Flüssigkeitsluftkreislaufmotor - Liquid air cycle engine

Informationen zu Triebwerken, die die Luft kühlen, aber nicht verflüssigen, finden Sie unter Vorgekühltes Triebwerk .

Ein Liquid Air Cycle Engine (LACE) ist eine Art Antriebsmotor für Raumfahrzeuge , der versucht, seinen Wirkungsgrad zu steigern, indem er einen Teil seines Oxidationsmittels aus der Atmosphäre sammelt . Ein Flüssigluftkreislaufmotor verwendet flüssigen Wasserstoff (LH2), um die Luft zu verflüssigen.

In einer Rakete mit flüssigem Sauerstoff / flüssigem Wasserstoff macht der für die Verbrennung benötigte flüssige Sauerstoff (LOX) den größten Teil des Gewichts des Raumfahrzeugs beim Abheben aus. Wenn also ein Teil davon unterwegs aus der Luft gesammelt werden kann, kann dies dramatisch sein Senken Sie das Startgewicht des Raumfahrzeugs.

LACE wurde in den späten 1950er und frühen 1960er Jahren in den USA zu einem gewissen Grad untersucht , und Ende 1960 lief in Marquardt ein Testbed-System. Als die NASA während des Projekts Mercury auf ballistische Kapseln umstieg, verschwand die Finanzierung für die Forschung an geflügelten Fahrzeugen langsam, und LACE arbeitete mit.

LACE war auch die Grundlage der Triebwerke für das britische HOTOL- Design der Luft- und Raumfahrt der 1980er Jahre, das jedoch nicht über Studien hinausging.

Funktionsprinzip

Konzeptionell arbeitet LACE, indem es die Luft komprimiert und dann schnell verflüssigt. Die Kompression wird durch den Staulufteffekt in einem Einlass ähnlich den auf einem Hochgeschwindigkeits - Flugzeugen wie gefunden erreicht Concorde , wo Einlaßrampen erzeugen Stoßwellen , die die Luft zu komprimieren. Das LACE-Design bläst dann die Druckluft über einen Wärmetauscher , in dem der flüssige Wasserstoffbrennstoff fließt. Dies kühlt die Luft schnell ab und die verschiedenen Bestandteile verflüssigen sich schnell. Durch sorgfältige mechanische Anordnung kann der flüssige Sauerstoff aus den anderen Teilen der Luft, insbesondere Wasser , Stickstoff und Kohlendioxid , entfernt werden. An diesem Punkt kann der flüssige Sauerstoff wie üblich in den Motor eingespeist werden. Es ist ersichtlich, dass Wärmetauscherbeschränkungen immer dazu führen, dass dieses System mit einem Wasserstoff / Luft-Verhältnis läuft, das viel fetter als stöchiometrisch ist, was zu einer Leistungsminderung führt und somit etwas Wasserstoff über Bord abgelassen wird.

Vorteile und Nachteile

Die Verwendung einer geflügelten Trägerrakete ermöglicht die Verwendung von Auftrieb anstelle von Schub zur Überwindung der Schwerkraft, wodurch die Schwerkraftverluste erheblich reduziert werden. Andererseits gehen die verringerten Schwerkraftverluste zu Lasten eines viel höheren Luftwiderstands und einer viel höheren aerodynamischen Erwärmung, da sie viel tiefer in der Atmosphäre bleiben müssen als eine reine Rakete während der Boost-Phase .

Um die beim Start mitgeführte Sauerstoffmasse spürbar zu reduzieren, muss ein LACE-Fahrzeug mehr Zeit in der unteren Atmosphäre verbringen, um genügend Sauerstoff zu sammeln, um die Motoren während des restlichen Starts zu versorgen. Dies führt zu stark erhöhten Fahrzeugheizungs- und Luftwiderstandsverlusten, wodurch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird, um die Luftwiderstandsverluste und die zusätzliche Masse des Wärmeschutzsystems auszugleichen . Dieser erhöhte Kraftstoffverbrauch gleicht die Einsparungen an Oxidationsmittelmasse etwas aus; Diese Verluste werden ihrerseits durch den höheren Offset spezifischen Impuls , I sp , des luftatmenden Triebwerks. Daher sind die damit verbundenen technischen Kompromisse recht komplex und sehr empfindlich gegenüber den getroffenen Entwurfsannahmen.

Weitere Probleme ergeben sich aus den relativen Material- und Logistikeigenschaften von LOx gegenüber LH 2 . LOx ist ziemlich billig; LH 2 ist fast zwei Größenordnungen teurer. LOx ist dicht (1,141 kg / l), während LH 2 eine sehr geringe Dichte (0,0678 kg / l) aufweist und daher sehr sperrig ist. (Die extreme Sperrigkeit der LH2 tankage neigt durch die Erhöhung des Fahrzeugs Fahrzeugwiderstand zu erhöhen Stirnfläche .) Schließlich LOx Tanks relativ leicht sind und ziemlich billig, während die tiefe kryogenen Natur und extreme physikalische Eigenschaften von LH 2 Mandat , dass LH 2 Tanks und Die Leitungen müssen groß sein und schwere, teure, exotische Materialien und Isolierungen verwenden. So wie die Kosten für die Verwendung von LH 2 anstelle eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs den I sp- Vorteil der Verwendung von LH 2 in einer Rakete mit einstufiger Umlaufbahn überwiegen können , sind die Kosten für die Verwendung von mehr LH 2 als Treibmittel und Luft- Das Verflüssigungskühlmittel in LACE kann die Vorteile überwiegen, die sich daraus ergeben, dass nicht so viel LOx an Bord mitgeführt werden muss.

Am wichtigsten ist, dass das LACE-System weitaus schwerer ist als ein reiner Raketentriebwerk mit demselben Schub (luftatmende Triebwerke fast aller Typen haben im Vergleich zu Raketen ein relativ schlechtes Schub-Gewichts-Verhältnis ) und die Leistung von Trägerraketen aller Typen Dies gilt insbesondere für die Zunahme der Fahrzeug-Trockenmasse (z. B. Triebwerke), die bis zur Umlaufbahn transportiert werden muss, im Gegensatz zur Oxidationsmittelmasse, die im Verlauf des Fluges abgebrannt würde. Darüber hinaus verringert das im Vergleich zu einer Rakete geringere Schub-Gewichts-Verhältnis eines luftatmenden Motors die maximal mögliche Beschleunigung der Trägerrakete erheblich und erhöht die Schwerkraftverluste, da mehr Zeit für das Beschleunigen auf die Orbitalgeschwindigkeit aufgewendet werden muss. Die höheren Einlass- und Luftwiderstandsverluste einer hebenden, luftatmenden Fahrzeugstartbahn im Vergleich zu einer reinen Rakete auf einer ballistischen Startbahn führen einen zusätzlichen Strafbegriff in die Raketengleichung ein, die als Luftentlüftungslast bekannt ist . Dieser Begriff impliziert, dass die Vorteile des höheren I- Werts nicht unplausibel groß sind , es sei denn, das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand ( L / D ) und die Beschleunigung des Fahrzeugs im Vergleich zur Schwerkraft ( a / g ) sind beide unplausibel groß sp des luftatmenden Motors und die Einsparungen an LOx-Masse gehen weitgehend verloren.

Daher sind die Vor- oder Nachteile des LACE-Designs weiterhin Gegenstand einiger Debatten.

Geschichte

LACE wurde in den späten 1950er und frühen 1960er Jahren in den Vereinigten Staaten von Amerika zu einem gewissen Grad untersucht , wo es als "natürlich" für ein geflügeltes Raumfahrzeugprojekt angesehen wurde, das als Luft- und Raumfahrtflugzeug bekannt ist . Zu dieser Zeit war das Konzept als LACES für Liquid Air Collection Engine System bekannt . Die verflüssigte Luft und ein Teil des Wasserstoffs werden dann zum Verbrennen direkt in den Motor gepumpt.

Als gezeigt wurde, dass es relativ einfach ist, den Sauerstoff von den anderen Luftkomponenten, hauptsächlich Stickstoff und Kohlendioxid, zu trennen, entstand ein neues Konzept als ACES für das Luftsammel- und -anreicherungssystem . Dies lässt das Problem offen, was mit den übrig gebliebenen Gasen zu tun ist. ACES injizierte den Stickstoff in ein Staustrahltriebwerk und verwendete ihn als zusätzliches Arbeitsmedium, während das Triebwerk mit Luft lief und der flüssige Sauerstoff gespeichert wurde. Als das Flugzeug stieg und die Atmosphäre dünner wurde, wurde der Luftmangel durch eine Erhöhung des Sauerstoffstroms aus den Tanks ausgeglichen. Dies macht ACES zu einem Ejektor-Ramjet (oder Ramrocket) im Gegensatz zum LACE-Design mit reiner Rakete.

Sowohl die Marquardt Corporation als auch General Dynamics waren an der LACES-Forschung beteiligt. Als die NASA während des Projekts Mercury auf ballistische Kapseln umstieg , verschwand die Finanzierung für die Erforschung von geflügelten Fahrzeugen langsam und ACES mit.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/1963/1963%20-%202241.PDF
  2. ^ Orloff, Benjamin. Eine vergleichende Analyse von Raketen- und Luftatmungsfahrzeugen im Einzelzustand (PDF) . AFIT / GAE / ENY / 06-J13.
  3. ^ "LOX / LH2: Eigenschaften und Preise" .
  4. ^ "Flüssigluftzyklus-Raketengleichung, Henry Spencer Kommentar" .

Externe Links