MOTOARELE RACHETĂ HIBRIDE - PREZENT ŞI PERSPECTIVE

Prof.univ. dr. ing. Fl. Zăgănescu Aurel Cazacu

Membru al Academia Internaţională de Astronautică inginer aeronautic

Motorul rachetă hibrid este acel motor rachetă care funcţionează cu propergoli hibrizi; motorul hibrid de tip clasic foloseşte cuplul carburant solid şi oxidant lichid. El constă dintr-o cameră de ardere umplută cu carburant solid, analogă camerei de ardere de la motorul rachetă cu propergoli solizi, în interiorul căreia este adus oxidantul, similar cazului motorului rachetă cu propergoli lichizi. Oxidantul poate fi folosit şi pentru răcirea motorului; oxidantul poate fi lichid (cazul schemei clasice) sau gazos. Arderea în motorul racheta hibrid are loc la suprafaţa încărcăturii de carburant; în cazul general în această zonă ,- printr-o extremitate a motorului - pătrunde fluxul de oxidant, iar prin cealaltă extremitate ies produsele rezultate din arderea carburantului în prezenţa oxidantului. Ca urmare, temperatura suprafeţei încărcăturii de carburant nu atinge valori ridicate (200 - 400° C). În acest motor hibrid, de regulă, lipseşte aşa numita cameră de precombustie (un volum rămas liber în camera de ardere anterior ajutajului). În vederea realizării destinaţiilor acestei camere de precombuslie, în cazul motorului hibrid se folosesc turbulentizaloare de jet (de ex. plăci cu perforaţii) dispuse în camera de ardere în faţa ajutajului sau după încărcătura solidă sau chiar între cele două secţiuni. Prin utilizarea carburanţilor neautoinflamabili aprinderea respectiv arderea în motorul hibrid se realizează cu mijloacele folosite la rachetele chimice, cu luarea în considerare a specificului motoarelor rachetă hibride, de ex. suprafaţa încărcăturii solide este acoperită cu o substanţă inflamabilă la contactul cu oxidantul lichid, v. fig. 1, fig. 2.

1 - rezervor LOx; 2- turbopompa -alimentare; 3 - gazogenerator pentru pompa de alimentare; 4 - ajutaj; 5 - încărcătura carburantului; 6 - cap pulverizator pentru oxidant; 7 - supapa - drosel pentru admisia oxidantului.

Există surse de documentare în care se afirmă că primul motor rachetă hibrid ar li fost motorul rachetă GIRD 09, conceput, construit şi testat in zbor la bordul rachetei cu acelaşi nume, de specialistul rus M. K. Tihonravov (1900-1974). La acest motor s-a folosit un propergol bicomponent, format din oxigen lichid si colofoniu (sacâz) dizolvat în benzină şi având astfel consistenţa unei vaseline. Aprinderea se efectua folosind o bujie electrică. Aproximativ 1 kg de carburant era introdus într-un spaţiu inelar organizat într-un cilindru metalic la exterior, iar la interiorul căruia se introducea, printr-o conductă concentrică cilindrului respectiv, oxidantul sub presiunea propriilor vapori.

Lucrări privind propulsia cu motoare rachetă hibride au demarat şi în Germania antebelică, când specialiştii Centrului de încercări pentru motoare cu reacţie de la Zuhldorf, din subordinea Institutului de cercetări aeronautice al Ministerului german al Aviaţiei Militare din cel de al 3-lea Reich, au testat combustibili solizi conţinând diferite pulberi, printre care carbon. Ideia a fost abandonată cel puţin din două motive: nu existau pulberi curate, impurităţile fiind surse de declanşare a arderii discontinue, iar rezultatele experimentale obţinute cu propergolii bicomponenţi lichizi erau de pe atunci spectaculoase. Tot in Germania, la Walter Motoren Werke, a fost testată posibilitatea creşterii impulsului specific al motorului rachetă monocomponent cu perhidrol, precum şi folosirea acestuia ca oxidant într-un motor hibrid cu polietilenă!

Aproximativ în aceiaşi perioadă, specialişti de la California Rocket Society (SUA) au proiectat, construit şi testat pe banc un motor rachetă hibrid; în anii '40 un grup de cercetători de la Pacific

Rocket Society conduşi de ing. E.G. Ewing, au construit mai multe rachete experimentale denumite Ewing Douglas Fir (EDF), în camerele de ardere ale motoarelor respective fiind folosite: o esenţă specială de lemn de brad îmbibată cu ceară şi carbon, mase plastice, lemn îmbibat cu oxigen lichid etc. După mai multe teste statice, la 19 octombrie 1947 racheta EDF XI a atins înălţimea de 325 m. (vezi fig. 3)

În anii '60 cercetările în acest domeniu sunt reluate în SUA şi în fosta URSS; aici au fost concepute peste 10 tipuri de motoare rachetă hibride având tracţiuni de la câţiva newtoni la 10 kN, în cadrul unor rachete experimentale şi a unor mici aparate reactive de zbor. Tot în anii '60 la actuala Divizie pentru sisteme de propulsie chimice a firmei United Technologies, au fost derulate studii şi teste în beneficiul US Navy privind propulsia hibrida folosită pentru motoarele unor etaje superioare ale unor vehicule purtătoare cu mai multe trepte reactive. În perioada 1975-1978, în SUA au fost lansate din avioane proiectile rachetă experimentale supersonice dotate cu motoare rachetă hibride, având tracţiuni de la 0,9 la 5,3 kN, diametrul de 0,33 m, lungimea de 3,6 m, durată

Fig. 2 Schema proceselor funcţionale din camera de ardere a motorului rachetă hibrid

1 - cap - pulverizator pentru oxidantul lichid; 2 - oxidant refrigerat; 3 - zona de amestec a oxidantului cu produsele de ardere; 4 - zona activă a arderii; 5 - zona de amestec a produselor de gazeificare a carburantului lichid cu produsele de ardere; 6 - încărcătura de carburant; 7 - ajutaj reactiv.

funcţionării - 5 minute, masa - 390 kg. Cel mai puternic motor hibrid testat în 1967 a avut tracţiunea de 180 kN, lungimea încărcăturii de 2,7 m iar diametrul de aproape 1 m! De menţionat ca la începutul deceniului '70-'80 au fost obţinute valori de 400 s pentru impulsul specific, motoarele hibride respective utilizând combinaţii de cloruri cu oxigen lichid pentru oxidanţi.

Una din principalele probleme ale proiectării motoarelor rachetă hibride o reprezintă calculul consumării componentei solide în timpul funcţionării motorului. În timp ce, în cazul motoarelor rachetă cu combustibili solizi viteza de ardere se determină pe baza valorii presiunii în camera de ardere, în cazul motorului rachetă hibrid asupra valorii acestui parametru îşi manifesta influenţa intensitatea debitului specific, care este raportul dintre debilul de gaze care se scurge prin motor şi mărimea secţiunii de trecere prin canalul respectivului motor (kg/s.dm²). Deci, pentru motorul hibrid factorul determinant este intensitatea debitului specific, iar presiunea din camera de ardere este un factor de ordinul al doilea. Ca urmare, menţinerea unui regim anumit al motorului rachetă hibrid devine o problemă dificil de realizat pe parcursul întregii funcţionări a motorului. În multe cazuri menţinerea valorilor optime ale legăturilor (corelărilor) componentelor propergolilor pentru o gamă mai largă de variaţie a tracţiunii, poate fi asigurată numai printr-o propagare corelată a componentei fluide a propergolului între camera de ardere şi camera de precombustie (sau înlocuitorul acesteia) - şi anume sute de mm/s pentru majoritatea carburanţilor solizi, ceea ce conduce la necesitatea asigurării unor încărcături care să posede suprafeţe mari de ardere (în scopul obţinerii valorii dorite a tracţiunii), fapt care în final produce complicaţii în preparare, nu permit arderi complete şi au şi alte inconveniente. În vederea creşterii vitezei de ardere, în încărcătură se introduc ingrediente metalice, compuşi oxigenaţi (de ex. perclorat de amoniu) şi altele. În unele cazuri, încărcătura motorului rachetă hibrid constă din mai mulţi compuşi, adăugarea cărora are următoarele avantaje: a) aducerea valorii vitezei de ardere la mărimile cerute de proiect; b) menţinerea constantă a procesului de funcţionare a motorului; c) reglarea favorabilă a legii de ardere în motor; d) completitudine ridicată a aprinderii carburantului; e) stabilitate şi fiabilitate în realizarea încărcăturilor etc.

Practic, din punct de vedere al valorilor maxime obtenabile pentru impulsul specific (în cazul folosirii propergolilor tricomponenţi precum şi a analogilor acestora), aceste motoare nu depăşesc motoarele rachetă cu propergoli lichizi, dar ele au, faţă de acestea din urmă, avantajul simplităţii amplasării în camera de ardere a unor compuşi metalici sau chiar metale, aceştia putând fi introduşi nemijlocit în masa încărcăturii solide.

a) învelişul metalic al camerei de ardere şi ajutajului; b)supapa din plastic combustibil; c) injector de oxidant; d) încărcătura de iniţiere a aprinderii;

e) carburant din plastic combustibil; f) înveliş din răşină termorezistentă;

Desigur, şi în cazul motoarelor rachetă hibride există problema folosirii efective a energiei chimice a propergolilor, astfel motoarele rachetă hibride sunt inferioare celor cu propergoli lichizi, dar le depăşesc pe cele cu propergoli solizi.

Motorului rachetă hibrid i se poate regla cu uşurinţă tracţiunea şi ca urmare pe durata zborului motorul poate fi oprit şi repornit la dorinţă, ceea ce la motoarele cu propergoli lichizi nu este posibil. Un alt avantaj al motorului hibrid faţă de cel cu propergoli solizi este dependenţa redusă a vitezei de ardere a încărcăturii de temperatura iniţială, precum şi faptul că, pentru motorul hibrid, arderea nu are loc în eventualitatea apariţiei unui vid aleator, sau a crăpării încărcăturii motorului, ca şi în zonele unde încărcătura nu a aderat la pereţii camerei de ardere.

Datorită multitudinii propergolilor, motoarele hibride sunt ieftine în construcţie, simple şi sigure în exploatare, din punct de vedere structural şi constructiv pericolul de explozie la rampă pe bancul de test sau în zbor fiind eliminat.

În deceniile '60 - '70 şi '70 -'80, actualele Laboratoare Philips au efectuat cercetări şi teste pentru rachetele Sandpiper; a fost folosit un amestec de plexiglas cu 10% magneziu, iar drept oxidant - acidul azotic. Propergolii pentru Sandpiper au fost folosiţi şi pentru rachetele Firebolt, de această dată amestecul ajungând la 30% plexiglas şi 70% cauciuc... Folosirea propergolilor hibrizi a permis atingerea unor tracţiuni de cca. 220 kN!

În domeniul spaţial, pentru ca sarcina utilă care trebuie satelizată să fie mărită, trebuie să se dispună de mijloace de control a tracţiunii motorului rachetă, pentru ca să fie redusă suprasarcina care apare în momentul atingerii presiunii dinamice maxime. Această posibilitate este oferită de motorul rachetă hibrid: tracţiunea motorului poate fi controlată prin debitul de oxidant, putând fi pusă de acord cu cerinţele vehiculelor lansatoare de sateliţi.

Pentru stabilirea avantajelor dar şi unor dificultăţi proprii motoarelor rachetă hibride, Centrul de cercetări „G. Marshall" al NASA a lansat mai multe contracte la începutul ultimului deceniu al secolului precedent, către firme ca Thiokol, General Dynamics, United Technologies, Martin Marietta, AMROC etc., destinate în final să definească modalităţile de introducere a tehnologiei hibride în industria aerospaţială; pot fi aici menţionate studii pentru evaluarea oscilaţiilor periodice neacustice de presiune, vizualizarea empirică a curgerilor de oxidanţi, validarea codurilor de folosire în analiză a CFD-ului, dezvoltarea de sisteme simplificate de pompare a fluidelor criogenice în prezenţa unor carburanţi solizi inerţi, analiza stratului limită în cazul arderii propergolilor hibrizi etc. Cercetările s-au derulat pe parcursul a două faze (1992-1994): în prima a fost folosit un motor rachetă hibrid având diametrul în secţiunea de ieşire din ajutaj de 280 mm iar tracţiunea de 13,5 kN, iar în a doua, pe un alt motor, acesta având acum diametrul la ieşirea din ajutaj de 600 mm, iar tracţiunea maximă de 180 kN! Au fost folosite calupuri de carburant de 860, 1727 şi 2600 mm, dispuse într-un jet de oxigen lichid cu debitul de 40,5 kg/s. Au fost totodată evaluate calitatea materialelor de tip carbon-carbon pentru construcţia ajutajelor.

În 1995 Thiokol cu NASA şi Laboratorul de cercetări pentru propulsie al US Navy, au încercat un motor rachetă hibrid cu vectorul tracţiunii controlabil, având drept combustibil LOx/HTPB şi diametrul de 58,8 cm, la care s-a obţinut 55 kN, fără a deteriora actuatoarele care au asigurat orientări după toate direcţiile de plus/minus 4 grade. (HTPB - Hidroxil Terminated Poly-Butadiene, este un cauciuc sintetic folosit în fabricarea anvelopelor; adesea se foloseşte un amestec de HTPB cu metale).

Tot în 1995 s-a ţinut un seminar ştiinţific organizat de AIAA (American Institution for Aeronautics and Astronautics) asupra stadiului şi potenţialului motoarelor rachetă hibride, care a concluzionat continuarea cercetărilor şi acordarea de credite colectivelor implicate. S-a demarat Programul HYPROP, ca o continuare a Programului HyTOP, acum fiind prevăzută şi lansarea unei rachete de sondaj de la baza de lansări Wallops Island, precum şi teste statice pentru şase variante de motoare hibride ajungând până la 1150 kN, program destinat să se continue până în 1999.

Academia Forţelor Aeriene ale SUA au realizat şi testat în 1995 un motor rachetă hibrid de 367 daN care a propulsat o rachetă de sondaj până la 4500 m. Colectivul studenţesc UNITY-TV de la universitatea din Utah a continuat cercetările pentru un motor rachetă hibrid destinat unei rachete de cercetare, care a adus aparatura de investigare la 39000 m. La Universitatea din Arizona se continua activitatea la cercetarea motoarelor hibride care folosesc GOx/HTPB şi au fost începute testele unui motor care foloseşte ca oxidant HAN (Hydroxyl Anime Nitrate, cu formula ONO₂-NHOH, oxidant puternic şi miscibil cu apa).

În 1996-1997 la Centrul „G. Marshall" al NASA a fost testat un motor rachetă hibrid având tracţiunea de aproximativ 1200 kN, care a demonstrat aprinderea nepirotehnică, eficienţă şi stabilitatea arderii; au fost validate soluţii pentru proiectarea şi realizarea ajutajului, tehnica de reîncărcare a motorului, stabilitatea arderii. Motorul a fost destinat unei rachete hibride pentru explorarea straturilor atmosferei înalte, care a fost testată în zbor în 1997.

Cercetări avansate au fost întreprinse de McDonnell Douglas Aerospace la Centrul Marshall, la Laboratoarele Phillips, la centrele de cercetări ale Universităţilor din Arkansas, Purdue, Penn State University, University of Alabama.

Cercetările întreprinse la Institutul de Tehnologie din Israel au pornit de la abordarea unui nou concept de studiu al motorului hibrid pentru scopul investigărilor la scară; cea mai semnificativă lege de acest fel fiind menţinerea unui raport dintre viteza fluxului de oxidant şi diametrul canalizaţiei respective.

Cercetătorii de la firma RAFAEL au propus un concept avansat pentru un sistem de propulsie spaţial modificat în „dual-mode" mai simplu şi mai eficient decât cele anterior folosite şi cunoscute; au fost efectuate mai multe cercetări în domeniul carburanţilor şi oxidanţilor pentru aceste motoare hibride, pentru unele tipuri fiind folosite aşa numita ardere secundară.

l. Sawyer, E. V. (1949) Po!ymers as Rockeî Fuel and Componenîs. În: Pacific Rockets, Vol.4, nr.l. Summer pg. 18-21;

2. Priscepa, V.I. (1985) Ghibridnâi Raketnâi Dvigateli. În: Kosmonavtika Enticlopedia, p. 84-85. Izd. Sov. Enticlopedia, Moskva;

3. Fisherkeller, K. (1991), Solid Rockets. În: Aerospace America, nr.12, p.48;

5. Cook, J.R.,Goldberg, B.E., Estey, P.N., Wiley, D.R. (1992) Hybrid Rockets Combining the Best of Liquids and Solids. În: Aerospace America nr.7, July pg. 30 - 40;

9. Ramohali, R., Dowler. W. (1995),A Helping HAN for Hybrid Rockets. În: Aerospace Aimerica, nr.l, January, pg.20-21.

11. Vincent, B. (1996) Propulsion and Energy - Hybrid Rockets. În: Aeorospace America, nr. 12, Dec. p. 46.

12. Neniţescu, C. D. (1973) Chimie organică, vol. I, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.