Motor de ciclo de aire líquido - Liquid air cycle engine

Para motores a reacción que enfrían pero no licúan el aire, consulte Motor a reacción preenfriado .

Un motor de ciclo de aire líquido (LACE) es un tipo de motor de propulsión de una nave espacial que intenta aumentar su eficiencia al recolectar parte de su oxidante de la atmósfera . Un motor de ciclo de aire líquido utiliza combustible de hidrógeno líquido (LH2) para licuar el aire.

En un cohete de oxígeno líquido / hidrógeno líquido , el oxígeno líquido (LOX) necesario para la combustión es la mayor parte del peso de la nave espacial en el despegue, por lo que si algo de esto se puede recolectar del aire en el camino, podría dramáticamente reducir el peso de despegue de la nave espacial.

LACE se estudió hasta cierto punto en los EE. UU. Durante finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, y a finales de 1960 Marquardt tenía un sistema de banco de pruebas en funcionamiento. Sin embargo, a medida que la NASA se trasladó a las cápsulas balísticas durante el Proyecto Mercurio , los fondos para la investigación de vehículos alados desaparecieron lentamente, y LACE trabajó junto con ellos.

LACE también fue la base de los motores en el diseño HOTOL de British Aerospace de la década de 1980, pero esto no avanzó más allá de los estudios.

Principio de funcionamiento

Conceptualmente, LACE funciona comprimiendo y luego licuando rápidamente el aire. La compresión se logra mediante el efecto ram-air en una admisión similar a la que se encuentra en un avión de alta velocidad como el Concorde , donde las rampas de admisión crean ondas de choque que comprimen el aire. El diseño LACE luego sopla el aire comprimido sobre un intercambiador de calor , en el que fluye el combustible de hidrógeno líquido . Esto enfría rápidamente el aire y los diversos componentes se licuan rápidamente. Mediante una cuidadosa disposición mecánica, el oxígeno líquido se puede eliminar de las otras partes del aire, en particular agua , nitrógeno y dióxido de carbono , en cuyo punto el oxígeno líquido se puede alimentar al motor como de costumbre. Se verá que las limitaciones del intercambiador de calor siempre hacen que este sistema funcione con una relación de hidrógeno / aire mucho más rica que la estequiométrica con la consiguiente penalización en el rendimiento y, por lo tanto, se vierte algo de hidrógeno por la borda.

Ventajas y desventajas

El uso de un vehículo de lanzamiento alado permite usar la elevación en lugar del empuje para superar la gravedad, lo que reduce en gran medida las pérdidas por gravedad. Por otro lado, las pérdidas de gravedad reducidas tienen el precio de una resistencia aerodinámica y un calentamiento aerodinámico mucho más altos debido a la necesidad de permanecer mucho más profundo en la atmósfera de lo que lo haría un cohete puro durante la fase de impulso .

Para reducir apreciablemente la masa de oxígeno transportada en el lanzamiento, un vehículo LACE necesita pasar más tiempo en la atmósfera inferior para recolectar suficiente oxígeno para suministrar a los motores durante el resto del lanzamiento. Esto conduce a un aumento considerable de las pérdidas por resistencia y calentamiento del vehículo, lo que por lo tanto aumenta el consumo de combustible para compensar las pérdidas por resistencia y la masa adicional del sistema de protección térmica . Este mayor consumo de combustible compensa en cierta medida los ahorros en la masa del oxidante; estas pérdidas, a su vez, se compensan con el impulso específico más alto , I sp , del motor que respira aire. Por lo tanto, las compensaciones de ingeniería involucradas son bastante complejas y muy sensibles a las suposiciones de diseño realizadas.

Otras cuestiones son introducidas por las propiedades materiales y logísticas relativas de LOx frente a LH 2 . LOx es bastante barato; La LH 2 es casi dos órdenes de magnitud más cara. LOx es denso (1.141 kg / L), mientras que LH 2 tiene una densidad muy baja (0.0678 kg / L) y por lo tanto es muy voluminoso. (El volumen extremo del tanque LH2 tiende a aumentar la resistencia del vehículo al aumentar el área frontal del vehículo ). Finalmente, los tanques LOx son relativamente livianos y bastante baratos, mientras que la naturaleza criogénica profunda y las propiedades físicas extremas de LH 2 exigen que los tanques LH 2 y La plomería debe ser grande y utilizar materiales y aislamiento pesados, costosos y exóticos. Por lo tanto, aunque los costos de usar LH 2 en lugar de un combustible de hidrocarburo pueden superar el beneficio de I sp de usar LH 2 en un cohete de una sola etapa a órbita , los costos de usar más LH 2 como propulsor y aire. El refrigerante de licuefacción en LACE puede superar los beneficios obtenidos al no tener que llevar tanto LOx a bordo.

Lo más significativo es que el sistema LACE es mucho más pesado que un motor de cohete puro que tiene el mismo empuje (los motores que respiran aire de casi todos los tipos tienen relaciones de empuje a peso relativamente bajas en comparación con los cohetes) y el rendimiento de los vehículos de lanzamiento de todo tipo. se ve particularmente afectado por los aumentos en la masa seca del vehículo (como los motores) que deben llevarse hasta la órbita, a diferencia de la masa oxidante que se quemaría durante el curso del vuelo. Además, la menor relación empuje-peso de un motor que respira aire en comparación con un cohete disminuye significativamente la máxima aceleración posible del vehículo de lanzamiento y aumenta las pérdidas de gravedad, ya que se debe gastar más tiempo para acelerar a la velocidad orbital. Además, las pérdidas de arrastre de entrada y de fuselaje más altas de una trayectoria de lanzamiento de un vehículo que se levanta y respira aire en comparación con un cohete puro en una trayectoria de lanzamiento balístico introduce un término de penalización adicional en la ecuación del cohete conocido como la carga del respirador de aire . Este término implica que, a menos que la relación elevación-arrastre ( L / D ) y la aceleración del vehículo en comparación con la gravedad ( a / g ) sean inverosímiles para un vehículo hipersónico que respira aire, las ventajas de la I más alta sp del motor de respiración de aire y los ahorros en masa LOx se pierden en gran medida.

Por lo tanto, las ventajas o desventajas del diseño LACE continúan siendo un tema de debate.

Historia

LACE se estudió hasta cierto punto en los Estados Unidos de América a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960, donde se lo consideró un ajuste "natural" para un proyecto de nave espacial alada conocido como Aerospaceplane . En ese momento, el concepto se conocía como LACES, para Liquid Air Collection Engine System . El aire licuado y parte del hidrógeno se bombea directamente al motor para quemarlo.

Cuando se demostró que era relativamente fácil separar el oxígeno de los otros componentes del aire, principalmente nitrógeno y dióxido de carbono, surgió un nuevo concepto como ACES para el sistema de enriquecimiento y recolección de aire . Esto deja el problema de qué hacer con los gases sobrantes. ACES inyectó nitrógeno en un motor ramjet , utilizándolo como fluido de trabajo adicional mientras el motor funcionaba con aire y se almacenaba el oxígeno líquido. A medida que la aeronave ascendía y la atmósfera se adelgazaba, la falta de aire se compensaba aumentando el flujo de oxígeno de los tanques. Esto hace que ACES sea un estatorreactor eyector (o ramrocket) en contraposición al diseño puro del cohete LACE.

Tanto Marquardt Corporation como General Dynamics participaron en la investigación de LACES. Sin embargo, a medida que la NASA se trasladó a las cápsulas balísticas durante el Proyecto Mercurio , los fondos para la investigación de vehículos alados desaparecieron lentamente, y ACES junto con ellos.

Ver también

Referencias

  1. ^ https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/1963/1963%20-%202241.PDF
  2. ^ Orloff, Benjamín. Un análisis comparativo de cohetes de estado único a órbita y vehículos que respiran aire (PDF) . AFIT / GAE / ENY / 06-J13.
  3. ^ "LOX / LH2: Propiedades y precios" .
  4. ^ "Ecuación del cohete del ciclo del aire líquido, comentario de Henry Spencer" .

enlaces externos