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、この一部を途中で空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 年代前半にかけて米国である程度研究され、1960 年代後半にはMarquardt がテストベッド システムを稼働させました。しかし、NASA がマーキュリー計画中に弾道カプセルに移行すると、有翼機の研究資金は徐々になくなり、LACE の研究もそれとともになくなりました。

LACE は 1980 年代の英国航空宇宙 HOTOL設計のエンジンの基礎にもなったが、研究以上の進展はなかった。^{[疑わしい–議論] [要出典]}

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 の設計では、圧縮された空気を、液体水素燃料が流れる熱交換器に吹き付けます。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、液体酸素を空気の他の部分、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どお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、その結果パフォーマンスが低下し^[1]、一部の水素が機外に排出されることがわかります。

有翼ロケットを使用すると、推力ではなく揚力を使用して重力を克服できるため、重力損失が大幅に減少します。一方、重力損失が減少すると、ブースト段階で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、空気抵抗と空気加熱が大幅に増加します。

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 機体は下層大気圏でより多くの時間を過ごして、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ります。これにより、機体の加熱と抗力損失が大幅に増加し、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が増加します。この燃料消費の増加は、酸化剤質量の節約をいくらか相殺します。これらの損失は、今度は空気吸入エンジンのより高い比推力、I _spによって相殺されます。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、設計上の仮定に非常に敏感です。^[2]

その他の問題は、 LOxとLH ₂の相対的な材料および物流特性によって生じます。LOxはかなり安価ですが、LH ₂はほぼ2桁高価です。^[3] LOxは高密度（1.141 kg/L）であるのに対し、LH ₂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タンクの極端なかさばりは、車両の正面面積を増加させて車両の抗力を増大させる傾向があります。）最後に、LOxタンクは比較的軽量でかなり安価ですが、LH ₂の極低温特性と極端な物理的特性により、LH ₂タンクと配管は大きく、重く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、単段式軌道ロケットで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、機内にそれほど多くの LOx を搭載する必要がない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対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、軌道までずっと運ばなければならない車両の乾燥質量 (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対重量比が低いため、打ち上げロケットの最大可能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、弾道打ち上げ軌道上の純粋なロケットに比べて吸気口と機体の抗力損失が大きいため、ロケット方程式に空気吸入器の負担と呼ばれる追加のペナルティ項が導入されます。^[4]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い限り、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幅に失われることを意味しています。 ${\displaystyle {\frac {1}{1+{\frac {gD}{aL}}}}}$

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。

LACE は、1950 年代後半から 1960 年代前半にかけて米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」適合するものと考えられていました。当時、このコンセプトは、Liquid Air Collection Engine System (液体空気収集エンジン システム)の略である LACES と呼ばれていました。液化された空気と水素の一部は、その後、エンジンに直接送り込まれ、燃焼します。

酸素を、主に窒素と二酸化炭素である空気の他の成分から分離することが比較的簡単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。これでは、残ったガスをどうするかという問題が残ります。ACES は窒素をラムジェットエンジンに注入し、エンジンが空気で稼働し液体酸素が貯蔵されている間に窒素を追加の作動流体として使用します。航空機が上昇して大気が薄くなると、タンクからの酸素の流れを増やすことで空気の不足を補います。これにより、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）になります。

マルクアート社とジェネラル・ダイナミクス社はどちらもLACES 研究に関わっていました。しかし、NASA がマーキュリー計画中に弾道カプセルに移行したため、有翼機の研究資金は徐々になくなり、ACES も消滅しました。

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