Жидкий воздух цикл двигатель (ШНУРОК) является одним из видов космических аппаратов силового двигателя , что попытки повышения его эффективности путем сбора части своего окислителя из атмосферы . В двигателе с жидкостным воздушным циклом используется жидкое водородное топливо (LH2) для сжижения воздуха.
В жидком кислороде / жидкий водород ракеты , то жидкий кислород (LOX) , необходимый для горения большой части веса космического аппарата на отрыв, так что, если некоторые из этого может быть собраны из воздуха на пути, это могло бы значительно снизить взлетную массу КА.
LACE в некоторой степени изучалась в США в конце 1950-х - начале 1960-х годов, и к концу 1960 года у Marquardt уже была запущена испытательная система. Однако, когда НАСА перешло на баллистические капсулы во время Проекта Меркурий , финансирование исследований крылатых аппаратов постепенно исчезло, и LACE работала вместе с ним.
LACE также послужила основой для двигателей конструкции HOTOL компании British Aerospace 1980-х годов, но дальше исследований она не продвинулась. [ сомнительно ] [ необходима цитата ]
Принцип действия
Концептуально LACE работает, сжимая, а затем быстро разжижая воздух. Сжатие достигается за счет эффекта набегающего воздуха в воздухозаборнике, аналогичном тому, который есть на высокоскоростном самолете, таком как Concorde , где впускные пандусы создают ударные волны , сжимающие воздух. Затем конструкция LACE обдувает сжатым воздухом теплообменник , в котором течет жидкое водородное топливо. Это быстро охлаждает воздух, и различные составляющие быстро разжижаются. Путем тщательной механической обработки жидкий кислород может быть удален из других частей воздуха, особенно из воды , азота и углекислого газа , после чего жидкий кислород может подаваться в двигатель как обычно. Можно видеть, что ограничения теплообменника всегда заставляют эту систему работать с соотношением водород / воздух, намного более высоким, чем стехиометрическое, с последующим ухудшением рабочих характеристик [1], и, таким образом, некоторое количество водорода выбрасывается за борт.
Преимущества и недостатки
Использование крылатой ракеты-носителя позволяет использовать подъемную силу, а не тягу для преодоления силы тяжести, что значительно снижает потери силы тяжести. С другой стороны, снижение гравитационных потерь достигается за счет гораздо более высокого аэродинамического сопротивления и аэродинамического нагрева из-за необходимости оставаться намного глубже в атмосфере, чем обычная ракета во время фазы наддува .
Чтобы значительно уменьшить массу кислорода, переносимого при запуске, транспортному средству LACE необходимо проводить больше времени в нижних слоях атмосферы, чтобы собрать достаточно кислорода для снабжения двигателей в течение оставшейся части запуска. Это приводит к значительному увеличению потерь на нагрев и лобовое сопротивление транспортного средства, что, следовательно, увеличивает расход топлива для компенсации потерь на лобовое сопротивление и дополнительной массы системы тепловой защиты . Этот повышенный расход топлива в некоторой степени компенсирует экономию массы окислителя; эти потери , в свою очередь компенсируется более высоким удельным импульсом , I зр , в воздушно-реактивного двигателя. Таким образом, инженерные компромиссы довольно сложны и очень чувствительны к сделанным проектным предположениям. [2]
Другие проблемы возникают из-за относительных материальных и логистических свойств LOx по сравнению с LH 2 . LOx довольно дешевый; LH 2 дороже почти на два порядка. [3] LOx плотный (1,141 кг / л), тогда как LH 2 имеет очень низкую плотность (0,0678 кг / л) и, следовательно, очень объемный. (Чрезвычайная громоздкость цистерны LH2 имеет тенденцию к увеличению лобового сопротивления транспортного средства за счет увеличения лобовой площади транспортного средства .) Наконец, резервуары LOx относительно легкие и довольно дешевые, в то время как глубокая криогенность и экстремальные физические свойства LH 2 требуют, чтобы резервуары LH 2 и сантехника должна быть большой и использовать тяжелые, дорогие, экзотические материалы и утеплитель. Следовательно, хотя затраты на использование LH 2 вместо углеводородного топлива могут значительно перевесить выгоду I sp от использования LH 2 в одноступенчатой ракете с выводом на орбиту , затраты на использование большего количества LH 2 в качестве топлива и воздуха - сжижающий хладагент в LACE может перевесить преимущества, которые дает отсутствие необходимости иметь на борту такое количество LOx.
Что наиболее важно, система LACE намного тяжелее обычного ракетного двигателя с такой же тягой (воздушно-реактивные двигатели почти всех типов имеют относительно низкую удельную тягу по сравнению с ракетами), а характеристики ракет-носителей всех типов в особенности зависит от увеличения сухой массы транспортного средства (например, двигателей), которую необходимо нести на всем пути к орбите, в отличие от массы окислителя, которая могла бы сгореть в ходе полета. Кроме того, более низкое отношение тяги к массе воздушно-реактивного двигателя по сравнению с ракетой значительно снижает максимально возможное ускорение ракеты-носителя и увеличивает гравитационные потери, поскольку для разгона до орбитальной скорости требуется больше времени. Кроме того, более высокие потери на воздухозаборнике и лобовом сопротивлении планера на траектории взлета поднимающегося воздушного корабля по сравнению с чистой ракетой на траектории запуска баллистической ракеты вводят дополнительный штраф.в уравнение ракеты, известное как бремя дышащего воздуха . [4] Этот термин означает, что если только отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению ( L / D ) и ускорение транспортного средства по сравнению с силой тяжести ( a / g ) не являются неправдоподобно большими для гиперзвукового воздушного судна, то преимущества более высокий I sp воздушного двигателя и экономия массы LOx в значительной степени теряются.
Таким образом, преимущества или недостатки конструкции LACE продолжают оставаться предметом некоторых дискуссий.
История
LACE в некоторой степени изучался в Соединенных Штатах Америки в конце 1950-х - начале 1960-х годов, где он рассматривался как «естественный» вариант для проекта крылатого космического корабля, известного как Aerospaceplane . В то время эта концепция была известна как LACES, от Liquid Air Collection Engine System . Сжиженный воздух и часть водорода затем закачиваются непосредственно в двигатель для сжигания.
Когда было продемонстрировано, что относительно легко отделить кислород от других компонентов воздуха, в основном от азота и углекислого газа, возникла новая концепция - ACES для системы сбора и обогащения воздуха . Остается проблема, что делать с оставшимися газами. ACES впрыскивал азот в прямоточный воздушно-реактивный двигатель, используя его в качестве дополнительной рабочей жидкости, пока двигатель работал на воздухе и хранился жидкий кислород. По мере того, как самолет набирал высоту и атмосфера становилась разреженной, нехватка воздуха компенсировалась увеличением потока кислорода из баллонов. Это делает ACES эжекторным прямоточным воздушно-реактивным двигателем (или прямоточным реактивным двигателем) в отличие от чисто ракетной конструкции LACE.
И Marquardt Corporation, и General Dynamics участвовали в исследовании LACES. Однако, когда НАСА перешло на баллистические капсулы во время Проекта Меркурий , финансирование исследований крылатых аппаратов постепенно исчезло, а вместе с ним и ACES.
Смотрите также
- Ракета с воздушным усилением
- RB545
- Реакционные двигатели SABRE - реактивный двигатель с предварительным охлаждением, который охлаждает, но не сжижает воздух.
- Scramjet
Рекомендации
- ^ https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/1963/1963%20-%202241.PDF
- ^ Орлофф, Бенджамин. Сравнительный анализ орбитальной ракеты и летательных аппаратов (PDF) . AFIT / GAE / ENY / 06-J13.
- ^ "LOX / LH2: Свойства и цены" .
- ^ "Уравнение ракеты с жидкостным воздушным циклом, Комментарий Генри Спенсера" .
Внешние ссылки
- Уравнение ракеты с жидкостным воздушным циклом
- ХОТОЛ
- Уравнение ракетного цикла жидкого воздуха, Комментарий Генри Спенсера
- Космическими кораблями завтрашнего дня станут ракеты, а не воздушные самолеты