액체 공기 사이클 엔진
Liquid air cycle engine액체 공기 순환 엔진(LACE)은 대기 중 산화제의 일부를 모아 효율을 높이려는 우주선 추진 엔진의 일종이다.액체 공기 사이클 엔진은 액체 수소(LH2) 연료를 사용하여 공기를 액화한다.
액체 산소/액체 수소 로켓에서, 연소에 필요한 액체 산소(LOX)는 발사 시 우주선의 무게의 대부분을 차지하기 때문에, 만약 이 중 일부를 도중에 공중에서 모을 수 있다면, 우주선의 이륙 중량을 극적으로 낮출 수 있을 것이다.
LACE는 1950년대 후반과 1960년대 초반에 미국에서 어느 정도 연구되었고 1960년대 후반에는 테스트베드 시스템이 가동되었다.그러나 NASA가 머큐리 프로젝트 기간 동안 탄도 캡슐로 이동함에 따라 날개 달린 차량에 대한 연구 자금이 서서히 사라졌고, LACE도 이와 함께 작동하게 되었다.
LACE는 1980년대 브리티시 에어로스페이스 HOTOL 설계의 엔진 기반이기도 했지만,[dubious ][citation needed] 연구 이상으로 발전하지는 않았다.
작동 원리
개념적으로 LACE는 공기를 압축한 후 신속하게 액화함으로써 작동합니다.압축은 Concorde와 같은 고속 항공기에서 볼 수 있는 흡기구에서 램에어 효과를 통해 이루어지며, 흡기구 램은 공기를 압축하는 충격파를 생성한다.그런 다음 LACE 설계는 압축 공기를 액체 수소 연료가 흐르는 열 교환기 위로 날려보냅니다.이것은 공기를 빠르게 냉각시키고, 다양한 성분이 빠르게 액상화된다.세심한 기계적 배치를 통해 액체 산소는 공기의 다른 부분, 특히 물, 질소 및 이산화탄소에서 제거될 수 있으며, 이때 액체 산소는 평소처럼 엔진으로 공급될 수 있습니다.열교환기 한계로 인해 이 시스템은 항상 화학측정학보다 훨씬 풍부한 수소/공기비로 작동하며 그에 따른[1] 성능 저하로 인해 일부 수소가 배 밖으로 방출된다.
장점과 단점
날개 달린 발사체를 사용하면 중력을 극복하기 위해 추진력보다는 양력을 사용할 수 있어 중력 손실을 크게 줄일 수 있다.반면, 중력 손실 감소는 공기역학적 항력과 공기역학적 가열이 훨씬 더 높은 대가를 치르게 되는데, 이는 순수한 로켓이 부스트 단계에서 할 수 있는 것보다 훨씬 더 깊이 대기 안에 있어야 하기 때문입니다.
발사 시 운반되는 산소의 질량을 현저히 줄이기 위해 LACE 차량은 저공에서 더 많은 시간을 보내 발사 남은 시간 동안 엔진에 공급할 충분한 산소를 모아야 합니다.이는 차량 난방 및 드래그 손실을 크게 증가시켜 연료 소비량을 증가시켜 드래그 손실과 열 보호 시스템의 추가 질량을 상쇄합니다.이렇게 증가한 연료 소비량은 산화제 질량의 절감 효과를 어느 정도 상쇄합니다. 이러한 손실은 공기 흡입 엔진의 높은 비 임펄스 I에sp 의해 상쇄됩니다.따라서 관련된 공학적 트레이드오프는 매우 복잡하고 [2]설계상의 가정에 매우 민감합니다.
다른 문제는 LOx2 대 LH의 상대적인 물자 및 물류 특성으로 인해 발생합니다. LOx는 상당히 저렴합니다2. LH는 거의 두 배 정도 더 [3]비쌉니다.LOx는 밀도가 1.141kg/L인 반면2, LH는 밀도가 매우 낮기 때문에(0.067kg/L) 부피가 매우 큽니다. (LH2 탱크의 부피가 극단적으로 커 차량 전면 면적이 커짐에 따라 차량 드래그가 증가하는 경향이 있습니다.)마지막으로, LOx 탱크는 비교적 가볍고 꽤 저렴한 반면, LH의2 깊은 극저온 특성과 극단적인 물리적 특성으로2 인해 LH 탱크와 배관은 반드시 크고, 비싸고, 이국적인 재료와 단열재를 사용해야 한다.따라서 탄화수소 연료보다는 LH를 사용하는2 비용이 단일 단대 궤도 로켓에서 LH를 사용하는2 것의 이점보다sp 훨씬 클 수 있지만, LAC에서 추진제 및 공기 액화 냉각제로 더 많은2 LH를 사용하는 비용은 기내에 많은 LOx를 탑재하지 않아도 됨으로써 얻을 수 있는 이점보다 훨씬 더 클 수 있습니다.
가장 중요한 것은, LACE 시스템이 동일한 추력을 가진 순수 로켓 엔진보다 훨씬 무겁다는 것이다(거의 모든 유형의 공기 흡입 엔진은 로켓에 비해 상대적으로 추력 대 중량 비율이 낮다). 그리고 모든 유형의 발사체의 성능은 특히 다음과 같은 차량 건조 질량의 증가에 의해 영향을 받는다(예: 엔진).산화제 덩어리가 비행하는 동안 연소되는 것과는 반대로 궤도로 계속 운반되었다.게다가 공기 호흡 엔진의 추력 대 중량비가 로켓에 비해 낮기 때문에 발사체의 최대 가능한 가속도가 현저히 감소하고 궤도 속도까지 가속하는 데 더 많은 시간이 소요되므로 중력 손실이 증가한다.또한 탄도 발사 궤도의 순수 로켓에 비해 인양 공기 배출 차량 발사 궤적의 흡입구 및 기체 항력 손실이 높기 때문에 L1}{1})이 로 합니다.을(를) 공기-호흡기 [4]부담으로 알려진 로켓 방정식으로 변환합니다.이는 극초음속 공기 호흡 차량에 대한 리프트 대 드래그 비(L/D) 및 중력 대비 차량의 가속도(a/g)가 모두 믿기 어려울 정도로 크지 않은 한 공기 호흡 엔진의 높은sp I와 LOx 질량의 절감 효과가 크게 상실된다는 것을 의미합니다.
(를) 공기-호흡기 따라서 LACE 설계의 장점과 단점은 여전히 논란의 여지가 있습니다.
역사
LACE는 1950년대 후반과 1960년대 초반에 미국에서 어느 정도 연구되었으며, 항공우주비행기로 알려진 날개 달린 우주선 프로젝트에 "자연스러운" 것으로 여겨졌다.당시 이 개념은 액체 공기 수집 엔진 시스템의 LACES로 알려져 있었습니다.그런 다음 액화된 공기와 일부 수소는 연소하기 위해 엔진으로 직접 펌프됩니다.
산소를 공기의 다른 성분(주로 질소와 이산화탄소)에서 분리하는 것이 비교적 쉽다는 것이 입증되었을 때, 새로운 개념이 공기 수집 및 농축 시스템을 위한 ACES로 등장했습니다.이것은 남은 가스를 어떻게 처리하느냐의 문제를 남긴다.ACES는 엔진이 공기로 작동하고 액체 산소가 저장되는 동안 질소를 램젯 엔진에 주입하여 추가적인 작동 유체로 사용했습니다.항공기가 상승하고 대기가 희박해짐에 따라, 탱크에서 산소의 흐름을 증가시킴으로써 공기 부족을 상쇄시켰다.따라서 ACES는 순수한 로켓 LACE 설계와는 달리 이젝트 램젯(또는 램로켓)이 됩니다.
Marquardt Corporation과 General Dynamics는 모두 LACES 연구에 참여했습니다.그러나 NASA가 수성 프로젝트 기간 동안 탄도 캡슐로 이동하면서 날개 달린 차량에 대한 연구 자금이 서서히 사라졌고 ACES도 이와 함께 사라졌다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2015-02-13. Retrieved 2019-05-27.
{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크) - ^ Orloff, Benjamin. A Comparative Analysis of Singe-State-To-Orbit Rocket and Air-Breathing Vehicles (PDF). AFIT/GAE/ENY/06-J13. Archived (PDF) from the original on June 4, 2011.
- ^ "LOX/LH2: Properties and Prices". Archived from the original on March 13, 2002.
- ^ "Liquid Air Cycle Rocket Equation, Henry Spencer Comment".
