体火箭发动机一样。没有观察到硬启动(硬启动是在点火时间附近看到的压力峰值,典型的液体火箭发动机)。燃料表面起到火焰保持器的作用,促进稳定燃烧。氧化剂可以用一个阀门节流,高氧化剂与燃料比有助于简化燃烧。缺点是燃速低,安全上,过氧化物的热不稳定性是有问题的。20世纪50年代发生的另一项努力是开发反向杂交种。在标准的混合动力火箭发动机中,固体材料是燃料。在反向混合火箭发动机中,氧化剂是固体。应用物理实验室的威廉·艾弗里使用喷气燃料和硝酸铵,因其低成本而被选中。他的O /F比率为0.035,比摩尔和伯曼使用的比率小200倍。[注5]

1953年,太平洋火箭协会(1943年成立)正在开发XDF-23,这是一种4英寸(10厘米)×72英寸(180厘米)的混合火箭,由Jim Nuding设计,使用LOX和橡胶聚合物称为“Thiokol”。他们在之前的迭代中已经尝试了其他燃料,包括棉花,石蜡和木材。XDF这个名字本身来自第一批单位之一的“实验性道格拉斯冷杉”。[注6]

在20世纪60年代,欧洲组织也开始研究混合火箭。总部位于法国的ONERA和总部位于瑞典的沃尔沃飞发动机公司使用混合动力火箭发动机技术开发了探空火箭。ONERA小组专注于使用硝酸和胺燃料的高聚糖火箭发动机。该公司飞行了八枚火箭:一次在1964年4月,三次在1965年6月,四次在1967年。飞行达到的最大高度超过100公里(62英里)。[5]沃尔沃飞发动机组也使用了高利气推进剂组合。他们还使用硝酸作为氧化剂,但使用他加形(带有芳香胺的聚丁二烯)作为燃料。他们的飞行是在1969年,将20公斤(44磅)的有效载荷放高到80公里(50英里)。[注5]

与此同时,在美国,联合技术中心(化学系统部门)和山毛榉飞机公司正在研究一种超音速目标无人机,称为鹬。它使用MON-25(混合25%NO,75%N2O4)作为氧化剂,聚甲基丙烯酸甲酯(PMM)和Mg作为燃料。这架无人机在1968年飞行了六次,飞行时间超过300秒,高度超过160公里(99英里)。火箭的第二次迭代,称为HAST,其推进剂具有IRFNA-PB / PMM,并且可以在10/1范围内节流。HAST可以携带比鹬更重的有效载荷。另一个迭代使用与HAST相同的推进剂组合,由化学系统部门和Teledyne飞机公司开发。该计划的开发在1980年代中期结束。化学系统部门还致力于锂和FLOx(混合F2和O2)的推进剂组合。这是一种高效的超高利火箭,可以节流。真空比冲为380秒,燃烧效率为93%。[注5]

美国火箭公司(AMROC)在1980年代末和1990年代初开发了有史以来最大的混合动力火箭。他们的发动机的第一个版本在空军菲利普斯实验室发射,用LOX和端羟基聚丁二烯(HTPB)橡胶的推进剂组合,在70秒内产生312,000牛顿(70,000磅力)的推力。第二个版本的发动机,称为H-250F,产生了超过1,000,000N(220,000磅力)的推力。[注5]

环境航空科学公司(eAc)的Kory Kline于1982年在加利福尼亚州卢塞恩干湖首次发射气态氧和橡胶混合物,此前与比尔伍德(以前与西屋电气公司)讨论了该技术。[7]第一次宇宙飞船一号混合动力测试由克莱恩和eAc在加利福尼亚州莫哈韦成功进行[8]。

1994年,美国空军学院将一枚混合探空火箭发射到5公里(3.1英里)的高度。这枚6.4米(21英尺)的火箭使用HTPB和LOX作为其推进剂,并达到4,400N(990磅力)的峰值推力,推力持续时间为16秒。[注5]

2.基本概念

在最简单的形式中,混合火箭由包含液体氧化剂的压力容器(罐),包含固体推进剂的燃烧室以及将两者分开的机械装置组成。当需要推力时,在燃烧室中引入合适的点火源并打开阀门。液体氧化剂(或气体)流入燃烧室,在那里它被汽化,然后与固体推进剂反应。燃烧发生在与固体推进剂表面相邻的边界层扩散火焰中。
 
通常,液体推进剂是氧化剂,固体推进剂是燃料,因为固体氧化剂非常危险,性能低于液体氧化剂。此外,使用固体燃料,如羟基封端聚丁二烯(HTPB)或石蜡,可以掺入高能燃料添加剂,如铝,锂或金属氢化物。

3.燃烧

混合火箭燃烧的控制方程表明,燃速取决于氧化剂质量通量速率,这意味着燃料燃烧速率与流过端口的氧化剂量成正比。这与固体火箭发动机不同,其中推移速率与发动机的腔室压力成正比。[注5]

\({\dot {r}}={a}_{o}{{G}_{o}}^{n}\)

这里\({\dot {r}}\)是推移速率,ao 是推移速率系数(包括装药长度),Go 是氧化剂质量通量速率,n 是推移速率指数。[注5]

当发动机燃烧时,燃料口直径的增加导致燃料质量流量增加。这种现象使氧化剂与燃料比(O / F)在燃烧过程中发生变化。增加的燃料质量流量可以通过增加氧化剂质量流量来补偿。除了O / F随时间变化外,它还根据燃料装药的位置而变化。位置越靠近燃料装药的顶部,O/F 比就越高。由于O / F在端口下方变化,因此在装药下方的某个点上可能存在一个称为化学计量点的点。[注5]

4.属性

混合动力火箭发动机与液体燃料火箭和固体燃料火箭相比,表现出一些明显和微妙的优势。下面简要概述了其中一些内容:

4.1与液体火箭相比的优势

  1. 结构更简单 – 只需要一种液体推进剂,从而减少管道,减少阀门,简化操作。
  2. 密度更高的燃料 – 固相中的燃料通常比液相中的燃料具有更高的密度,从而减少了整体系统体积。
  3. 金属添加剂 – 活性金属,如铝、镁、锂或铍,可以很容易地包含在燃料装药中,增加比冲 \({I}_{sp}\)、密度或两者兼而有之。
  4. 燃烧不稳定性 – 混合动力火箭通常不会表现出高频燃烧不稳定性,由于固体燃料装药会破坏声波,否则声波会反射到开放的液体发动机燃烧室中,从而困扰液体火箭。
  5. 推进剂加压 – 液体火箭系统中最难设计的部分之一是涡轮泵。涡轮泵的设计非常复杂,因为它必须在非常高的体积流速(通常是低温)和高挥发性化学品下精确有效地泵送并保持两种不同性质的流体的分离,同时燃烧这些相同的流体以为自己供电。混合动力发动机的移动流体要少得多,并且通常可以通过排气系统(在液体火箭中会非常重)或自加压氧化剂(如N2O)加压。
  6. 冷却 – 液体火箭通常依赖于其中一种推进剂(通常是燃料)来冷却燃烧室和喷嘴,因为热通量非常高,并且金属壁容易受到氧化和应力开裂的影响。混合火箭具有燃烧室,其中固体推进剂衬层,可保护其免受产品气体的影响。它们的喷嘴通常是石墨或涂有烧蚀材料,类似于固体火箭发动机。液体冷却流的设计、构造和测试非常复杂,使系统更容易出现故障。

4.2与固体火箭相比的优势

  1. 高等理论比冲
    \({I}_{sp}\)

    由于已知的固体氧化剂与常用的液体氧化剂相比的局限性,可能是可能的。

  2. 爆炸危险更小 – 推进剂装药对裂纹等加工误差的容忍度更高,因为燃烧速率取决于氧化剂质量通量速率。推进剂装药不能被杂散点火药点燃,并且由于热量而对自燃非常不敏感。混合动力火箭发动机可以运输到发射场,氧化剂和燃料分开存放,提高了安全性。
  3. 更少的处理和储存问题 – 固体火箭中的成分通常在化学和热方面不相容。温度的反复变化会导致装药变形。抗氧化剂和涂层用于防止装药分解或分解。
  4. 更可控 – 停止/重新启动和流动都可以轻松集成到大多数设计中。固体火箭很少能轻易关闭,几乎从不具备节流或重启能力。

4.3混合火箭的缺点

与液体和固体火箭相比,混合火箭也表现出一些缺点。这些包括:

  • 氧化剂与燃料比偏移(“O/F 偏移”) – 在氧化剂流速恒定的情况下,燃料生产率与氧化剂流速的比率将随着装药的推移而变化。从化学性能的角度来看,这导致了非高峰操作。但是,对于设计良好的混合动力发动机,O/F 偏移对性能的影响非常小,因为\({I}_{sp}\)对峰值附近的 O/F 偏移不敏感。
  • 较差的推移特性通常驱动多端口燃料装药。多端口燃料装药的体积效率差,而且往往存在结构缺陷。20世纪90年代后期开发的高推移率液化燃料为这个问题提供了一个潜在的解决方案。[注9]
  • 与液基推进相比,为部分或完全耗尽的混合动力火箭加油将带来重大挑战,因为固体推进剂不能简单地泵入燃料箱。这可能是也可能不是问题,这取决于火箭的计划使用方式。

一般而言,与液体或固体相比,混合发动机完成的开发工作要少得多,并且很可能通过进一步投资研发来纠正其中一些缺点。

设计大型混合轨道火箭的一个问题是涡轮泵成为实现氧化剂的高流速和加压所必需的。这个涡轮泵必须由某种东西提供动力。在传统的液体推进剂火箭中,涡轮泵使用与火箭相同的燃料和氧化剂,因为它们都是液体,可以送入预燃烧器。但在混合动力发动机中,燃料是固体,不能喂给涡轮泵的发动机。一些混合动力发动机使用氧化剂,也可以用作单推进剂,例如硝基甲烷或过氧化氢,因此涡轮泵可以单独在其上运行。但硝基甲烷和过氧化氢的效率明显低于液氧,液氧不能单独用于运行涡轮泵。需要另一种燃料,需要自己的油箱并降低火箭性能。

5.燃料

5.1常见燃料选择

反向混合动力火箭不是很常见,是发动机使用固体氧化剂和液体燃料的火箭。一些液体燃料选择是煤油,肼和LH2。典型混合动力火箭发动机的常见燃料包括丙烯酸树脂、聚乙烯(PE)、交联橡胶(如HTPB)等聚合物或液化燃料(如石蜡)。有机玻璃是一种常见的燃料,因为燃烧可以通过透明的燃烧室看到。端羟基聚丁二烯(HTPB)合成橡胶是目前混合动力火箭发动机最受欢迎的燃料,因为它的能量和处理的安全性。已经进行了HTPB浸泡在液氧中的测试,并且它仍然没有爆炸。这些燃料通常不像固体火箭发动机那样密度,因此它们通常掺杂铝以增加密度,从而增加火箭性能。[5]: 404

5.2装药制造方法

5.2.1浇注造

混合火箭燃料装药可以通过浇注技术制造,因为它们通常是塑料或橡胶。由于需要更高的燃料质量流速,复杂的几何形状使得为混合火箭铸造燃料装药既昂贵又耗时,部分原因是设备成本。在更大的范围内,铸造装药必须由内部织带支撑,以便大块燃料不会影响甚至潜在地阻塞喷嘴。在较大的装药中,装药缺陷也是一个问题。浇注的传统燃料是端羟基聚丁二烯(HTPB)和石蜡。[注10]

5.2.2增材制造

一个透明的便携式教育演示器3D打印的混合火箭燃料装药,具有双螺旋燃料端口,后燃烧室和de Laval喷嘴,在点火测试之前显示。

增材制造目前正被用于制造原本无法制造的装药结构。螺旋端口已被证明可以提高燃料推移率,同时提高体积装填。[11]用于混合火箭燃料的材料的一个例子是丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。打印材料通常也用添加剂增强火箭性能。田纳西大学诺克斯维尔分校最近的研究表明,由于表面积增加,使用粉末燃料(即石墨,煤,铝)包裹在3D打印中,与传统的聚合物装药相比,ABS基可以显着提高燃料燃烧速率和推力水平。[12][13]

6.氧化剂

6.1常见的氧化剂选择

常见的氧化剂包括气态或液态氧、一氧化二氮和过氧化氢。对于反向混合,使用氧化剂,如冷冻氧和高氯酸铵。[5]: 405–406

适当的氧化剂汽化对于火箭的高效运行非常重要。与后端相比,不当汽化会导致发动机头端的推移速率差异非常大。一种方法是使用热气体发生器在预燃烧室中加热氧化剂。另一种方法是使用氧化剂,也可以用作单推进剂。一个很好的例子是过氧化氢,它可以在银床上催化分解成热氧和蒸汽。第三种方法是将带有氧化剂的高含氢推进剂注入气流中。一些氧化剂会分解,加热流动中其余的氧化剂。[5]: 406–407

7.混合动力安全

通常,精心设计和精心构造的混合动力发动机非常安全。与混合动力发动机相关的主要危害是:

  • 压力容器故障 – 腔室绝缘故障可能允许腔室壁附近的热燃烧气体导致容器破裂的“烧穿”。
  • 回吹 – 对于放热分解的氧化剂,如一氧化二氮或过氧化氢,燃烧室中的火焰或热气体可以通过喷油器传播回来,使氧化剂汽化,并将其与热燃料丰富的气体混合,导致油箱爆炸。反吹需要气体流回喷油器,因为在不稳定的燃烧期间可能发生压降不足。反吹是特定氧化剂固有的,除非氧化剂中存在燃料,否则氧气或四氧化氮等氧化剂无法实现。
  • 硬启动 – 点火前燃烧室中氧化剂过量,特别是对于一氧化二氮等单推进剂,可能导致点火时暂时过压或“尖峰”。

由于混合动力发动机中的燃料不含氧化剂,因此不会自行爆炸性燃烧。因此,混合种被归类为没有TNT等效爆炸力。相比之下,固体火箭通常具有与推进剂装药质量相似的TNT等效物。液体燃料火箭通常具有TNT当量,根据燃料和氧化剂的量计算,在爆炸物点燃之前可以真实地紧密结合,这通常被认为是总推进剂质量的10-20%。对于混合动力发动机,即使在点火前用氧化剂填充燃烧室通常也不会与固体燃料发生爆炸,爆炸当量通常被引用为0%。

8.从事混合动力发动机研究的组织

8.1商业公司

1998年,SpaceDev收购了美国火箭公司在其八年生命周期内发射的200多枚混合动力火箭发动机产生的所有知识产权,设计和测试结果。第一艘私人载人航天器宇宙飞船由SpaceDev的混合火箭发动机提供动力,燃烧含有一氧化二氮的HTPB。然而,一氧化二氮是导致爆炸的主要物质,在2007年缩比复合材料的SpaceShipOne的继任者的开发中杀死了三人。 维珍银河飞船两架后续商用亚轨道太空飞机使用放大的混合动力发动机。

SpaceDev正在开发SpaceDev奔跑者,一种消耗性的小型运载火箭,以及能够进行亚轨道和轨道人类太空飞行的太空开发梦想追逐者。喷跑者和追梦者都使用混合火箭发动机燃烧一氧化二氮和合成HTPB橡胶。SpaceDev于2009年被内华达山脉公司收购,成为其太空系统部门,该部门继续为NASA的商业船员开发合同开发追梦者。内华达山脉还开发了火箭发机动二号,这是宇宙飞船二号的混合动力发动机。2014年10月31日,当SpaceShipTwo失踪时,最初的猜测表明其混合动力发动机实际上已经爆炸并杀死了一名试飞员,并重伤了另一名试飞员。然而,调查数据现在表明,SpaceShip-Two feather系统的早期部署是导致飞行器空气动力学解体的原因。[注16]

美国火箭队[17]使用自加压一氧化二氮(N2O)和端羟基聚丁二烯(HTPB)以及混合的高测试过氧化物(HTP)和HTPB制造和部署混合动力发动机。美国火箭公司开发的高测试过氧化物(H2O2)86%和(HTPB)和铝混合体产生的海平面传递的比冲(Isp)为240,远高于典型的N2 O-HTPB混合的180。除此之外,它们还可以自启动,可重新启动,燃烧不稳定性要低得多,使其适用于脆弱或载人任务,如寻血猎犬SSC,太空船Two或宇宙飞船三。该公司已成功测试[18]并部署了后一种HTP-HTPB式的压力进给和泵送版本。迄今为止,可交付成果的直径从152.4mm到457.2mm不等,并开发了直径达1371.6mm的装置。根据2013年11月国防高级研究计划局(DARPA)XS-1会议上分发的文献,该供应商声称可扩展到直径超过5米,推移率接近固体。美国火箭队不再制造大型火箭。[19][验证失败]

吉尔摩太空技术(Gilmour Space Technologies )于2015年开始测试混合火箭发动机,包括N2O和HP,以及HDPE和HDPE +蜡混合物。2016年的测试包括5000磅HP / PE发动机。该公司计划将混合动力发动机用于探测和轨道火箭。

轨道技术公司(Orbitec)参与了一些美国政府资助的混合火箭研究,包括“涡旋混合”概念。[注20]

环境航空科学公司(eAc)[21]成立于1994年,致力于开发混合动力火箭推进系统。它被列入宇宙飞船一号发动机的设计竞赛,但输给了SpaceDev。环境航空科学公司仍然向SpaceDev提供氧化剂装填,排气和倾倒系统的零件。[注22]火箭实验室以前销售混合动力探空火箭和相关技术。

反应研究学会(RRS)虽然主要以其在液体火箭推进方面的工作而闻名,但在混合火箭推进的研究和开发方面有着悠久的历史。

丹麦火箭集团哥本哈根亚轨道公司(Copenhagen Suborbitals)最初设计并试射了几款使用N2O的混合动力发动机,目前是LOX。它们的燃料是环氧树脂,石蜡或聚氨酯。由于推力不稳定,该小组最终放弃了混合动力发动机,现在使用类似于V-2火箭的发动机。

TiSPACE是一家台湾公司,正在开发一系列混合推进剂火箭。[注24]

缅因州不伦瑞克的bluShift Aerospace于2019年6月获得了NASA SBIR的资助,为其专有的生物衍生燃料开发了模块化混合动力火箭发动机。在完成授权后,bluShift已经发射了第一枚使用该技术的探空火箭。[注26]

总部位于佛罗里达州可可市的Vaya Space预计将于2023年发射其混合燃料火箭“无畏”。[27][28]

 

8.2大学

太空推进小组由阿里夫·卡拉贝约格鲁,布莱恩·坎特韦尔和斯坦福大学的其他人于1999年成立,旨在开发高推移率液化混合火箭燃料。他们成功地发射了直径达317.5mm氧化剂灌装,排气和倾倒系统的发动机,产生5896.8kgf的功率。使用该技术,目前正在开发直径610mm,11340kgf的直径。发动机于2010年首次发射。斯坦福大学是发展混合火箭液层燃烧理论的机构。斯坦福大学的SPaSE小组目前正在与美国宇航局艾姆斯研究中心合作开发游隼探空火箭,该火箭将能够达到100公里的高度。[29]工程挑战包括各种类型的燃烧不稳定性。虽然拟议的发动机在2013年进行了试射,但百富勤计划最终在2016年首次亮相时改用了标准的固体火箭。

螺旋氧化剂注射到有机玻璃混合物中。图像是在关机期间拍摄的,因此可以看到流动模式。田纳西大学诺克斯维尔分校。

田纳西大学诺克斯维尔分校自1999年以来一直与NASA马歇尔太空飞行中心和私营企业合作开展混合火箭研究。这项工作包括集成水冷量热仪喷嘴,这是火箭发动机中首批成功使用的3D打印热截面组件之一。该大学的其他工作集中在螺旋氧化剂喷射,生物衍生燃料[32]和包裹在3D打印ABS基体中的粉末燃料的使用上,包括在2019年太空港美洲杯上成功发射燃煤混合动力发动机。[12][13]

在代尔夫特理工大学,代尔夫特航空航天火箭工程(DARE)的学生团队在混合火箭的设计和制造方面非常活跃。2015年10月,DARE用Stratos II+探空火箭打破了欧洲学生的高度纪录。Stratos II+由DHX-200混合火箭发动机推进,使用一氧化二氮氧化剂和石蜡,山梨糖醇和铝粉的燃料混合物。2018年7月26日,DARE试图发射斯特拉托斯III混合火箭。该火箭使用与其前身相同的燃料/氧化剂组合,但脉冲增加约360 kN(约36吨)。在开发时,这是学生团队在总冲量方面开发的最强大的混合动力火箭发动机。不幸的是,Stratos III飞行器在飞行20秒后丢失了。[注34]

佛罗里达理工学院已经成功地通过他们的黑豹项目测试和评估了混合技术。慕尼黑工业大学的WARR[35]学生团队自1970年代初以来一直在开发混合动力发动机和火箭。使用酸,氧或一氧化二氮与聚乙烯或HTPB组合。该开发包括试验台发动机以及机载版本,如第一枚德国混合动力火箭Barbarella。他们目前正在研究一种以液氧为氧化剂的混合火箭,以打破业余火箭的欧洲高度记录。他们还与火箭工匠合作,测试他们的混合火箭。

波士顿大学由学生运营的“火箭推进小组”[36]过去只发射固体发动机火箭,并试图设计和制造一种单级混合探空火箭,以便在2015年7月之前发射到亚轨道空间。[注37]

杨百翰大学(BYU),犹他大学和犹他州立大学于1995年发射了一种名为Unity IV的学生设计的火箭,该火箭用气态氧氧化剂燃烧固体燃料HTPB,并于2003年推出了一种更大的版本,用一氧化二氮燃烧HTPB。

巴西利亚大学的杂交团队在石蜡/ N2O杂交种方面进行了广泛的研究,已经进行了50多次测试。混合团队目前正在研究液化推进剂,数字优化和火箭设计。如今,火箭设计团队,称为首都火箭队,正在开发高功率混合动力火箭,并研究一些添加剂。化学推进实验室已经做了一些研究,正在开发SARA平台的发动机。

加州大学洛杉矶分校的学生运营的“加州大学洛杉矶分校火箭项目”发射混合推进火箭,利用一氧化二氮作为氧化剂,HTPB作为燃料。他们目前正在开发第五台学生制造的混合动力火箭发动机。[注38]

多伦多大学的学生经营的“多伦多大学航空航天队”,设计和制造混合动力发动机动力火箭。他们目前正在多伦多大学航空航天研究所建造一个新的发动机测试设施,并正在努力打破加拿大业余火箭的高度记录,他们的新火箭Defiance MKIII目前正在进行严格的测试。反抗MK III的发动机QUASAR是一种亚硝基 – 石蜡混合发动机,能够在9秒的时间内产生7 kN(约0.7吨)的推力。[需要引用]

2016年,巴基斯坦DHA Suffa大学成功开发了[39]Raheel-1,1 kN级混合火箭发动机,使用石蜡和液氧,从而成为该国第一所大学运行的火箭研究项目。 在印度,贝拉理工学院、梅斯拉空间工程和火箭系一直致力于各种燃料和氧化剂的混合项目。

帕尔斯火箭来自伊斯坦布尔技术大学的集团设计并制造了土耳其第一台混合动力火箭发动机,该火箭发动机于2015年5月进行了广泛测试。[注41]

一支总部位于英国的球队(laffin-gas)正在一辆飙车式赛车中使用四枚N2O混合动力火箭。每枚火箭的外径为150毫米,长1.4米。他们使用浸泡在食用油中的高密度缠绕纸的燃料装药。N2O电源由氮气加压活塞蓄能器提供,其输送速率高于单独的N2O气体,并且还提供任何反向冲击的阻尼。[需要引用]

在意大利,混合推进剂火箭的主要研究中心之一是帕多瓦大学CISAS(空间研究和活动中心)“G.科伦坡”。这些活动涵盖了开发的所有阶段:从燃烧过程的理论分析到使用CFD程序的数值模拟,然后通过对小规模和大型火箭(高达2吨,N2 O-Paraffin蜡基发动机)进行地面测试。其中一台发动机在2009年成功飞行。自2014年以来,该研究小组专注于使用高测试过氧化物作为氧化剂,与帕多瓦大学分拆公司“推进和创新技术”合作。[注42]

在台湾,混合火箭系统的开发始于2009年,通过NSPO与两个大学团队的研发项目。两个团队都采用了具有不同改进方案的一氧化二氮/HTPB推进剂系统。到目前为止,NCKU和NCTU团队已经成功发射了几枚混合火箭,达到10-20公里的高度。他们的计划包括尝试100-200公里的高度发射以测试纳米卫星,并从长远来看发展纳米卫星的轨道发射能力。2014年进行的亚规模N2O / PE双涡流(DVF)混合动力发动机点火测试的平均Isp为280秒,这表明该系统已达到约97%的燃烧效率。[需要引用]

在(德国)斯图加特大学的学生团队HyEnd是目前学生建造的带有HEROS火箭的最高飞行混合火箭的世界纪录保持者。[注43]

奥地利格拉茨工业大学的航空航天队也在开发一种混合推进剂火箭。[注44]

弗罗茨瓦夫科技大学的波兰学生团队PWr在太空中开发了三种混合火箭:R2“Setka”,R3“Dziewięątka dziewiątka”和最强大的R4“山猫”,在他们的测试台上进行了成功的测试[45]

许多其他大学,如安柏瑞德航空大学,华盛顿大学,普渡大学,密歇根大学安娜堡分校,阿肯色大学小石城分校,亨德里克斯学院,伊利诺伊大学,波特兰州立大学,夸祖鲁 – 纳塔尔大学,德克萨斯A&M大学,奥胡斯大学,莱斯大学和AGH科技大学有混合动力发动机试验台,允许学生研究混合动力火箭。

8.3大功率火箭

有许多混合动力火箭发动机系统可供业余爱好者/业余爱好者在大功率模型火箭中使用。其中包括流行的HyperTek系统[46]和一些“乌尔班斯基-科尔本阀门”(U/C)系统,如RATTWorks、[47]凝结尾迹火箭[48]和推进聚合物。所有这些系统都使用一氧化二氮作为氧化剂和塑料燃料(如聚氯乙烯(PVC),聚丙烯)或聚合物基燃料,如HTPB。与固体火箭发动机相比,这降低了每次飞行的成本,尽管混合动力发动机通常需要更多的地面支持设备。

欧洲HyImpulse公司混合动力火箭发动机研发的下一步是在3MPa的舱室压力下,将发动机在海平面上的推力提高到7.5吨。这个更大的发动机将有长达70秒的燃烧时间。与此同时,开发了一种复合材料的机壳,这将允许生产一个飞行重量为75千牛的发动机,测试并合格到2020年秋季。这个发动机将被用来制造探空火箭,使用一个单独的燃烧室和一个液氧增压系统。探空火箭将能够携带350公斤的有效载荷,以亚轨道轨道飞行到200公里的高度。探空火箭“SR75”的设计思路如图所示。

HyImpulse使用75千牛混合动力火箭发动机的探空火箭概念

图中说明了混合火箭发动机、氧化剂罐和增压罐的大小。探空火箭的总长度约为15米,直径为0.7米。同样的发动机设计(图:HyImpulse公司使用75千牛混合动力火箭发动机工作压力的探空火箭概念)也将用于小型卫星运载火箭。运载火箭的第一级将由7个这种更大级别的发动机组成,第二级将使用额外的4个相同的发动机,具有更大的膨胀比。第三级将使用一个更小的混合火箭发动机将最大载荷500公斤注入近地轨道。HyImpulse提出的发射装置设计如图所示。该发射装置将使用涡轮泵将液氧送入混合燃料火箭燃烧室。使用安全和高性能推进剂组合的推进系统,使一个精心设计和优化的小型卫星运载火箭。第一级和第二级的推进系统非常相似,只是改变了发动机和涡轮泵的数量以及喷管膨胀比。因此,一旦发射频率达到每年10次的目标,发射装置的生产将受益于串行生产效应。HyImpulse的混合火箭发动机将在未来两年内达到一个非常高的TRL和高推力水平,这也将允许将技术转移到其他领域,如轨道推进、火箭助推器或弹射级。

HyImpulse的发射器概念,使用基于石蜡的混合火箭发动机与LOX

HyImpulse公司正在开发以液氧为氧化剂和石蜡燃料为基础的混合火箭技术,并在位于Lampoldshausen的DLR试验设施成功制造了10千牛的火箭发动机,并进行了试验。采用这种最先进的混合火箭技术,HyImpulse为小型卫星发射器和探空火箭提供具有竞争力的推进系统。基于石蜡的燃料能够实现高推移速率,这使得开发具有圆柱形燃料端口的紧凑型混合火箭发动机成为可能。液氧提供最高的比冲,两种推进剂的组合不会对健康或环境造成危险影响。HyImpulse公司使用专利技术解决了液氧喷射和汽化的技术难题,该技术不涉及昂贵的子系统或危险的额外液体推进剂。试验非常成功,下一步是将推力从10千牛扩大到75千牛,燃烧时间可达70秒。该发动机将是欧洲最大的混合火箭发动机,将为探空火箭和小型卫星运载火箭提供动力,HyImpulse将在未来几年持续开发。

 

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