เครื่องยนต์วัฏจักรอากาศเหลว ( LACE ) เป็นเครื่องยนต์ ขับเคลื่อนยานอวกาศชนิดหนึ่งที่พยายามเพิ่มประสิทธิภาพโดยการดึงเอา สารออก ซิไดเซอร์ บางส่วน จากชั้นบรรยากาศเครื่องยนต์วัฏจักรอากาศเหลวใช้ เชื้อเพลิง ไฮโดรเจนเหลว (LH2) ในการเปลี่ยนอากาศให้เป็นของเหลว

ในจรวดที่ใช้เชื้อเพลิงออกซิเจนเหลว /ไฮโดรเจนเหลวออกซิเจนเหลว (LOX) ที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้นั้นมีน้ำหนักมากที่สุดของยานอวกาศขณะขึ้นบิน ดังนั้นหากสามารถเก็บรวบรวมออกซิเจนเหลวบางส่วนจากอากาศระหว่างทางได้ ก็อาจช่วยลดน้ำหนักขณะขึ้นบินของยานอวกาศได้อย่างมาก

LACE ได้รับการศึกษาในระดับหนึ่งในสหรัฐอเมริกาในช่วงปลายทศวรรษ 1950 และต้นทศวรรษ 1960 ^{[ 1 ]}และในช่วงปลายทศวรรษ 1960 Marquardtมีระบบทดสอบที่ใช้งานได้ ซึ่งเรียกว่าเครื่องยนต์แบบดีดออก^{[ 2 ]}อย่างไรก็ตาม เมื่อNASAเปลี่ยนไปใช้แคปซูลขีปนาวุธในระหว่างโครงการเมอร์คิวรีเงินทุนสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับยานปีกก็ค่อยๆ หายไป และงานวิจัยเกี่ยวกับ LACE ก็หายไปด้วยเช่นกัน ในช่วงทศวรรษ 1990 ความสนใจใน เครื่องยนต์ แบบวงจรผสมที่ใช้จรวดได้รับการทบทวนและทดสอบในซีรีส์ NASA X-43

นอกจากนี้ LACE ยังเป็นพื้นฐานของเครื่องยนต์ในเครื่องบินHOTOL ของ British Aerospaceที่ออกแบบในช่วงทศวรรษ 1980 อีกด้วย

โดยหลักการแล้ว LACE ทำงานโดยการอัดและทำให้อากาศกลายเป็นของเหลวอย่างรวดเร็ว การอัดเกิดขึ้นจากผลของแรงดันอากาศในช่องรับอากาศที่คล้ายกับที่พบในเครื่องบินความเร็วสูงอย่างConcordeซึ่งทางลาดรับอากาศจะสร้างคลื่นกระแทกที่อัดอากาศ จากนั้นการออกแบบ LACE จะเป่าอากาศที่ถูกอัดผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่ง มีเชื้อเพลิง ไฮโดรเจนเหลวไหล อยู่ การ ทำเช่นนี้จะทำให้อากาศเย็นลงอย่างรวดเร็ว และส่วนประกอบต่างๆ จะกลายเป็นของเหลวอย่างรวดเร็ว ด้วยการจัดเรียงทางกลอย่างระมัดระวัง ออกซิเจนเหลวสามารถถูกแยกออกจากส่วนอื่นๆ ของอากาศ โดยเฉพาะน้ำไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์จากนั้นออกซิเจนเหลวสามารถป้อนเข้าสู่เครื่องยนต์ได้ตามปกติ จะเห็นได้ว่าข้อจำกัดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทำให้ระบบนี้ทำงานด้วยอัตราส่วนไฮโดรเจน/อากาศที่เข้มข้นกว่าอัตราส่วนสโตอิคิโอเมตริกมาก ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง^{[ 3 ]}และทำให้ไฮโดรเจนบางส่วนถูกทิ้งออกไป

การใช้ยานปล่อยที่มีปีกช่วยให้สามารถใช้แรงยกแทนแรงขับเพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากแรงโน้มถ่วง ได้อย่างมาก ในทางกลับกัน การลดการสูญเสียจากแรงโน้มถ่วงนั้นมาพร้อมกับข้อเสียคือแรงต้านอากาศและอุณหภูมิที่เกิดจาก อากาศสูงขึ้นมาก เนื่องจากจำเป็นต้องอยู่ในชั้นบรรยากาศที่ลึกกว่าจรวดธรรมดาในระหว่างช่วง การเร่งความเร็ว

เพื่อลดมวลของออกซิเจนที่บรรทุกในการปล่อยตัวลงอย่างเห็นได้ชัด ยาน LACE จำเป็นต้องใช้เวลาอยู่ในชั้นบรรยากาศที่ต่ำกว่านานขึ้นเพื่อเก็บออกซิเจนให้เพียงพอสำหรับจ่ายให้กับเครื่องยนต์ในช่วงเวลาที่เหลือของการปล่อยตัว ซึ่งนำไปสู่ความร้อนของยานที่เพิ่มขึ้นอย่างมากและการสูญเสียแรงต้าน ส่งผลให้การสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นเพื่อชดเชยการสูญเสียแรงต้านและมวลที่เพิ่มขึ้นของระบบป้องกันความร้อนการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่เพิ่มขึ้นนี้จะชดเชยการประหยัดมวลของสารออกซิไดเซอร์ได้บ้าง การสูญเสียเหล่านี้จะถูกชดเชยด้วยแรงขับจำเพาะที่สูงขึ้นI sp ของ_{เครื่องยนต์}ที่หายใจด้วยอากาศ ดังนั้น การแลกเปลี่ยนทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องจึงค่อนข้างซับซ้อนและมีความไวสูงต่อสมมติฐานการออกแบบที่ทำขึ้น^{[ 4 ]}

ปัญหาอื่นๆ เกิดขึ้นจากคุณสมบัติทางวัสดุและโลจิสติกส์ของLOxเมื่อเทียบกับ_LH2 LOxค่อนข้างถูก ในขณะที่ _LH2มีราคาแพงกว่าเกือบสองเท่า^{[ 5 ]} LOx มีความหนาแน่นสูง (1.141 กก./ลิตร) ในขณะที่ LH2 _มีความหนาแน่นต่ำมาก (0.0678 กก./ลิตร) จึงมีขนาดใหญ่มาก (ขนาดที่ใหญ่โตของถัง LH2 มีแนวโน้มที่จะเพิ่มแรงต้านของยานพาหนะโดยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัด ของยานพาหนะ ) สุดท้าย ถัง LOx มีน้ำหนักเบาและราคาค่อนข้างถูก ในขณะที่ลักษณะการแช่แข็งอย่างลึกและคุณสมบัติทางกายภาพที่รุนแรงของ LH2 _{กำหนด}ให้ถังและท่อของ LH2 _ต้องมีขนาดใหญ่และใช้วัสดุและฉนวนที่หนัก แพง และแปลกใหม่ ดังนั้น แม้ว่าต้นทุนของการใช้ LH2 _แทนเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนอาจมากกว่า ประโยชน์ _{ด้านพลังงาน}จากการใช้ LH2 _ในจรวดส่งขึ้นสู่วงโคจรแบบขั้นตอนเดียวแต่ต้นทุนของการใช้ LH2 ในปริมาณที่มากขึ้น_เป็นเชื้อเพลิงขับดันและสารหล่อเย็นสำหรับการทำให้เป็นของเหลวใน LACE ก็อาจมากกว่าประโยชน์ที่ได้รับจากการไม่จำเป็นต้องบรรทุก LOx ในปริมาณมากบนจรวดเช่นกัน

ที่สำคัญที่สุด ระบบ LACE มีน้ำหนักมากกว่าเครื่องยนต์จรวดทั่วไปที่มีแรงขับเท่ากัน (เครื่องยนต์แบบใช้ลมหายใจเกือบทุก ประเภทมี อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับจรวด) และประสิทธิภาพของยานปล่อยทุกประเภทได้รับผลกระทบอย่างมากจากการเพิ่มขึ้นของมวลแห้งของยาน (เช่น เครื่องยนต์) ที่ต้องแบกรับไปจนถึงวงโคจร ซึ่งแตกต่างจากมวลของสารออกซิไดเซอร์ที่จะถูกเผาไหม้ไปในระหว่างการบิน นอกจากนี้ อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่ต่ำกว่าของเครื่องยนต์แบบใช้ลมหายใจเมื่อเทียบกับจรวด ทำให้ความเร่งสูงสุดที่เป็นไปได้ของยานปล่อยลดลงอย่างมาก และเพิ่มการสูญเสียจากแรงโน้มถ่วงเนื่องจากต้องใช้เวลามากขึ้นในการเร่งความเร็วให้ถึงความเร็ววงโคจร ยิ่งไปกว่านั้นการสูญเสียแรงต้านจากช่องรับอากาศและโครงสร้างลำตัว ที่สูงกว่า ของยานปล่อยแบบใช้ลมหายใจเมื่อเทียบกับจรวดทั่วไปในวิถีการปล่อยแบบขีปนาวิถีทำให้เกิดค่าปรับเพิ่มเติมในสมการจรวดที่เรียกว่า ภาระของเครื่องยนต์ แบบใช้ลมหายใจ^{[ 6 ]}เงื่อนไขนี้หมายความว่า เว้นแต่ว่าอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน ( L / D ) และความเร่งของยานพาหนะเมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วง ( a / g ) จะมีขนาดใหญ่เกินจริงสำหรับ ยานพาหนะไฮ เปอร์โซนิกแบบใช้อากาศหายใจ ข้อดีของI _sp ที่สูงขึ้น ของเครื่องยนต์แบบใช้อากาศหายใจและการประหยัดมวล LOx จะหายไปเป็นส่วนใหญ่ ${\displaystyle {\frac {1}{1+{\frac {gD}{aL}}}}}$

ดังนั้น ข้อดีหรือข้อเสียของการออกแบบ LACE จึงยังคงเป็นเรื่องที่ถกเถียงกันอยู่

ระบบ LACE ได้รับการศึกษาในระดับหนึ่งในสหรัฐอเมริกาในช่วงปลายทศวรรษ 1950 และต้นทศวรรษ 1960 โดยมองว่าเป็นระบบที่ "เหมาะสม" กับโครงการยานอวกาศมีปีกที่รู้จักกันในชื่อAerospaceplaneในขณะนั้น แนวคิดนี้รู้จักกันในชื่อ LACES ซึ่งย่อมาจากLiquid Air Collection Engine System (ระบบเครื่องยนต์เก็บอากาศเหลว) จากนั้นอากาศเหลวและไฮโดรเจนบางส่วนจะถูกสูบเข้าไปในเครื่องยนต์โดยตรงเพื่อเผาไหม้

เมื่อมีการพิสูจน์แล้วว่าการแยกออกซิเจนออกจากส่วนประกอบอื่นๆ ของอากาศ ซึ่งส่วนใหญ่คือไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์นั้นค่อนข้างง่าย แนวคิดใหม่จึงเกิดขึ้นในชื่อ ACES หรือAir Collection and Enrichment Systemซึ่งทำให้เกิดปัญหาว่าควรทำอย่างไรกับก๊าซที่เหลืออยู่ ACES จึงฉีดไนโตรเจนเข้าไปใน เครื่องยนต์ แรมเจ็ตโดยใช้เป็นของเหลวทำงาน เพิ่มเติม ในขณะที่เครื่องยนต์ทำงานด้วยอากาศและออกซิเจนเหลวถูกเก็บไว้ เมื่อเครื่องบินไต่ระดับขึ้นและชั้นบรรยากาศเบาบางลง การขาดอากาศจะถูกชดเชยด้วยการเพิ่มการไหลของออกซิเจนจากถัง ทำให้ ACES เป็นเครื่องยนต์แรมเจ็ตแบบอีเจ็กเตอร์ (หรือแรมร็อคเก็ต) ซึ่งแตกต่างจากแบบจรวด LACE ที่เป็นจรวดล้วนๆ

ทั้งบริษัท Marquardt CorporationและGeneral Dynamicsต่างมีส่วนร่วมในการวิจัย LACES อย่างไรก็ตาม เมื่อNASAเปลี่ยนไปใช้แคปซูลขีปนาวุธในโครงการเมอร์คิวรีงบประมาณสำหรับการวิจัยยานบินมีปีกก็ค่อยๆ ลดลง และโครงการ ACES ก็หายไปด้วยเช่นกัน

• จรวดเสริมอากาศ
• อาร์บี545
• เครื่องยนต์ปฏิกิริยา SABRE - เครื่องยนต์เจ็ทแบบระบายความร้อนล่วงหน้าซึ่งระบายความร้อนแต่ไม่ทำให้อากาศกลายเป็นของเหลว
• สแครมเจ็ต

• สมการจรวดอากาศเหลว
• โฮโทล
• สมการจรวดอากาศเหลว ความเห็นของเฮนรี สเปนเซอร์
• จรวดต่างหากที่จะเป็นยานอวกาศแห่งอนาคต ไม่ใช่เครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์ไอพ่น