Введение
Концепция гибридного атмосферного реактивного двигателя – реактивные двигатели, которые охлаждают воздух, но не сжижают его. Двигатель с жидким воздушным циклом (LACE) – это тип двигателя космического аппарата, предназначенный для повышения эффективности за счет использования кислорода из атмосферы в качестве окислителя. Двигатель с циклом с жидким воздухом использует жидкий водород (LH2) для сжижения воздуха. В ракете, работающей на жидком кислороде и жидком водороде, жидкий кислород (LOX), необходимый для сгорания, составляет основную массу космического аппарата при взлете. Поэтому, если часть кислорода можно будет брать из атмосферы в полете, это может значительно уменьшить взлетный вес аппарата. LACE изучался в США в конце 1950-х – начале 1960-х годов, а к концу 1960-х компания Marquardt создала рабочую модель. Однако, когда NASA перешла к баллистическим капсулам в рамках проекта "Меркурий", финансирование исследований крылатых аппаратов постепенно сократилось, что затронуло и работы по LACE. LACE также был основой двигательной установки проекта British Aerospace HOTOL 1980-х годов, но он не вышел за рамки исследований.
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.
Принцип действия
Концептуально, LACE работает, сжимая и затем быстро переводя воздух в жидкое состояние. Сжатие достигается за счет эффекта набегающего потока в воздухозаборнике, аналогичном тому, что используется в высокоскоростных самолетах, таких как Конкорд, где регулируемые элементы воздухозаборника создают ударные волны, сжимающие воздух. Далее сжатый воздух продувается через теплообменник, по которому циркулирует жидкий водород. Это быстро охлаждает воздух, и его различные компоненты быстро сжижаются. Благодаря продуманной механической конструкции жидкий кислород отделяется от других компонентов воздуха, в частности, воды, азота и углекислого газа, после чего он может быть подан в двигатель как обычно. Очевидно, что ограничения теплообменника всегда приводят к работе этой системы с избыточным соотношением водорода к воздуху по сравнению со стехиометрическим, что снижает эффективность, и, следовательно, часть водорода сбрасывается в атмосферу.
Преимущества и недостатки
Использование крылатой ракеты-носителя позволяет использовать подъемную силу вместо тяги для преодоления гравитации, что значительно снижает гравитационные потери. С другой стороны, уменьшение гравитационных потерь достигается ценой значительно более высокого аэродинамического сопротивления и аэродинамического нагрева из-за необходимости оставаться в более плотных слоях атмосферы, чем чисто ракетная система во время фазы разгона. Чтобы существенно снизить массу кислорода, перевозимого при запуске, аппарату LACE необходимо проводить больше времени в нижних слоях атмосферы для сбора достаточного количества кислорода, необходимого для работы двигателей на оставшейся части траектории. Это приводит к значительному увеличению нагрева и потерь на сопротивление, что, в свою очередь, увеличивает расход топлива для компенсации потерь на сопротивление и дополнительной массы системы тепловой защиты. Это увеличение расхода топлива частично компенсирует экономию массы окислителя; эти потери, в свою очередь, компенсируются более высоким удельным импульсом I воздушно-реактивного двигателя. Таким образом, инженерные компромиссы, связанные с этим, весьма сложны и сильно зависят от принятых конструктивных предположений. Дополнительные проблемы связаны с относительными материальными и логистическими характеристиками LOx по сравнению с LH. LOx относительно дешев, в то время как LH почти на два порядка дороже. LOx имеет высокую плотность (1,141 кг/л), тогда как LH имеет очень низкую плотность (0,0678 кг/л) и, следовательно, очень объемен. (Чрезмерный объем баков LH2 имеет тенденцию увеличивать аэродинамическое сопротивление за счет увеличения лобовой площади аппарата.) Наконец, баки LOx относительно легкие и недорогие, в то время как глубокий криогенный характер и экстремальные физические свойства LH требуют, чтобы баки и трубопроводы LH были большими и изготавливались из тяжелых, дорогих и экзотических материалов с использованием теплоизоляции. Таким образом, как и в случае, когда затраты на использование LH вместо углеводородного топлива могут перевесить выгоду от использования LH в одноступенчатой ракете, затраты на использование большего количества LH в качестве топлива и хладагента для сжижения воздуха в LACE могут перевесить преимущества, полученные от необходимости перевозить меньшее количество LOx. Наиболее важно отметить, что система LACE значительно тяжелее, чем чисто ракетный двигатель той же тяги (воздушно-реактивные двигатели почти всех типов имеют относительно низкое отношение тяги к весу по сравнению с ракетами), и на характеристики ракет-носителей всех типов особенно сильно влияет увеличение сухой массы аппарата (например, двигателей), которую необходимо выводить на орбиту, в отличие от массы окислителя, которая сгорает в процессе полета. Кроме того, более низкое отношение тяги к весу воздушно-реактивного двигателя по сравнению с ракетой значительно снижает максимальное возможное ускорение ракеты-носителя и увеличивает гравитационные потери, поскольку требуется больше времени для разгона до орбитальной скорости. Кроме того, более высокие потери на сопротивление воздухозаборника и фюзеляжа при траектории запуска крылатого воздушно-реактивного аппарата по сравнению с чисто ракетной баллистической траекторией запуска вводит дополнительный штрафной член в уравнение ракеты, известный как "бремя воздухозаборника". Этот член подразумевает, что, если отношение подъемной силы к сопротивлению (L/D) и ускорение аппарата по отношению к гравитации (a/g) не являются невероятно большими для гиперзвукового воздушно-реактивного аппарата, преимущества более высокого удельного импульса I воздушно-реактивного двигателя и экономия массы LOx в значительной степени теряются. Таким образом, преимущества или недостатки конструкции LACE продолжают оставаться предметом дискуссий.
История
LACE изучался в некоторой степени в Соединенных Штатах Америки в конце 1950-х и начале 1960-х годов, где его считали "естественным" решением для проекта крылатого космического аппарата, известного как Aerospaceplane. В то время концепция называлась LACES – системой сбора и сжижения воздуха для двигателя. Затем сжиженный воздух и часть водорода подавались непосредственно в двигатель для сжигания. Когда было продемонстрировано, что относительно легко отделять кислород от других компонентов воздуха, в основном азота и углекислого газа, появилась новая концепция, получившая название ACES – система сбора и обогащения воздуха. Это оставляло проблему утилизации оставшихся газов. ACES вводил азот в прямоточный воздушно-реактивный двигатель, используя его в качестве дополнительного рабочего тела, пока двигатель работал на воздухе, а жидкий кислород накапливался. По мере подъема аппарата и разрежения атмосферы, недостаток воздуха компенсировался увеличением подачи кислорода из баков. Это делает ACES прямоточным воздушно-реактивным двигателем с эжекторным эффектом (или ракетным прямоточным двигателем), в отличие от чисто ракетной схемы LACE. В исследованиях LACES участвовали компании Marquardt Corporation и General Dynamics. Однако, когда NASA перешла к баллистическим капсулам в рамках проекта "Меркурий", финансирование исследований крылатых аппаратов постепенно сократилось, и вместе с ним прекратилось финансирование ACES.