欧洲固液混合发动机

作者: Christian Schmierer

Inside the BLOODHOUND hybrid rocket system, the largest in Europe. At 4 meters (12 feet) long, 45.7 cm (18 inches) in diameter and weighing 450 kg, BLOODHOUND’s rocket is the largest hybrid ever designed in Europe and biggest to be fired in the UK for 20 years. In its ultimate form it will generate c. 27,500lbs of thrust, equivalent to c. 80,000 horsepower (hp) or the power of 95 Formula 1 cars.

在过去的十年里,欧洲的大学、研究机构和公司的混合火箭发动机技术取得了巨大的进步。新的燃料如石蜡基混合燃料已被开发,以增加燃烧速率,使其具有紧凑的发动机设计与高推力密度。由此,混合动力火箭发动机在探空火箭和小型卫星运载火箭推进系统等多个领域的应用已成为可行。创业公司HyImpulse正在开发一种推力为75kN(约7.5吨)的石蜡基混合火箭发动机,为探测火箭和小型卫星运载火箭提供动力。为了实现高性能运载火箭的设计,选择性能最佳的混合火箭氧化剂:液氧是至关重要的。HyImpulse已经成功地开发了一种使用石蜡基燃料和液氧的10kN(约1吨推力)混合火箭发动机。

1. 简介

到目前为止,Lampoldshausen发展混合动力火箭发动机的历史跨越了十多年,如表1所示。2006年,学生团队“混合动力发动机开发”(HyEnD)在附近的斯图加特大学成立。HyEnD开始开发和测试基于石蜡燃料的混合火箭发动机。这最终导致了DLR空间推进研究所推进剂部门对混合火箭推进剂的基础研究的启动。M11测试台是2011年以来研发的核心。在DLR空间推进研究所和斯图加特大学的合作下,有可能开发出一种坚固的石蜡基燃料,该燃料于2015年用于HyRES发动机,这是一种混合火箭发动机,使用一氧化二氮和石蜡基燃料,在超过15秒的燃烧时间内产生10千牛的推力。该火箭发动机由学生团队HyEnD开发,在2016年HEROS 3火箭达到32.3公里的高度时,创造了混合探测火箭的学生世界纪录。一年后,DLR Lampoldshausen的研究人员启动了使用石蜡基燃料和液氧作为氧化剂的混合火箭发动机的开发,以进一步提高性能。近年来,石蜡基燃料得到了不断的改进,发表了各种论文和文章[1,2]。这项研究的最终目标是为探空火箭和小型运载火箭创造一个推进系统。在系统研究中也研究了其他应用[3,4,5]。这一发展导致了初创公司HyImpulse Technologies GmbH在Lampoldshausen的成立。HyImpulse公司开始了以液氧为氧化剂的概念化HyPLOX 10kN发动机的开发、制造和测试工作。液氧(LOX)比一氧化二氮(N2O)具有更高的性能,因为比冲量高出10%以上。这使得开发更强大的火箭发动机用于轨道运载火箭。液态氧的密度比一氧化二氮高,蒸汽压也比一氧化二氮低,因此可以开发低罐压的运载火箭,从而实现轻量化设计。2018年2月,HyImpulse开始测试HyPLOX 10发动机。在混合动力火箭发动机中使用液氧与一氧化二氮相比,在喷射和汽化行为、点火能量等方面存在一些差异,因此有必要对燃烧室进行彻底的重新设计。成功研制出10kN液态氧/石蜡基混合火箭发动机,成为欧洲最大的混合火箭发动机,使HyImpulse在混合火箭推进市场上占据了独特的地位。

表1:Lampoldshausen混合发动机发展的历史

2. 技术现状

我们在2015年EUCASS上关于一氧化二氮(N2O)混合火箭发动机[6]测试活动的论文中介绍了之前的技术状态。混合火箭推进领域最近的亮点是,2016年使用一氧化二氮和石蜡基燃料成功发射了学生火箭HEROS 3[7],以及2018年使用过氧化氢(H2O2)和基于HTPB的燃料发射了Nammo的原子核火箭。这两次发射进一步证明了混合火箭系统的能力,提供低成本和高性能的推进系统。全球对混合动力火箭发动机的研究仍在继续,如JAXA研究了混合动力火箭发动机的主动混合比例控制,以提高混合动力火箭发动机[8]的整体性能。NASA正在研究使用特殊石蜡基燃料的混合火箭发动机用于火星升空运载火箭[9]。除了宇宙飞船公司(The spacecraft Company)或南摩(Nammo)等一些老牌行业公司,全球越来越多的初创公司正在研究小型卫星运载火箭的混合火箭推进,还有一些是轨道推进系统。推进剂的选择分布在这些公司之间,如表2所示。

表2:活跃在混合动力火箭推进领域的初创公司和老牌公司。

SR-探空火箭,LV-飞行器发射

然而,尽管世界上许多公司已经开始开发使用混合推进的火箭系统,只有少数几家公司改进了这项技术。在欧洲公司中,海冲公司以液氧为氧化剂,实现了首台燃烧时间超过10 s、性能稳定的10kN推进器。图1显示了使用名称为PB-5%的石蜡基燃料时不同氧化剂的比冲。在液氧条件下,比真空脉冲在约362 s时达到最大值。在相同条件下,LOX和RP-1的比真空冲量的理想计算结果为363 s。过氧化氢(95%浓度)比冲量降低约10%,而一氧化二氮降低约12%。在图表中还显示,如何最佳的混合比例是不同的氧化剂。液态氧的最佳混合比例很低,这不是最优的,因为这意味着燃料的几何形状需要更长。然而,这是一个积极的副作用是,更少的氧化剂需要被输送到发动机。

因此,这是一种权衡,对于不同的应用程序可能是不同的。液态氧的混合比例比一氧化二氮或过氧化氢的比例变化更大,这使得优化发动机设计更具挑战性。与最佳混合比的微小偏差已经显著地降低了比冲。

图1:15bar和ε= 60[10]时的比真空脉冲比较

所选推进剂液氧和石蜡基燃料具有明显的优势:

  • 比冲非常高,与LOX/煤油液体火箭发动机相同。
  • 燃烧室设计简单,因为燃料装药不需要多通道几何形状。
  • 多功能系统,可用于许多系统,如探空火箭,小型运载火箭,捆绑式助推器,定点级或更高级。
  • 整个推进系统的高安全性,增加任务灵活性,降低制造、开发、组装、战役准备或运输的整体成本。

3.混合火箭发动机设计

3.1总体燃烧室设计

与使用氧化氮作为氧化剂的混合火箭发动机相比,利用氧化氮的HyPLOX 10设计是全新的、先进的。然而,其主要优势仍然没有改变:石蜡燃料是一个简单的空心圆柱体的单端口设计。与HTPB等混合动力火箭发动机的传统聚合物燃料相比,这是一个主要优势,HTPB需要像马车车轮形状那样复杂的燃料颗粒设计。这总是与燃烧时间结束时的大量燃料残留有关,对于石蜡基燃料来说,这几乎是零。

表3列出了该引擎的一些关键数据

图2为在DLR Lampoldshausen公司M11.5试验台进行的试验。

3.2点火与燃烧稳定性

发动机采用少量常规固体火箭推进剂点火。点火器需要提供足够的能量来加热固体燃料以及初始液体氧化剂质量流。除此之外,点火系统非常简单、坚固和低成本,这从总体上加强了发动机设计的低成本方法。HyImpulse通过开发一种独特的技术,在不添加任何外部加热器或三乙基铝(TEA)和三乙基硼(TEB)等危险的易燃液体的情况下,利用液氧解决了混合动力火箭发动机低频不稳定的已知问题。Karabeyoglu等人过去也开发过类似的系统,但其信息是[11]的专有信息。因此,HyImpulse开发了自己的系统。就像Karabeyoglu等人所讨论的那样,[12]混合动力火箭发动机可能会遭受低频不稳定的影响,原因可能是燃烧室与液体氧化剂进料系统的耦合,也可能是内部流动的典型边界层燃烧行为。对于液氧来说,进料系统耦合特别强,因为液氧从低温状态汽化的焓要求很高。这就造成了所谓的氧化剂汽化滞后后注入室。汽化滞后会导致压力振荡,峰值高达平均腔室压力的50%。通过上述研究,解决了液氧与混合动力火箭发动机进料系统的耦合问题,使其在整个燃烧过程中燃烧稳定。在过去,低温氧注入引起的不稳定问题得到了不同的缓解。例如,美国火箭公司(AMROC)在1990年发展了1 MN混合火箭发动机。他们在发动机的整个燃烧过程中连续注入TEA和TEB[13]。TEA和TEB是易燃液体,与氧气接触就会燃烧。因此,它们是非常危险的物质,如果与氧气或空气接触,可能会导致严重的事故。在使用混合推进技术时,这就降低了高安全性、低成本操作以及低系统复杂性的概念,因此不能充分解决液态氧蒸发问题。另一种方法在1998年美国专利号5,794,435中由洛克希德·马丁公司的Jones展示:使用气态氧的小型混合火箭发动机用于汽化液氧核心流。这样,混合动力火箭主燃烧室基本提供了气态氧,降低了低频不稳定的风险。然而,这个系统增加了火箭发动机的复杂性,因为一个或多个小型燃烧室需要集成在喷射系统中,还需要气态氧气供应。HyImpulse开发的注入系统不包含任何附加组件,因此既不会增加系统的复杂性,也不会引入有害物质。

3.3燃料装药、绝热和喷嘴

HyPLOX 10发动机的燃料颗粒是一个简单的空心圆柱体,由HyImpulse的专有燃料铸造而成,该燃料在之前的工作基础上于2018年和2019年进行了开发和改进。这种燃料具有高退行率,完全符合混合火箭发动机设计的需要,机械强度高,而且完全安全,因为它不含对健康或环境有害的成分。发动机中使用的绝热材料是一种基于酚醛树脂的轻质复合材料,易于制造,可以有不同的形状。喷嘴由石墨镶块制成,周围环绕着绝热材料,并用结构进行加固。发动机的下一步开发步骤之一是开发一种飞行重量为10千牛的混合火箭发动机,除LOX圆顶和喷射系统外,整个燃烧室使用复合材料。由于下一步是开发长度约3.5米、直径约0.7米的75千牛发动机,因此只有采用轻型复合材料结构才能实现飞行重量的发动机。

4. 测量与仪器仪表

结合LabVIEW软件使用了国家仪器仪表测量系统。用科里奥利传感器测量了氧化剂的质量流量,并通过校准孔上的压力测量值计算了氧化剂的质量流量。用高频传感器在几个点上记录压力,例如在喷油器上,在石蜡燃料颗粒前后的燃烧室。用热电偶测量了喷油器腔内液态氧的温度。测试前后测定石蜡质量,以计算燃料消耗和平均推移速率。

5 试验结果

HyPLOX 10发动机的测试活动包括50多次测试,从几秒到11秒的燃烧时间,这几乎是发动机的最大燃烧时间。图3显示了试验4中预燃烧室(煤油颗粒前)的平均压力归一化图。

图3 燃烧室压力

给出了典型的低频率、高振幅的进料耦合系统的压力振荡。在50多次试验中,测试了不同配置的喷油器系统和燃烧室内部设计,直到达到有效和稳定的喷射和燃烧室设计。这个迭代开发过程的结果在图4中显示得很清楚,它显示了测试51的规范化压力。低频不稳定性已被消除。燃烧室的压力随着时间的推移非常稳定,在燃烧结束时只下降了几个百分点,这是由于燃料通道打开时燃料质量流量的变化造成的。

图4 试验5测量的压力曲线

图5描绘了科里奥利传感器试验51的质量流量测量,以及利用压力数据计算的曲线校准孔。

图5 试验51测量的质量流率曲线

6. 未来的计划

HyImpulse公司混合动力火箭发动机研发的下一步是在30巴的舱室压力下,将发动机在海平面上的推力提高到75千牛。这个更大的引擎将有长达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6所示。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,具有更高的工作压力,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7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,一旦发射速率达到每年10次的目标,发射装置的生产将受益于串行生产效应。HyImpulse的设计图已在《宇航学报》的一篇文章中作了更详细的介绍。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、火箭助推器或踢级。


图6:HyImpulse使用75千牛混合动力火箭发动机的探空火箭概念

图7:HyImpulse使用基于石蜡的混合火箭发动机和LOX 7的发射器概念。

7 结论

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回归率,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将在未来几年开发。

References

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