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.

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.