Silnik z obiegiem ciekłego powietrza - Liquid air cycle engine

W przypadku silników odrzutowych, które chłodzą, ale nie skraplają powietrza, patrz Wstępnie schłodzony silnik odrzutowy .

Cieczą silnika obiegu powietrza (koronka) jest rodzajem kosmicznych napędowego silnika, próba zwiększenia efektywności przez gromadzenie jej część utleniacza z atmosferą . Silnik z obiegiem ciekłego powietrza wykorzystuje ciekły wodór (LH2) do skraplania powietrza.

W rakiecie z ciekłym tlenem / ciekłym wodorem , ciekły tlen (LOX) potrzebny do spalania stanowi większość ciężaru statku kosmicznego podczas startu, więc jeśli część tego może zostać zebrana z powietrza po drodze, może to dramatycznie wzrosnąć. obniżyć masę startową statku kosmicznego.

LACE był do pewnego stopnia badany w USA w późnych latach pięćdziesiątych i wczesnych sześćdziesiątych, a pod koniec 1960 roku firma Marquardt uruchomiła system testowy. Jednak gdy NASA przeniosła się do kapsuł balistycznych podczas Projektu Mercury , fundusze na badania nad skrzydlatymi pojazdami powoli znikały, a LACE współpracuje z nimi.

LACE był również podstawą silników w projekcie British Aerospace HOTOL z lat 80., ale nie wyszło to poza badania.

Zasada działania

Koncepcyjnie LACE działa poprzez kompresję, a następnie szybkie skraplanie powietrza. Kompresja jest osiągana dzięki efektowi barana powietrza we wlocie podobnym do tego występującego w szybkim samolocie, takim jak Concorde , gdzie rampy wlotowe wytwarzają fale uderzeniowe, które sprężają powietrze. Konstrukcja LACE przedmuchuje następnie sprężone powietrze przez wymiennik ciepła , w którym przepływa ciekłe paliwo wodorowe . To szybko schładza powietrze, a różne składniki szybko ulegają upłynnieniu. Dzięki starannemu ustawieniu mechanicznemu ciekły tlen można usunąć z innych części powietrza, w szczególności wody , azotu i dwutlenku węgla , po czym ciekły tlen może być doprowadzany do silnika w zwykły sposób. Można zauważyć, że ograniczenia wymiennika ciepła zawsze powodują, że ten system działa ze stosunkiem wodoru do powietrza znacznie bogatszym niż stosunek stechiometryczny, co w konsekwencji powoduje spadek wydajności, a zatem część wodoru jest wyrzucana za burtę.

Zalety i wady

Użycie skrzydlatego pojazdu nośnego pozwala na użycie siły nośnej zamiast ciągu do pokonania grawitacji, co znacznie zmniejsza straty grawitacji. Z drugiej strony, zmniejszone straty grawitacyjne mają cenę znacznie wyższego oporu aerodynamicznego i nagrzewania aerodynamicznego z powodu konieczności przebywania znacznie głębiej w atmosferze niż czysta rakieta podczas fazy doładowania .

Aby znacznie zmniejszyć masę tlenu przenoszonego podczas startu, pojazd LACE musi spędzać więcej czasu w niższej atmosferze, aby zebrać wystarczającą ilość tlenu do zasilania silników podczas pozostałej części startu. Prowadzi to do znacznie zwiększonego nagrzewania pojazdu i strat związanych z oporem powietrza, co z kolei zwiększa zużycie paliwa, aby zrównoważyć straty związane z oporem i dodatkową masę systemu ochrony termicznej . To zwiększone zużycie paliwa w pewnym stopniu kompensuje oszczędności masy utleniacza; straty te są z kolei skompensowany przez wyższy impuls konkretnym , I sp , silnika powietrzem oddycha. W związku z tym wymagane kompromisy inżynieryjne są dość złożone i bardzo wrażliwe na przyjęte założenia projektowe.

Inne kwestie dotyczą względnych właściwości materiałowych i logistycznych LOx w porównaniu z LH 2 . LOx jest dość tani; LH 2 jest prawie dwa rzędy wielkości droższe. LOx jest gęsty (1,141 kg / l), podczas gdy LH 2 ma bardzo niską gęstość (0,0678 kg / l) i dlatego jest bardzo nieporęczny. (Ekstremalna wielkość zbiornika LH2 ma tendencję do zwiększania oporu pojazdu poprzez zwiększenie przedniej powierzchni pojazdu ). Wreszcie zbiorniki LOx są stosunkowo lekkie i dość tanie, podczas gdy głęboka kriogeniczność i ekstremalne właściwości fizyczne LH 2 wskazują, że LH 2 zbiorniki i instalacja wodno-kanalizacyjna musi być duża i wykorzystywać ciężkie, drogie, egzotyczne materiały i izolację. Stąd, podobnie jak koszty korzystania LH 2 zamiast paliwa węglowodorowego może również przewyższają I sp korzyści wynikające z zastosowania LH 2 w jednostopniowa-to-orbitę rakiety , koszty korzystania więcej LH 2 jako materiał pędny i powietrzem Płyn chłodzący w LACE może znacznie przewyższać korzyści wynikające z braku konieczności przewożenia na pokładzie tak dużej ilości LOx.

Co najważniejsze, system LACE jest znacznie cięższy niż czysty silnik rakietowy o tym samym ciągu (silniki oddychające powietrzem prawie wszystkich typów mają stosunkowo słaby stosunek ciągu do masy w porównaniu z rakietami), a osiągi pojazdów nośnych wszystkich typów jest szczególnie dotknięty wzrostem suchej masy pojazdu (np. silników), który musi być przenoszony na orbitę, w przeciwieństwie do masy utleniacza, która byłaby spalana w trakcie lotu. Co więcej, niższy stosunek ciągu do masy silnika oddychającego powietrzem w porównaniu z rakietą znacznie zmniejsza maksymalne możliwe przyspieszenie rakiety nośnej i zwiększa straty grawitacji, ponieważ trzeba poświęcić więcej czasu na przyspieszenie do prędkości orbitalnej. Ponadto, większe straty wlotu i oporu płatowca trajektorii startowej pojazdu unoszącego i oddychającego powietrzem w porównaniu z czystą rakietą na trajektorii startu balistycznego, wprowadzają dodatkowy składnik karny do równania rakiety, znanego jako obciążenie odpowietrznika . Termin ten oznacza, że ​​jeśli stosunek siły nośnej do oporu powietrza ( L / D ) i przyspieszenie pojazdu w porównaniu z grawitacją ( a / g ) nie są niewiarygodnie duże jak na hipersoniczny pojazd oddychający powietrzem, zalety wyższego I sp silnika oddychającego powietrzem i oszczędności w masie LOx są w znacznym stopniu tracone.

Zatem zalety lub wady projektu LACE nadal są przedmiotem pewnej debaty.

Historia

LACE był do pewnego stopnia badany w Stanach Zjednoczonych w późnych latach pięćdziesiątych i wczesnych sześćdziesiątych XX wieku, gdzie uznano go za „naturalny” nadający się do projektu skrzydlatego statku kosmicznego znanego jako Aerospaceplane . W tamtym czasie koncepcja była znana jako LACES, czyli system silnika do zbierania płynnego powietrza . Skroplone powietrze i część wodoru są następnie pompowane bezpośrednio do silnika w celu spalenia.

Kiedy wykazano, że stosunkowo łatwo było oddzielić tlen od innych składników powietrza, głównie azotu i dwutlenku węgla, pojawiła się nowa koncepcja ACES dla systemu zbierania i wzbogacania powietrza . Pozostawia to problem, co zrobić z pozostałymi gazami. ACES wtryskał azot do silnika strumieniowego , wykorzystując go jako dodatkowy płyn roboczy, podczas gdy silnik pracował na powietrzu, a ciekły tlen był magazynowany. W miarę wznoszenia się samolotu i rozrzedzania atmosfery brak powietrza został skompensowany zwiększeniem przepływu tlenu ze zbiorników. To sprawia, że ​​ACES jest wyrzutnikiem strumieniowym (lub ramrocket) w przeciwieństwie do czystej rakiety LACE.

W badania LACES zaangażowane były zarówno Marquardt Corporation, jak i General Dynamics . Jednak gdy NASA przeniosła się do kapsuł balistycznych podczas Projektu Mercury , fundusze na badania nad skrzydlatymi pojazdami powoli znikały, a ACES wraz z nim.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/1963/1963%20-%202241.PDF
  2. ^ Orloff, Benjamin. Analiza porównawcza rakiet z pojedynczym stanem na orbitę i pojazdów oddychających powietrzem (PDF) . AFIT / GAE / ENY / 06-J13.
  3. ^ „LOX / LH2: Właściwości i ceny” .
  4. ^ „Równanie rakietowego cyklu płynnego powietrza, komentarz Henry'ego Spencera” .

Linki zewnętrzne