Motor cu ciclu de aer lichid

Schema simplificată a unui motor LACE.
1) Admisie de aer
2) Schimbător de căldură
3) rezervor LH ₂ (în roșu)
4) Condensator
5) turbopompe LH ₂ și LAIR
6) Turbină
7) Aer lichefiat (în albastru)
8) Camera de ardere
9) Duză.

Motorul cu ciclu de aer lichid (LACE) (în italiană cu motor cu ciclu înalt de aer lichefiat ) este o elice care, în timpul dell-ului care traversează atmosfera Pământului , lichefiază și stochează conținutul de oxigen în aer pentru a reduce greutatea la decolare a unui navă spațială . Deoarece într-un vector acționat de un endoreator alimentat cu oxigen și hidrogen, majoritatea greutății se datorează oxigenului lichid, acumularea de oxigen în timpul zborului în atmosferă face posibilă reducerea substanțială a greutății navetei la decolare.

Acesta este modul în care inginerii companiei californiene Marquardt Company au botezat noul sistem de propulsie între sfârșitul anilor cincizeci și începutul anilor șaizeci . Ideea a fost de a proiecta un propulsor pentru navete spațiale care să îmbunătățească impulsul specific al rachetelor existente ^[1] .

Principiul de funcționare

Funcționarea LACE se bazează pe compresia și lichefierea rapidă a aerului ingerat de motor. Compresia se obține prin intermediul unei prize de aer supersonice a cărei geometrie particulară generează o succesiune adecvată de unde de șoc care comprimă aerul. Aceasta ulterior se răcește și se condensează prin lovirea unui schimbător de căldură adus la temperatura criogenică de hidrogen lichid. În acest moment, aerul lichefiat poate fi pompat direct în camera de ardere (LACE de bază) sau, pentru cicluri LACE mai rafinate, oxigenul poate fi separat ulterior și reacționat cu hidrogen ca într-o rachetă convențională cu propulsor lichid .

Aceste caracteristici plasează DANTELE între exoreactori și endoreactori . Pentru a genera o împingere la un punct fix sau la turații mici, cantitatea de aer intrat nu este suficientă pentru a alimenta arderea și motorul trebuie să se bazeze, ca un endoreactor, pe oxidanții depozitați anterior. Cu toate acestea, la viteză mare, poate arde oxigenul atmosferic ca un exoreactor sau chiar stoca o parte din acesta pentru o fază de zbor transatmosferică sau de viteză mică (din nou ca un endoreactor).

Pulsul specific al unui LACE variază de la 1000 s pentru ciclu folosind aer până la 3000 - 4000 secunde și un interval de viteză de la 0 la aproximativ Mach 4 pentru ciclul cu separare de oxigen ^[1] .

Schimbător de căldură

Modul schimbător de căldură motor Scimitar. Foto: ESA

Una dintre componentele critice pentru acest tip de motor este schimbătorul de căldură. Comparativ cu un schimbător format din tuburi și foi de disipare (cum ar fi un radiator clasic pentru mașină), un schimbător de tuburi a fost mai puțin supus fenomenelor de îngheț și blocării relative a fluxului de aer, permițând scurgerea mai ușoară și mai rapidă a condensului . Alte metode utilizate pentru a reduce problema înghețului includ tehnici speciale pentru acoperirea și finisarea suprafeței țevilor, vibrațiile cu ultrasunete ale schimbătorului, fluxul pulsat și dezghețarea cu etilen glicol ^[1] .

Utilizarea hidrogenului

Într-un ciclu LACE, hidrogenul elimină energia termică din aerul de intrare și eliberează energie chimică prin combinarea cu oxigenul din camera de ardere. Pentru a crește eficiența schimbătorului, este necesară capacitatea maximă de disipare a căldurii a sistemului, folosind catalizatori pentru conversia para-hidrogenului în orto-hidrogen . În acest fel, reacția de conversie endotermică dintre cele două forme poate fi exploatată pentru a crește cantitatea de aer lichid produs, permițând utilizarea unor schimbătoare mai compacte. Depozitarea unei „suspensii” de hidrogen lichid și solid aproape de punctul său triplu ^[2] , poate fi utilizată pentru o „regenerare” a oricărui exces de hidrogen necesar în procesul de lichefiere a aerului și, în consecință, îmbunătățirea impulsului specific ^{[ 1]} .

Pentru a reduce problemele de fragilizare a hidrogenului în motorul hibrid SABER (precum și în motorul cu jet pre-răcit derivat Scimitar ), hidrogenul nu răcorește direct schimbătorul (și, prin urmare, aerul), ci se interpune un ciclu închis cu heliu. acesta.circulează în schimbător după ce a fost răcit de hidrogen direcționat către camera de ardere. Creșterea complexității introdusă de ciclul heliului ar compensa, de asemenea, consecințele catastrofale ale unei posibile pierderi de hidrogen în schimbător și amestecarea ulterioară cu oxigenul lichid. ^[3]

Considerații energetice

Utilizarea unui lansator cu decolare orizontală vă permite să câștigați altitudine prin exploatarea ridicării mai degrabă decât a tracțiunii , reducând semnificativ pierderile gravitaționale ale purtătorilor de decolare verticale convenționale.

Pe de altă parte, pentru a reduce semnificativ masa de oxigen la decolarea unui purtător spațial, lansatorul va trebui să petreacă mai mult timp în partea inferioară a atmosferei pentru a încărca oxigenul necesar pentru funcționarea motoarelor, cu pierderi datorate rezistenței aerodinamice și problemelor de supraîncălzire a fuselajului. Acest lucru duce la un consum suplimentar, care trebuie luat în considerare pentru a evalua confortul sistemului de lansare ^[4] .

Notă

^ ^a ^b ^c ^d Jerry Rosevear, Motoare cu ciclu de aer lichid ( PDF ), Centrul de cercetare Lewis Lewis, Atelier de tehnologie de propulsie bazat pe cicluri combinate (RBCC), 1.
^ Producerea de amestecuri lichide-solide de hidrogen folosind un melc .
^ Reaction Engines Ltd Arhivat 15 iunie 2011 la Internet Archive . Sensibilitatea performanței motorului de răcire a aerului pre-răcit la parametrii de proiectare a schimbătorului de căldură.
^ B. Orloff O analiză comparativă a vehiculelor rachete și aer-respirație Singe-State-To-Orbit.