miniatura|397x397px|Diagrama esquemàtic d'un motor de cicle d'aire líquid (LACE) Un motor de cicle d'aire líquid (LACE) és un tipus de motor de propulsió espacial que intenta augmentar la seva eficiència recollint part del seu oxidant de l'atmosfera. Un motor de cicle d'aire líquid utilitza combustible d'hidrogen líquid (LH2) per liquar l'aire.
En un coet d'oxigen líquid /hidrogen líquid, l'oxigen líquid (LOX) necessari per a la combustió és la major part del pes de la nau espacial en l'enlairament, de manera que si part d'aquest es pot recollir de l'aire durant el camí, podria reduir dràsticament el pes d'enlairament de la nau espacial.
El LACE es va estudiar fins a cert punt als EUA durant finals dels ays cinquanta i principis dels seixanta, i a finals de 1960 Marquardt tenia un sistema de prova en funcionament, anomenat motor ejector. Tanmateix, a mesura que la NASA es va passar a càpsules balístiques durant el Projecte Mercury, el finançament per a la investigació de vehicles alats va desaparèixer lentament, i el treball del LACE va anar desapareixent juntament amb ell. Als anys 90, l'interès pels motors de cicle combinat basats en coets es va revisar i es va provar a la sèrie X-43 de la NASA.
LACE també va ser la base dels motors del disseny HOTOL de British Aerospace dels anys vuitanta.
Principi de funcionament Conceptualment, el LACE funciona comprimint i després liquant ràpidament l'aire. La compressió s'aconsegueix mitjançant l'efecte d'aire comprimit en una admissió similar a la que es troba en un avió d'alta velocitat com el Concorde, on les rampes d'admissió creen ones de xoc que comprimeixen l'aire. El disseny del LACE bufa l'aire comprimit sobre un intercanviador de calor, en el qual flueix el combustible d'hidrogen líquid. Això refreda ràpidament l'aire i els diversos components es liquen ràpidament. Mitjançant una acurada disposició mecànica, l'oxigen líquid es pot eliminar de les altres parts de l'aire, en particular l'aigua, el nitrogen i el diòxid de carboni, moment en què l'oxigen líquid es pot alimentar el motor com de costum. Es veurà que les limitacions de l'intercanviador de calor sempre fan que aquest sistema funcioni amb una relació hidrogen/aire molt més rica que l'estequiomètrica amb una consegüent penalització en el rendiment i, per tant, part de l'hidrogen es llença per la borda.
Avantatges i desavantatges L'ús d'un vehicle de llançament alat permet utilitzar la sustentació en lloc de l'empenta per superar la gravetat, cosa que redueix considerablement les pèrdues per gravetat. D'altra banda, la reducció de les pèrdues per gravetat té com a resultat una resistència aerodinàmica i un escalfament aerodinàmic molt més elevats a causa de la necessitat de romandre molt més profund dins l'atmosfera que un coet pur durant la fase d'impuls.
Per tal de reduir apreciablement la massa d'oxigen transportada en el llançament, un vehicle LACE necessita passar més temps a la baixa atmosfera per recollir prou oxigen per subministrar els motors durant la resta del llançament. Això condueix a un augment considerable de les pèrdues d'escalfament i d'arrossegament del vehicle, cosa que augmenta el consum de combustible per compensar les pèrdues d'arrossegament i la massa addicional del sistema de protecció tèrmica. Aquest augment del consum de combustible compensa en certa manera l'estalvi en massa d'oxidant; aquestes pèrdues es compensen al seu torn per l'impuls específic més alt, Isp, del motor de respiració d'aire. Per tant, els compromisos d'enginyeria implicats són força complexos i molt sensibles a les suposicions sp disseny fetes.
Altres problemes sorgeixen a causa de les propietats materials i logístiques relatives de LOx respecte a L2. L'LOx és força barat; l'LH2 és gairebé dos ordres de magnitud més car. L'LOx és dens (1.141 kg/L), mentre que LH2 té una densitat molt baixa (0,0678 kg/L) i, per tant, és molt voluminós. (El volum extrem del dipòsit de LH2 tendeix a augmentar l'arrossegament del vehicle augmentant la superfície frontal del vehicle.) Finalment, els dipòsits de LOx són relativament lleugers i bastant barats, mentre que la naturalesa criogènica profunda i les propietats físiques extremes del LH2 exigeixen que els dipòsits i les canonades de LH2 siguin grans i utilitzin materials i aïllament pesats, cars i exòtics. Per tant, per molt que els costos d'utilitzar LH2 en lloc d'un combustible d'hidrocarburs puguin superar el benefici Isp d'utilitzar LH2 en un coet d'una sola etapa en òrbita, els costos d'utilitzar més LH2 com a propel·lent i refrigerant de liqüefacció d'aire en LACE poden superar els beneficis obtinguts en no haver de portar tant LOx a bord.
El més significatiu és que el sistema LACE és molt més pesat que un motor de coet pur amb el mateix empenyiment (els motors que respiren aire de gairebé tots els tipus tenen una relació empenyiment-pes relativament baixa en comparació amb els coets), i el rendiment dels vehicles de llançament de tots els tipus es veu particularment afectat pels augments de la massa seca del vehicle (com ara els motors) que s'ha de transportar fins a l'òrbita, en contraposició a la massa oxidant que es cremaria durant el vol. A més, la menor relació empenyiment-pes d'un motor que respiren aire en comparació amb un coet disminueix significativament l'acceleració màxima possible del vehicle de llançament i augmenta les pèrdues de gravetat, ja que s'ha de dedicar més temps a accelerar fins a la velocitat orbital. A més, les pèrdues de resistència a l'entrada i al fuselatge més elevades d'una trajectòria de llançament de vehicles elevadors que respiren aire en comparació amb un coet pur en una trajectòria de llançament balística introdueixen un terme de penalització addicional. a l'equació del coet coneguda com a càrrega del respirador d'aire. Aquest terme implica que, tret que la relació sustentació-arrossegament (L/D) i l'acceleració del vehicle en comparació amb la gravetat (a/g) siguin inversemblantment grans per a un vehicle hipersònic que respira aire, els avantatges de la major sp del motor que respira aire i l'estalvi en massa de LOx es perden en gran manera.
Per tant, els avantatges o desavantatges del disseny LACE continuen sent motiu de debat.
Història El LACE es va estudiar fins a cert punt als Estats Units d'Amèrica durant finals dels anys cinquanta i principis dels seixanta, on es va considerar un encaix "natural" per a un projecte de nau espacial alada conegut com a Aerospaceplane. En aquell moment, el concepte es coneixia com a LACES, de Liquid Air Collection Engine System (Sistema de Motor de Recollida d'Aire Líquid). L'aire liquat i part de l'hidrogen es bomba directament al motor per a la seva combustió.
Quan es va demostrar que era relativament fàcil separar l'oxigen dels altres components de l'aire, principalment nitrogen i diòxid de carboni, va sorgir un nou concepte com a ACES ( Air Collection and Enrichment System). Això deixa el problema de què fer amb els gasos sobrants. L'ACES injectava el nitrogen en un motor estatorreactor, utilitzant-lo com a fluid de treball addicional mentre el motor funcionava amb aire i l'oxigen líquid s'emmagatzemava. A mesura que l'avió ascendia i l'atmosfera s'aprimava, la manca d'aire es compensava augmentant el flux d'oxigen dels tancs. Això converteix l'ACES en un estatorreactor ejector (o coet ram) en contraposició al disseny LACE de coet pur.
Tant Marquardt Corporation com General Dynamics van participar en la investigació de LACES. Tanmateix, a mesura que la NASA es va traslladar a càpsules balístiques durant el Projecte Mercury, el finançament per a la investigació de vehicles alats va desaparèixer lentament, i ACES també.
Referències
Categoria:Aeronaus Categoria:Motors