液体空気サイクルエンジン

液体空気サイクルエンジン（LACE ）は、大気から酸化剤の一部を集めることで効率を高めようとする宇宙船の推進エンジンの一種です。液体空気サイクルエンジンは、液体水素（LH2）燃料を使用して空気を液化します。

液体酸素/液体水素ロケットでは、燃焼に必要な液体酸素（LOX）が打ち上げ時の宇宙船の重量の大部分を占めるため、その一部を途中で空気中から収集できれば、宇宙船の離陸重量を大幅に軽減できる可能性があります。

LACEは1950年代後半から1960年代初頭にかけて米国である程度研究され、 [ 1 ]、1960年代後半にはMarquardtがテストベッドシステムを稼働させ、エジェクターエンジンと名付けました。[ 2 ]しかし、NASAがマーキュリー計画で弾道カプセルの開発に移行すると、有翼機の研究資金は徐々に減少し、LACEの研究もそれとともに減少しました。1990年代には、ロケットベースの複合サイクルエンジンへの関心が再燃し、NASAのX-43シリーズでテストされました。

LACE は、 1980 年代の British Aerospace HOTOL設計のエンジンの基礎でもありました。

動作原理

概念的には、LACEは空気を圧縮し、その後急速に液化することで機能します。圧縮は、コンコルドなどの高速航空機に見られるものと同様の吸気口でのラムエア効果によって実現され、吸気ランプが衝撃波を作り出して空気を圧縮します。次に、LACEの設計により、圧縮された空気は、液体水素燃料が流れる熱交換器に吹き付けられます。これにより空気が急速に冷却され、さまざまな成分が急速に液化します。注意深い機械的配置により、液体酸素は空気の他の部分、特に水、窒素、二酸化炭素から除去することができ、その時点で液体酸素を通常通りエンジンに供給できます。熱交換器の制限により、このシステムは常に化学量論的比率よりもはるかに高い水素/空気比で動作し、結果として性能が低下します[ 3 ] 。そのため、一部の水素は機外に排出されます。

メリットとデメリット

有翼ロケットの使用により、推力ではなく揚力を利用して重力を克服できるため、重力損失が大幅に低減されます。一方で、重力損失の低減は、ブースト段階において純粋なロケットよりもはるかに深い大気圏内に留まる必要があるため、空気抵抗と空力加熱が大幅に増加するという代償を伴います。

打ち上げ時に搭載する酸素の質量を大幅に削減するために、LACE機は下層大気圏でより長い時間を過ごして、残りの打ち上げ期間中にエンジンに供給するのに十分な酸素を集める必要がある。これは機体の加熱と抗力損失の大幅な増加につながり、抗力損失と熱保護システムの追加質量を相殺するために燃料消費量を増加させる。この燃料消費量の増加は酸化剤質量の削減をある程度相殺するが、これらの損失は空気吸入エンジンのより高い比推力I spによって相殺される。したがって、関連するエンジニアリングのトレードオフは非常に複雑であり、設計上の仮定に非常に敏感である。[ 4 ]

その他の問題は、 LOxとLH2の相対的な材料特性と物流特性によって生じます。LOxはかなり安価ですが、LH2はほぼ2桁高価です。[ 5 ] LOxは密度が高い（1.141 kg/L）のに対し、LH2は密度が非常に低い（0.0678 kg/L）ため、非常にかさばります。（LH2タンクが非常にかさばると、車両の前面面積が増加して車両の抗力が増加する傾向があります。）最後に、LOxタンクは比較的軽量でかなり安価ですが、 LH2の極低温特性と極端な物理的特性により、LH2タンクと配管は大きく、重くて高価な特殊材料と断熱材を使用する必要があります。したがって、炭化水素燃料ではなくLH 2 を使用するコストが単段軌道ロケットでLH 2を使用する利点を上回る可能性があるのと同様に、LACE で推進剤および空気液化冷却剤としてより多くの LH 2を使用するコストは、機内に大量の LOx を持ち込む必要がなくなることから得られる利点を上回る可能性があります。

最も重要なのは、LACE システムは、同じ推力を持つ純粋なロケット エンジンよりもはるかに重いことです (ほとんどすべての種類の空気吸入エンジンは、ロケットに比べて推力重量比が比較的低い)。また、すべての種類の打ち上げロケットの性能は、飛行中に燃え尽きる酸化剤の質量ではなく、軌道まで運ぶ必要がある車両の乾燥質量 (エンジンなど) の増加によって特に影響を受けます。さらに、ロケットに比べて空気吸入エンジンの推力重量比が低いため、打ち上げロケットの最大加速度が大幅に低下し、軌道速度まで加速するのに時間がかかるため、重力による損失が増加します。また、揚力のある空気吸入車両の打ち上げ軌道では、弾道打ち上げ軌道の純粋なロケットに比べて、吸気抵抗と機体の抗力損失が大きいため、空気吸入装置の負担と呼ばれる追加のペナルティ項がロケット方程式に導入されます。[ 6 ]この用語は、極超音速空気吸入機にとって、揚力抗力比（L / D）と重力に対する機体の加速度（a / g ）の両方が信じられないほど大きくなければ、空気吸入エンジンのより高いI spとLOx質量の節約の利点が大きく失われることを意味しています。

したがって、LACE 設計の利点や欠点については、依然として議論が続いています。

歴史

LACEは1950年代後半から1960年代初頭にかけてアメリカ合衆国である程度研究され、エアロスペースプレーンと呼ばれる有翼宇宙船プロジェクトに「自然に」適合すると考えられていました。当時、このコンセプトはLACES（Liquid Air Collection Engine System）と呼ばれていました。液化された空気と一部の水素は、エンジンに直接送り込まれ、燃焼されます。

空気中の他の成分、主に窒素と二酸化炭素から酸素を分離することが比較的容易であることが実証されると、ACES（Air Collection and Enrichment System）という新しい概念が生まれました。これは残留ガスの処理という問題を残しました。ACESは窒素をラムジェットエンジンに噴射し、エンジンが空気で稼働し液体酸素が貯蔵されている間、窒素を補助的な作動流体として使用します。航空機が上昇し大気が薄くなると、タンクからの酸素の流量を増加させることで空気不足を補いました。このため、ACESは純粋なロケットLACE設計とは対照的に、エジェクターラムジェット（またはラムロケット）と呼ばれます。

マーカード社とジェネラル・ダイナミクス社はLACES研究に携わっていました。しかし、NASAがマーキュリー計画中に弾道カプセルの開発に移行すると、有翼機の研究資金は徐々に減少し、ACESも消滅しました。

参照

参考文献

  1. ^ Olds, Joh (1996-07-03).ロケット複合サイクル（RBCC）エンジンの飛行試験の選択肢. NASA.
  2. ^シー、レイ;趙国軍。ヤン、イーヤン。ガオ、ダー。チン、フェイ。魏、祥庚。彼、国強 (2019-05-01)。「ロケットベースのコンバインドサイクルエンジンのエジェクターモードに関する研究の進捗」。航空宇宙科学の進歩。107 : 30–62 .土井: 10.1016/j.paerosci.2019.03.003。ISSN 0376-0421。 
  3. ^ 「アーカイブコピー」（PDF） 。 2015年2月13日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年5月27日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)
  4. ^オルロフ、ベンジャミン.単一軌道ロケットと空気吸入式ロケットの比較分析(PDF) . AFIT/GAE/ENY/06-J13. 2011年6月4日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
  5. ^ 「LOX/LH2: 特性と価格」 。2002年3月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  6. ^ 「液体空気サイクルロケット方程式、ヘンリー・スペンサーのコメント」。
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