Nestemäisen moottorin moottori - Liquid air cycle engine

Lisätietoja jäähdytysmoottoreista, jotka eivät jäähdytä ilmaa, katso Esijäähdytetty suihkumoottori .

Nestemäinen ilma työkierron moottorin (LACE) on eräänlainen avaruusaluksen käyttövoima moottori, joka yrittää lisätä sen tehokkuutta keräämällä osa sen hapetin pois ilmakehään . Nestemäisen ilmakierron moottori käyttää nestemäistä vetyä (LH2) ilman nesteyttämiseen.

Kun nestemäinen happi / neste vety raketti , nestemäisen hapen (LOX) palamiseen tarvittavaa on suurin osa painosta avaruusaluksen lift-off, joten jos osa tästä voidaan kerätä ilmasta matkalla, se voisi dramaattisesti laske avaruusaluksen lentoonlähtöpainoa.

LACE: ta tutkittiin jossain määrin Yhdysvalloissa 1950-luvun lopulla ja 1960-luvun alussa, ja 1960-luvun loppupuolella Marquardtilla oli testisysteemi. Kuitenkin, kun NASA muutti ballistisiin kapseleihin Mercury-projektin aikana , siipisten ajoneuvojen tutkimuksen rahoitus katosi hitaasti, ja LACE työskenteli sen mukana.

LACE oli myös moottoreiden perusta 1980-luvun British Aerospace HOTOL -suunnittelussa, mutta tämä ei edennyt tutkimusten ulkopuolella.

Toimintaperiaate

Käsitteellisesti LACE toimii puristamalla ja sitten nopeasti nesteyttämällä ilmaa. Puristus saavutetaan paineilmaefektillä sisääntulossa, joka on samanlainen kuin suurnopeuskoneessa, kuten Concorde , missä imurampit luovat ilmaa puristavia iskuja . LACE suunnittelu sitten puhaltaa paineilmaa yli lämmönvaihtimen , jossa nestemäistä vetyä polttoaine virtaa. Tämä jäähdyttää ilmaa nopeasti, ja eri aineosat nesteytyvät nopeasti. Huolellisella mekaanisella järjestelyllä nestemäinen happi voidaan poistaa ilman muista osista, erityisesti vedestä , typestä ja hiilidioksidista , jolloin nestemäistä happea voidaan syöttää moottoriin tavalliseen tapaan. Nähdään, että lämmönvaihtimen rajoitukset saavat tämän järjestelmän toimimaan aina vety / ilma-suhteella, joka on paljon rikkaampi kuin stoikiometrinen, mistä seuraa seuraamuksia suorituskyvyssä ja siten osa vetyä kaadetaan yli laidan.

Hyödyt ja haitat

Siipisen kantoraketin käyttö sallii painovoiman voittamiseksi pikemminkin nostimen kuin työntövoiman , mikä vähentää painovoimahäviöitä huomattavasti . Toisaalta pienentyneet painovoimahäviöt aiheuttavat paljon suuremman aerodynaamisen vastuksen ja aerodynaamisen lämmityksen hinnan, koska tarve pysyä paljon syvemmällä ilmakehässä kuin puhdas raketti tehostusvaiheessa .

Lace-laukaisun aikana kuluvan hapen määrän vähentämiseksi tuntuvasti LACE-ajoneuvon on vietettävä enemmän aikaa ilmakehän alareunassa kerätäkseen tarpeeksi happea moottoreiden syöttämiseen loppuvuodesta. Tämä johtaa huomattavasti lisääntyneisiin ajoneuvojen lämmitys- ja vastushäviöihin, mikä siis lisää polttoaineenkulutusta vastushäviöiden ja lämpösuojajärjestelmän lisämassan kompensoimiseksi . Tämä lisääntynyt polttoaineenkulutus kompensoi jonkin verran hapettimen massan säästöjä; nämä tappiot puolestaan kompensoidaan korkeammalla ominaisimpulssi , I sp , ilma-hengitys moottori. Siten tekniset kompromissit ovat melko monimutkaisia ​​ja erittäin herkkiä tehdyille suunnitteluoletuksille.

Muita asioita tuovat esiin LOx : n suhteelliset materiaaliset ja logistiset ominaisuudet verrattuna LH 2: een . LOx on melko halpa; LH 2 on lähes kaksi suuruusluokkaa kalliimpaa. Lox on tiheä (1,141 kg / l), kun taas LH 2 on hyvin pieni tiheys (0,0678 kg / l), ja on näin ollen erittäin tilaa vieviä. (LH2-säiliön äärimmäinen tilavuus pyrkii lisäämään ajoneuvon vastusta lisäämällä ajoneuvon etupintaa .) Lopuksi, LOx-säiliöt ovat suhteellisen kevyitä ja melko halpoja, kun taas LH 2: n syvä kryogeeninen luonne ja äärimmäiset fysikaaliset ominaisuudet edellyttävät, että LH 2 -säiliöt ja putkiston on oltava suuri ja siinä on käytettävä raskaita, kalliita, eksoottisia materiaaleja ja eristyksiä. Siten, paljon kuin kustannukset käyttäen LH- 2 sijaan hiilivety voi hyvinkin ylittävät I sp hyöty käyttämällä LH 2 on yhden vaiheen-to-kiertoradalla raketti , käytöstä aiheutuvia kustannuksia lisää LH 2 ponneaineena ja ilma- nestemäinen jäähdytysneste LACE: ssa voi hyvinkin ylittää edut, joita ei tarvita kuljettaa aluksella yhtä paljon LOx: a.

Mikä merkittävintä, LACE-järjestelmä on paljon raskaampi kuin puhdas rakettimoottori, jolla on sama työntövoima ( melkein kaikentyyppisillä ilmahengitysmoottoreilla on suhteellisen heikko työntövoima-paino-suhde raketteihin verrattuna) ja kaikenlaisten kantorakettien suorituskyky vaikuttaa erityisesti ajoneuvon kuivamassan (kuten moottoreiden) lisääntyminen, joka on kuljetettava kiertoradalle päinvastoin kuin hapettimen massa, joka palaisi lennon aikana. Lisäksi ilmaa hengittävän moottorin alempi työntövoiman ja painon suhde rakettiin verrattuna vähentää merkittävästi kantoraketin suurinta mahdollista kiihtyvyyttä ja lisää painovoiman menetyksiä, koska kiertoradan nopeudelle kiihdyttämiseen on käytettävä enemmän aikaa. Myös korkeampi tulo- ja lentokoneen rungon vastuksen tappiot nosto-, ilma-hengitys ajoneuvo käynnistää lentoradan verrattuna puhtaaseen raketti on ballistinen käynnistää lentoradan otetaan käyttöön uusi sakkotermi osaksi raketti yhtälö tunnetaan ilma-ilmankuivain taakka . Tämä termi viittaa siihen, että ellei nostovoima-vastus-suhde ( L / D ) ja ajoneuvon kiihtyvyys painopainoon ( a / g ) nähden ole molemmat uskomattoman suuria hypersonic ilmaa hengittävälle ajoneuvolle, korkeamman I Ilman hengittävän moottorin sp ja LOx-massan säästöt menetetään suurelta osin.

Siksi LACE-mallin edut tai haitat ovat edelleen jonkin verran keskustelua.

Historia

LACE-tekniikkaa tutkittiin jossain määrin Amerikan yhdysvalloissa 1950-luvun lopulla ja 1960-luvun alussa, missä sen katsottiin olevan "luonnollinen" sopiva siipiseen avaruusalushankkeeseen, joka tunnetaan nimellä Aerospaceplane . Tuolloin käsite tunnettiin nauhoja, sillä Liquid Air Collection Moottorijärjestelmätestaus . Nesteytetty ilma ja osa vedystä pumpataan sitten suoraan moottoriin palamista varten.

Kun osoitettiin, että hapen erottaminen ilman muista komponenteista, enimmäkseen typestä ja hiilidioksidista, oli suhteellisen helppoa, ilmestyi uusi käsite ACES: ksi ilmankeräys- ja rikastusjärjestelmälle . Tämä jättää ongelman siitä, mitä tehdä jäljelle jääneille kaasuille. ACES ruiskutettiin typen osaksi patopainemoottorin moottori, käyttäen sitä lisä- työnesteen , kun moottori on käynnissä ilma ja neste happi on tallennettu. Kun ilma nousi ja ilmakehä ohensi, ilman puute kompensoitiin lisäämällä happivirtausta säiliöistä. Tämä tekee ACES: stä ejector ramjet (tai ramrocket) toisin kuin puhdas raketin LACE-muotoilu.

Sekä Marquardt Corporation että General Dynamics olivat mukana LACES-tutkimuksessa. Kuitenkin, kun NASA muutti ballistisiin kapseleihin Mercury-projektin aikana , siipisten ajoneuvojen tutkimuksen rahoitus katosi hitaasti, ja ACES sen mukana.

Katso myös

Viitteet

  1. ^ https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/1963/1963%20-%202241.PDF
  2. ^ Orloff, Benjamin. Vertaileva analyysi Singe-State-to-Orbit -raketti- ja ilmaa hengittävistä ajoneuvoista (PDF) . AFIT / GAE / ENY / 06-J13.
  3. ^ "LOX / LH2: Ominaisuudet ja hinnat" .
  4. ^ "Nestemäisen ilmaradan rakettikaava, Henry Spencerin kommentti" .

Ulkoiset linkit