Кіріспе
Гибридтік атмосфералық реактивті қозғалтқыш тұжырымы – ауаны салқындататын, бірақ сұйық қалпына келтірмейтін реактивті қозғалтқыштар. Сұйық ауа циклы қозғалтқышы (LACE) – атмосферадан тотықтырғыштың бір бөлігін алып, тиімділігін арттыруға бағытталған ғарыш кемесінің қозғалтқыш түрі. Сұйық ауа циклы қозғалтқышы ауаны сұйыту үшін сұйық сутегін (LH2) пайдаланады. Сұйық оттегі/сұйық сутек зымыранында жануға қажетті сұйық оттегі (LOX) ұшырылғанда ғарыш кемесі салмағының көп бөлігін құрайды, сондықтан оның бір бөлігі ауадан алынса, ғарыш кемесінің ұшыру салмағын едәуір төмендетуге болады. LACE 1950 жылдардың соңы мен 1960 жылдардың басында АҚШ-та зерттелді, ал 1960 жылдардың соңында Маркардт сынақ жүйесін іске қосты. Бірақ, NASA «Меркурий» жобасы барысында баллистикалық капсулаларға көшкен кезде, қанатты көліктерді зерттеуге бөлген қаржы азайды, соның салдарынан LACE бойынша жұмыстар да тоқтап қалды. LACE 1980 жылдардағы British Aerospace HOTOL жобасының қозғалтқыштарының негізі болды, бірақ бұл жоба зерттеулерден әрі дамымады.
jet engines that cool but do not liquefy the air
A liquid air cycle engine (LACE) is a type of spacecraft propulsion engine that attempts to increase its efficiency by gathering part of its oxidizer from the atmosphere. A liquid air cycle engine uses liquid hydrogen (LH2) fuel to liquefy the air. In a liquid oxygen/liquid hydrogen rocket, the liquid oxygen (LOX) needed for combustion is the majority of the weight of the spacecraft on lift off, so if some of this can be collected from the air on the way, it might dramatically lower the take off weight of the spacecraft. LACE was studied to some extent in the USA during the late 1950s and early 1960s, and by late 1960 Marquardt had a testbed system running. However, as NASA moved to ballistic capsules during Project Mercury, funding for research into winged vehicles slowly disappeared, and LACE work along with it. LACE was also the basis of the engines on the British Aerospace HOTOL design of the 1980s, but this did not progress beyond studies.
Жұмыс істеу принципі
LACE принципі бойынша ауаны қысып, одан кейін жылдам сұйыту арқылы жұмыс істейді. Қысу Конкорд сияқты жоғары жылдамдықты ұшақтардағыдай, кіріктіру арқылы ауа ағынының әсерінен жүзеге асырылады, онда кіріктіру пандустары ауаны қысатын соққы толқындарын тудырады. LACE конструкциясы қысылған ауаны сұйық сутекті отын ағып тұратын жылу алмастырғыш арқылы өткізеді. Бұл ауаны тез салқындатады, нәтижесінде оның құрамындағы заттар жылдам сұйылады. Нақты механикалық реттеулер арқылы сұйық оттегі ауаның басқа компоненттерінен – судан, азоттан және көмірқышқыл газынан – бөліп алынып, содан кейін әдеттегідей қозғалтқышқа жіберіледі. Жылу алмастырғыштың мүмкіндіктерінің шектеулігі салдарынан, бұл жүйе сутегі мен ауа арақатынасын стехиометриялық көрсеткіштен байытып жұмыс істеуге мәжбүр, бұл өнімділіктің төмендеуіне әкеледі, сондықтан бір бөлігі сутегі атмосфераға шығарылады.
Артықшылықтары мен кемшіліктері
Қанатты ұшыру құралын пайдалану, ауырлық күшін жеңу үшін итермелеудің орнына көтеру күшін пайдалануға мүмкіндік береді, бұл ауырлық күшінен туындайтын жоғалтуларды едәуір азайтады. Алайда, ауырлық жоғалтуларының азаюы, таза ракетаға қарағанда көтерілу кезеңінде атмосферада тереңірек болу қажеттілігінен туындайтын әлдеқайда жоғары аэродинамикалық қарсылық пен қыздырудың артуымен байланысты. Ұшыру кезінде тасымалданатын оттегінің массасын айтарлықтай азайту үшін, LACE құралы қозғалтқыштарға жеткілікті оттекті жинау үшін төменгі атмосферада көбірек уақыт өткізуі керек. Бұл құралдың қызуы мен қарсылықтан туындайтын жоғалтуларын арттырады, демек, қарсылық жоғалтуларын және жылудан қорғау жүйесінің қосымша салмағын өтеу үшін отын тұтынуы артады. Отын тұтынуының артуы тотықтырғыш массасының үнемделуін ішінара өтеуге мүмкіндік береді; бұл жоғалтулар өз кезегінде ауамен дем алатын қозғалтқыштың жоғары нақты импульсімен (I) өтеледі. Осылайша, инженерлік таңдаулар өте күрделі және жобалаудағы болжамдарға өте сезімді. LOx және LH материалдарының салыстырмалы қасиеттері қосымша мәселелер тудырады. LOx өте арзан, ал LH шамамен екі рет қымбат. LOx тығыздығы жоғары (1,141 кг/л), ал LH өте төмен тығыздығына (0,0678 кг/л) ие, сондықтан көлемі зор. (LH2 бакінің үлкен көлемі көліктің алдыңғы бөлігінің ауданын ұлғайтып, қарсылық күшін арттырады.) Сонымен қатар, LOx бактері салыстырмалы түрде жеңіл және арзан, ал LH-дың терең криогендік қасиеттері мен ерекше физикалық сипаттамалары LH бактері мен құбыр жүйесінің үлкен болуын және ауыр, қымбат, экзотикалық материалдар мен жылу оқшаулағыштарын қолдануды талап етеді. Сондықтан, бір сатылы орбиталық зымыранда LH пайдаланудың артықшылықтары көмірсутек отынына қарағанда шығындармен өтелуі мүмкін, LACE құралында LH-ты қозғалтқыш және ауа сұйыту салқындатқышы ретінде пайдаланудың шығындары борттағы LOx көлемін азайтудан туындайтын пайдадан асып түсуі мүмкін. Ең маңыздысы, LACE жүйесі бірдей итермелеуге ие таза ракеталық қозғалтқыштан әлдеқайда ауыр (барлық типтегі ауамен дем алатын қозғалтқыштардың салмаққа қатысты итермелеуі ракеталарға қарағанда нашар), ал барлық типтегі ұшыру құралдарының жұмысына құралдың құрғақ салмағының (мысалы, қозғалтқыштардың) артуы әсер етеді, оны орбитаға дейін тасымалдау қажет. Сонымен қатар, ауамен дем алатын қозғалтқыштың ракетаға қарағанда салмаққа қатысты итермелеуінің төмендеуі ұшыру құралының максималды үдеуін айтарлықтай төмендетеді және орбиталық жылдамдыққа жететін уақыттың ұзаруына байланысты ауырлық күшінен туындайтын жоғалтуларды арттырады. Бұған қоса, баллистикалық траекториядағы таза ракетаға қарағанда көтеруге және ауамен дем алуға қабілетті ұшыру траекториясының жоғары қарсылық күші зымыран теңдеуіне «ауа дем алушының жүгі» деп аталатын қосымша айыппұл терминін енгізеді. Бұл термин көтеру және қарсылық арақатынасының (L/D) және ауырлық күшіне қатысты құралдың үдеуінің (a/g) гипердыбысты ауамен дем алатын құрал үшін ықтимал емес деңгейде болуын көрсетеді, ауамен дем алатын қозғалтқыштың жоғары нақты импульсының (I) артықшылықтары мен LOx массасының үнемделуі көбінесе жоғалады. Осылайша, LACE жобасының артықшылықтары мен кемшіліктері әлі де талқылауда.
Тарих
LACE 1950-жылдардың соңы мен 1960-жылдардың басында Америка Құрама Штаттарында белгілі бір дәрежеде зерттелді, онда ол "аэроғарыш ұшағы" деп аталатын қанатты ғарыш кемесі жобасына "табиғи" сай келетін болды. Ол кезде бұл тұжырым сұйық ауа жинау қозғалтқышы жүйесі үшін LACES деп аталды. Сұйытылған ауа мен сутегінің бір бөлігі тікелей қозғалтқышқа беріліп, жағылды. Ауаның басқа құраушыларынан, негізінен азот пен көмірқышқыл газынан, оттектің бөлінуі салыстырмалы түрде оңай екені дәлелденгеннен кейін, ауа жинау және байыту жүйесі үшін ACES деген жаңа тұжырым пайда болды. Бұл қалған газдармен не істеу керектігі мәселесін қалдырды. ACES азотты рамажеттік қозғалтқышқа жіберіп, қозғалтқыш ауамен жұмыс істеп тұрғанда және сұйық оттегі сақталып тұрғанда қосымша жұмыс сұйықтығы ретінде пайдаланды. Ұшақ көтерілген сайын және атмосфера жұқарағанда, ауа жетіспеушілігін бактан берілетін оттегі ағынының артуымен толықтырды. Бұл ACES-ті таза ракеталық LACE жобасына қарағанда экзекторлық рамажетке (немесе рамакетке) айналдырды. Marquardt Corporation және General Dynamics екеуі де LACES зерттеулеріне қатысты. Алайда, NASA "Mercury" жобасы кезінде баллистикалық капсулаларға көшкенде, қанатты көліктерді зерттеуге арналған қаржыландыру азайды, сонымен бірге ACES та азайды.