Sıvı hava döngüsü motoru - Liquid air cycle engine

Havayı soğutan ancak sıvılaştırmayan jet motorları için bkz. Ön soğutmalı jet motoru .

Bir sıvı hava zamanlı motor (dantel) bir tür uzay aracı tahrik girişimleri onun bir parçası toplama etkinliğinin artırılması için bu motor oksitleyici gelen atmosfer . Bir sıvı hava döngüsü motoru , havayı sıvılaştırmak için sıvı hidrojen (LH2) yakıtı kullanır .

Bir de sıvı oksijen / sıvı hidrojen roket , sıvı oksijen yakılması için gerekli olan (LOX) havalanma uzay aracı, ağırlıkça büyük bir kısmının bu bazı yolunda hava alınabilir, bu yüzden, bu dramatik olabilir, bir uzay aracının kalkış ağırlığını azaltın.

LACE, 1950'lerin sonlarında ve 1960'ların başlarında ABD'de bir ölçüde çalışıldı ve 1960'ların sonlarında Marquardt'ın çalışan bir test yatağı sistemi vardı. Bununla birlikte, NASA , Mercury Projesi sırasında balistik kapsüllere geçtikçe , kanatlı araçlarla ilgili araştırma fonları yavaş yavaş ortadan kalktı ve LACE bununla birlikte çalışıyor.

LACE ayrıca 1980'lerin İngiliz Havacılık ve Uzay Sanayii HOTOL tasarımındaki motorların temelini oluşturdu , ancak bu çalışmaların ötesine geçmedi.

Çalışma prensibi

LACE, kavramsal olarak havayı sıkıştırarak ve ardından hızla sıvılaştırarak çalışır. Sıkıştırma gibi yüksek hızlı uçaklarda bulunana benzer bir alımı şahmerdan hava etkisi ile elde edilir Concorde , emme rampalar oluşturmak şok dalgaları hava sıkıştırmak. Dantel tasarımı daha sonra fazla sıkıştırılmış hava üfler ısı değiştirici içinde, sıvı hidrojen yakıt akıyor. Bu, havayı hızla soğutur ve çeşitli bileşenler hızla sıvılaşır. Dikkatli mekanik düzenleme ile sıvı oksijen havanın diğer kısımlarından, özellikle su , nitrojen ve karbondioksitten çıkarılabilir, bu noktada sıvı oksijen her zamanki gibi motora beslenebilir. Isı eşanjörü sınırlamalarının bu sistemin her zaman stoikiometrik olandan çok daha zengin bir hidrojen / hava oranıyla çalışmasına ve sonuç olarak performansın düşmesine neden olduğu ve dolayısıyla bir miktar hidrojenin denize atıldığı görülecektir.

Avantajlar ve dezavantajlar

Kanatlı fırlatma aracının kullanılması , yerçekiminin üstesinden gelmek için itme kuvveti yerine kaldırma kullanımına izin verir ve bu da yerçekimi kayıplarını büyük ölçüde azaltır . Öte yandan, azalan yerçekimi kayıpları , atmosferde saf bir roketin yükseltme aşamasında olacağından çok daha derin kalma ihtiyacı nedeniyle çok daha yüksek aerodinamik sürtünme ve aerodinamik ısınmanın bedeli olarak karşımıza çıkıyor .

Fırlatma sırasında taşınan oksijen kütlesini önemli ölçüde azaltmak için, bir LACE aracının, fırlatmanın geri kalanında motorları beslemeye yetecek kadar oksijen toplamak için alt atmosferde daha fazla zaman geçirmesi gerekir. Bu, araç ısınması ve sürükleme kayıplarının büyük ölçüde artmasına neden olur ve bu nedenle, sürtünme kayıplarını ve termal koruma sisteminin ek kütlesini dengelemek için yakıt tüketimini artırır . Bu artan yakıt tüketimi, oksitleyici kütlesindeki tasarrufları bir şekilde dengelemektedir; bu kayıplar da daha yüksek telafi edilir belirli dürtü , ben sp hava soluyan motorun. Bu nedenle, ilgili mühendislik değiş tokuşları oldukça karmaşıktır ve yapılan tasarım varsayımlarına karşı oldukça hassastır.

Diğer sorunlar, LOx ve LH 2'nin göreceli malzeme ve lojistik özelliklerinden kaynaklanmaktadır . LOx oldukça ucuzdur; LH 2 , neredeyse iki kat daha pahalıdır. LH ise LOX, yoğun (1.141 kg / L) ' 2 , çok düşük yoğunluklu (0.0678 kg / l) sahip olan ve bu nedenle çok büyük bir. (LH2 tankajının aşırı hacimliliği, aracın ön alanını artırarak araç direncini artırma eğilimindedir .) Son olarak, LOx tankları nispeten hafif ve oldukça ucuzken, LH 2'nin derin kriyojenik yapısı ve aşırı fiziksel özellikleri LH 2 tanklarını ve sıhhi tesisat büyük olmalı ve ağır, pahalı, egzotik malzemeler ve yalıtım kullanmalıdır. Bu nedenle, LH kullanılmasının maliyeti kadar 2 yerine daha hidrokarbon yakıtı da daha fazla olabilir I sp LH kullanmanın yararı 2 a tek kademeli-için-yörünge roket , daha fazla LH kullanılmasının maliyeti 2 , bir sevk maddesi gibi hava LACE'deki sıvılaştırma soğutucusu, gemide çok fazla LOx taşımaya gerek kalmayarak kazanılan faydalardan çok daha ağır basabilir.

En önemlisi, LACE sistemi, aynı itiş gücüne sahip saf bir roket motorundan çok daha ağırdır ( hemen hemen her türden hava soluyan motorlar, roketlere kıyasla nispeten zayıf ağırlık / ağırlık oranlarına sahiptir ) ve her türden fırlatma araçlarının performansından çok daha ağırdır. uçuş sırasında yanacak olan oksitleyici kütlenin aksine, aracın kuru kütlesindeki artışlardan (motorlar gibi) özellikle etkilenir. Dahası, bir rokete kıyasla hava soluyan bir motorun daha düşük itme-ağırlık oranı fırlatma aracının mümkün olan maksimum ivmesini önemli ölçüde azaltır ve yörünge hızına hızlanmak için daha fazla zaman harcanması gerektiğinden yerçekimi kayıplarını artırır . Ayrıca, bir balistik fırlatma yörüngesindeki saf bir rokete kıyasla, kaldırma, hava soluyan bir araç fırlatma yörüngesinin daha yüksek giriş ve gövde sürükleme kayıpları , hava-havalandırma yükü olarak bilinen roket denklemine ek bir ceza terimi getirir . Bu terim, kaldırma-sürükleme oranı ( L / D ) ve yerçekimine ( a / g ) kıyasla aracın ivmesinin her ikisi de hipersonik hava soluyan bir araç için mantıksız derecede büyük olmadıkça , daha yüksek I sp hava soluyan motor ve LOX kitlesinde tasarrufların büyük ölçüde kaybolur.

Bu nedenle, LACE tasarımının avantajları veya dezavantajları bir miktar tartışma konusu olmaya devam etmektedir.

Tarih

LACE, 1950'lerin sonlarında ve 1960'ların başlarında Amerika Birleşik Devletleri'nde bir dereceye kadar çalışıldı ve burada Aerospaceplane olarak bilinen kanatlı bir uzay aracı projesi için "doğal" bir uyum olarak görüldü . O zamanlar konsept, Sıvı Hava Toplama Motor Sistemi için LACES olarak biliniyordu . Sıvılaştırılmış hava ve hidrojenin bir kısmı daha sonra yanmak için doğrudan motora pompalanır.

Oksijeni havanın diğer bileşenlerinden, çoğunlukla nitrojen ve karbondioksitten ayırmanın nispeten kolay olduğu ortaya çıktığında, Hava Toplama ve Zenginleştirme Sistemi için ACES olarak yeni bir kavram ortaya çıktı . Bu, artık gazlarla ne yapılacağı sorununu ortaya çıkarır. ACES, nitrojeni motor havada çalışırken ve sıvı oksijen depolanırken ek çalışma sıvısı olarak kullanarak ramjet motoruna enjekte etti . Uçak tırmanırken ve atmosfer incelirken, hava eksikliği tanklardan oksijen akışı artırılarak telafi edildi. Bu, ACES'i saf roket LACE tasarımının aksine bir fırlatma ramjet (veya ramrocket) yapar.

Hem Marquardt Corporation hem de General Dynamics , LACES araştırmasında yer aldı. Ancak NASA , Mercury Projesi sırasında balistik kapsüllere geçtikçe , kanatlı araçlarla ilgili araştırma finansmanı yavaş yavaş ortadan kalktı ve ACES bununla birlikte.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/1963/1963%20-%202241.PDF
  2. ^ Orloff Benjamin. Tek Durumdan Yörüngeye Roket ve Hava Soluyan Araçların Karşılaştırmalı Bir Analizi (PDF) . AFIT / GAE / ENY / 06-J13.
  3. ^ "LOX / LH2: Özellikler ve Fiyatlar" .
  4. ^ "Sıvı Hava Çevrimi Roket Denklemi, Henry Spencer Yorumu" .

Dış bağlantılar