Ajaki - Ayaks

Model samolotu Ayaks firmy Leninetz HLDG Co. wystawiony na pokazach lotniczych MAKS w Moskwie w 1993 roku. Ostry równoramienny nos trapezoidalny , płaski wierzch, pochylona dolna powierzchnia i tylny SERN są typowe dla konfiguracji waverider , podobnej do NASA X-43 .

W Ayaks ( rosyjski : АЯКС, co oznacza także Ajax ) jest naddźwiękowy Waverider Program samolotu rozpoczęto w ZSRR , a obecnie w trakcie opracowywania przez Hypersonic Systems Research Institute (HSRI) z Leninets Holding Company w Sankt Petersburgu , Rosja .

Cel, powód

Ayaks był początkowo tajnym projektem radzieckiego samolotu kosmicznego, którego celem było zaprojektowanie nowego rodzaju hipersonicznego pojazdu wycieczkowego o globalnym zasięgu, zdolnego do latania i wykonywania różnych misji wojskowych w mezosferze . Oryginalna koncepcja dotyczyła projektu naddźwiękowego samolotu rozpoznawczego , ale później została rozszerzona na szerszą koncepcję naddźwiękowych wielozadaniowych odrzutowców wojskowych i cywilnych, a także platformy SSTO do wystrzeliwania satelitów.

Mezosfera to warstwa atmosfery ziemskiej o wysokości od 50 kilometrów (160 000 stóp) do 85 kilometrów (279 000 stóp), nad stratosferą i pod termosferą . Latanie w mezosferze jest bardzo trudne — powietrze jest zbyt rozrzedzone, aby skrzydła samolotu mogły generować siłę nośną , ale wystarczająco gęste, aby powodować opór aerodynamiczny satelitów. Ponadto części mezosfery wpadają do wnętrza jonosfery , co oznacza, że ​​powietrze jest zjonizowane pod wpływem promieniowania słonecznego.

Zdolność do prowadzenia działań militarnych w mezosferze daje krajowi znaczny potencjał militarny.

Historia

Układ projektowanego samolotu Ayaks

Pod koniec lat 70. radzieccy naukowcy zaczęli badać nowy rodzaj koncepcji hipersonicznego układu napędowego, który po raz pierwszy został ujawniony w rosyjskiej gazecie w krótkim wywiadzie z wynalazcą Ayaksa, Pr. Vladimir L. Fraĭshtadt. Fraĭshtadt pracował w tym czasie w wydziale lotniczym Biura Projektowego PKB Niewskoje-Nowa w Leningradzie . Opracował koncepcję Ayaks wokół idei, że wydajny pojazd naddźwiękowy nie może pozwolić sobie na utratę energii na otoczenie (tj. na pokonanie oporu powietrza ), ale zamiast tego powinien wykorzystać energię niesiony przez nadchodzący strumień z dużą prędkością. W tamtym czasie cała koncepcja była nieznana na Zachodzie , chociaż wczesne osiągnięcia obejmowały współpracę sowieckich przedsiębiorstw przemysłowych, instytutów technicznych, Komisji Wojskowo-Przemysłowej ZSRR (WPK) i Rosyjskiej Akademii Nauk .

W 1990 r. w dwóch artykułach specjalisty od obrony i pisarza Nikołaja Nowiczkowa podano więcej szczegółów na temat programu Ayaks. Drugim był pierwszy dokument dostępny w języku angielskim.

Wkrótce po rozpadzie Związku Radzieckiego ograniczono finansowanie i program Ayaks musiał ewoluować, zwłaszcza że rząd USA ogłosił program National Aero-Space Plane (NASP). W tym czasie Fraĭshtadt został dyrektorem Biura Projektowego OKB-794 , znanego publicznie jako Leninets , holdingu prowadzącego otwartą spółkę akcyjną Państwowego Instytutu Badań nad Systemami Hiperdźwiękowymi ( HSRI ) ( ros . НИПГС pr: „NIPGS”) w Saint Petersburg.

Na początku 1993 roku, w odpowiedzi na amerykańskie ogłoszenie demonstratora X-30 NASP, projekt Ayaks został włączony do szerszego krajowego programu ORYOL ( ros . Орёл pr: „Or'yol”, Eagle ), federacji wszystkich rosyjskich prac naddźwiękowych zaprojektować konkurencyjny samolot kosmiczny jako system startowy wielokrotnego użytku .

We wrześniu 1993 roku odsłonięto program, a pierwszy model Ajaków w małej skali został po raz pierwszy publicznie pokazany na stoisku Leninetza na 2. Pokazach Lotniczych MAKS w Moskwie.

W 1994 r. Novichkov ujawnił, że Federacja Rosyjska jest gotowa finansować program Ayaks przez osiem lat i że moduł do prób w locie na małą skalę został zbudowany przez Biuro Projektowe Arsenalu . Stwierdził również, że zasady działania Ayaksa zostały zweryfikowane na stanowisku do testowania silników w tunelu aerodynamicznym . W tym samym roku amerykański projekt NASP został anulowany i zastąpiony przez Hypersonic Systems Technology Program (HySTP), anulowany również po trzech miesiącach. W 1995 r. NASA uruchomiła program Advanced Reusable Transportation Technologies (ARTT), będący częścią inicjatywy Highly Reusable Space Transportation (HRST), ale eksperci z firmy konsultingowej ANSER oceniającej technologie Ayaks początkowo nie wierzyli w wyniki ogłoszone przez Rosjan i nie wierzyli. rekomendować rozwój na tej samej ścieżce.

Jednak między październikiem 1995 a kwietniem 1997 roku seria rosyjskich patentów obejmujących technologie Ayaks została przyznana Leninetz HLDG Co. i konsekwentnie dostępna publicznie, przy czym najstarsze zostały zgłoszone 14 lat wcześniej.

Gdy informacje dostępne z Rosji zaczęły się rozrastać, trzech zachodnich badaczy akademickich zaczęło zbierać skąpe dane o Ajakach: Claudio Bruno, profesor na Uniwersytecie Sapienza w Rzymie ; Paul A. Czysz, profesor w Parks College of Engineering, Aviation and Technology na Saint Louis University ; oraz SNB Murthy, profesor na Uniwersytecie Purdue . We wrześniu 1996 roku, w ramach kursu Capstone Design i Hypersonic Aero-Propulsion Integration Course w Parks College, Czysz zlecił swoim studentom analizę zebranych informacji, jako projekt ODYSSEUS . Następnie trzej badacze wspólnie opublikowali artykuł konferencyjny podsumowujący zachodnią analizę zasad Ayaks.

Mając takie informacje, długoletni główny ekspert ANSER, Ramon L. Chase, dokonał przeglądu swojego poprzedniego stanowiska i zebrał zespół do oceny i rozwoju amerykańskich wersji technologii Ayaks w ramach programu HRST. Zatrudnił H. Davida Froninga Jr., dyrektora generalnego Flight Unlimited ; Leon E. McKinney, światowy ekspert w dziedzinie dynamiki płynów ; Paweł A. Czysz; Mark J. Lewis , aerodynamik z University of Maryland, College Park , specjalista od falowców i przepływu powietrza wokół krawędzi natarcia oraz dyrektor sponsorowanego przez NASA Centrum Edukacji i Badań Hipersonicznych Maryland ; dr Robert Boyd z Lockheed Martin Skunk Works potrafiący zbudować prawdziwe działające prototypy z przydzielonymi budżetami z czarnych projektów , których wykonawca General Atomics jest światowym liderem w dziedzinie magnesów nadprzewodzących (z których korzysta Ayaks); oraz dr Daniel Swallow z Textron Systems , jednej z nielicznych firm, które wciąż posiadają doświadczenie w konwerterach magnetohydrodynamicznych , z których Ayaks intensywnie korzysta.

Nowatorskie technologie

Obejście MHD

Układ silników Ayaks

Przewidywano, że Ayaks będzie wykorzystywał nowatorski silnik wykorzystujący generator magnetohydrodynamiczny do zbierania i spowalniania wysoce zjonizowanego i rozrzedzonego powietrza przed silnikami odrzutowymi oddychającymi powietrzem , zwykle scramjetami , chociaż kierownik projektu HSRI, Vladimir L. Fraĭshtadt, powiedział w wywiadzie z 2001 r., że Ayaks MHD bypass system mógłby spowolnić nadchodzący naddźwiękowy przepływ powietrza na tyle, aby prawie wykorzystać konwencjonalne maszyny wirnikowe . Byłoby to zaskakujące rozwiązanie techniczne, biorąc pod uwagę takie naddźwiękowe prędkości, ale zostało potwierdzone przez niezależne badania z użyciem turboodrzutowców Mach 2.7, a nawet poddźwiękowych strumieni strumieniowych .

Powietrze jest mieszane z paliwem do mieszanki spalającej się w komorze spalania , podczas gdy energia elektryczna wytwarzana przez wlotowy generator MHD zasila akcelerator MHD znajdujący się za silnikiem odrzutowym w pobliżu pojedynczej dyszy rampy rozprężnej, aby zapewnić dodatkowy ciąg i impuls właściwy . Osoczu lejek opracowano nad wlotem powietrza od siły Lorentza znacznie zwiększa zdolność silnika tak aby powietrze, zwiększając średnicę skuteczną powietrza na wlocie, aż do kilkuset metrów. Rozszerza również reżim Macha i wysokość, na jaką samolot może lecieć. W związku z tym istnieje teoria, że ​​silnik Ayaks może działać przy użyciu tlenu atmosferycznego nawet na wysokości powyżej 35 kilometrów (115 000 stóp).

Nierównowagowy generator MHD zwykle wytwarza 1–5 MWe przy takich parametrach (przekrój kanału, natężenie pola magnetycznego, ciśnienie, stopień jonizacji i prędkość płynu roboczego), ale ze zwiększoną efektywną średnicą wlotu powietrza przez wirtualną plazmę lejek znacznie zwiększa wytwarzaną moc do 45-100 MWe na silnik. Jak Ayaks mogą korzystać z dwóch do czterech takich silników, niektóre energia elektryczna może być przekierowane do pokojowych lub wojskowych urządzeń skierowany energii .

Reaktory termochemiczne

Nowatorski jest również system podawania paliwa w silniku Ayaks. Przy prędkościach naddźwiękowych powietrze brutalnie ponownie kompresuje się w dół punktu stagnacji fali uderzeniowej, wytwarzając ciepło. Na naddźwiękowy prędkości The strumienia ciepła od fali uderzeniowej i tarciem powietrza na korpusie statku powietrznego, w szczególności na nosie i czołowych krawędziach staje się znaczny, ponieważ temperatura jest proporcjonalna do kwadratu od liczby Macha . Dlatego prędkości naddźwiękowe są problematyczne ze względu na wytrzymałość materiałów i są często określane jako bariera cieplna .

Ayaks wykorzystuje reaktory termochemiczne (TCR): energia cieplna z tarcia powietrza jest wykorzystywana do zwiększenia pojemności cieplnej paliwa poprzez krakowanie paliwa w katalitycznej reakcji chemicznej . Samolot posiada podwójne osłony, pomiędzy którymi w gorących częściach płatowca krąży woda i zwykła, tania nafta . Energia ogrzewania powierzchniowego jest absorbowana przez wymienniki ciepła, aby wywołać serię reakcji chemicznych w obecności katalizatora niklowego , zwanego reformingiem parowym węglowodorów . Nafta i woda wypluwają się do nowego reformatu paliwowego: metanu (70–80% objętości) i dwutlenku węgla (20–30%) w pierwszym etapie:

C _n H _m + H ₂ O CH ₄ + CO ₂${\displaystyle \rightleftharpoons}$

Następnie metan i woda przekształcają się z kolei w drugim etapie w wodór , nowe paliwo lepszej jakości, w silnej reakcji endotermicznej :

CH ₄ + H ₂ O CO + 3H ₂${\displaystyle \rightleftharpoons}$

CO + H ₂ O CO ₂ + H ₂${\displaystyle \rightleftharpoons}$

W ten sposób zwiększa się pojemność cieplna paliwa, a powierzchnia samolotu stygnie.

Wartość opałowa mieszaniny CO + 3H ₂ wytworzonej z 1 kg metanu w procesie reformingu parą wodną (62 900  kJ ) jest o 25% wyższa niż samego metanu (50 100 kJ).

Oprócz bardziej energetycznego paliwa, w mieszaninie znajduje się wiele wolnych rodników, które zwiększają stopień jonizacji plazmy, dodatkowo wzmacniany przez połączone użycie wiązek elektronów, które kontrolują koncentrację elektronów, oraz impulsowych wyładowań powtarzalnych HF (PRD), które kontrolują elektrony temperatura. Takie systemy wytwarzają wyładowania strumieniowe, które nawadniają zjonizowany przepływ swobodnymi elektronami, zwiększając efektywność spalania, proces znany jako spalanie wspomagane plazmą (PAC).

Taka koncepcja została początkowo nazwana Magneto-Plasma-Chemical Engine (MPCE), a zasada działania jako Chemical Heat Regeneration and Fuel Transformation (CHRFT). W późniejszej literaturze nacisk kładziono bardziej na magnetohydrodynamikę niż na chemiczną część tych silników, które są teraz po prostu określane jako scramjet z obejściem MHD, ponieważ te koncepcje ściśle wymagają od siebie nawzajem do wydajnej pracy.

Idea osłony termicznej silnika jest szczegółowo opisana w fundamentalnej analizie idealnego turboodrzutowego do analizy maksymalnego ciągu w literaturze aerotermodynamiki . Czyli umieszczenie turbiny (odciągu pracy) przed prądem, a sprężarki (dodatku pracy) za prądem. W przypadku konwencjonalnego silnika odrzutowego termodynamika działa, jednak zaawansowana analiza termopłynów pokazuje, że aby dodać wystarczającą ilość ciepła do zasilania samolotu bez termicznego dławienia przepływu (i wyłączania silnika), komora spalania musi rosnąć i ilość ciepła dodany również rośnie. Jest bardziej „efektywny” w wykorzystaniu ciepła, po prostu potrzebuje dużo ciepła. Choć termodynamicznie bardzo zdrowy, prawdziwy silnik jest zbyt duży i zużywa zbyt dużo energii, aby kiedykolwiek latać samolotem. Problemy te nie pojawiają się w koncepcji Ayaks, ponieważ lejek plazmowy praktycznie zwiększa przekrój wlotu powietrza przy zachowaniu jego ograniczonych rozmiarów fizycznych, a dodatkowa energia jest pobierana z samego przepływu. Jak powiedział Fraĭshtadt: „Ponieważ wykorzystuje technologię CHRFT, Ayaks nie może być analizowany jako klasyczny silnik cieplny”.

Osłonka plazmowa

Wraz ze wzrostem wysokości opór elektryczny powietrza maleje zgodnie z prawem Paschena . Powietrze w nosie Ayaks jest zjonizowane. Oprócz wiązek elektronicznych i wyładowań impulsowych HF, wysokie napięcie jest wytwarzane przez efekt Halla w generatorze MHD, który umożliwia emitowanie płaskiego wyładowania jarzeniowego z ostrego nosa samolotu i cienkich krawędzi natarcia jego skrzydeł, przez St Efekt ognia Elmo . Taka poduszka plazmowa z przodu i wokół samolotu ma kilka zalet:

• Zjonizowane powietrze staje się przewodnikiem elektrycznym, co umożliwia pracę generatora MHD i spowalnianie przepływu w dół do silników odrzutowych oddychających powietrzem.
• Sterowana przez MHD rampa wlotowa pozwala na wektoryzację przepływu jako uderzenia na wargę bez fizycznych stożków wlotowych .
• Ładunki elektryczne zmieszane z paliwem zwiększają efektywność spalania.
• Dziobowa fala uderzeniowa jest odrywana dalej przed samolotem, a depozycja energii w tym obszarze działa jak wirtualny stępiony nos , chociaż nos pozostaje fizycznie bardzo ostry. Minimalizuje to strumień ciepła na materiałach.
• Gradient temperatury w powietrzu jest miejscowo modyfikowana, stąd prędkość dźwięku wartości, co umożliwia zmniejszenie i zmiękcza falę uderzeniową. Zmniejsza to jeszcze bardziej efekty termiczne na materiałach, a także opór fal .
• Kokon plazmowy otaczający cały samolot zapewnia ukrycie plazmy . W połączeniu z hipersonicznymi prędkościami i zwrotnością taka platforma byłaby bardzo trudna do wykrycia, śledzenia i namierzania.

Specyfikacje

Zgodnie z danymi przedstawionymi na MAKS Airshow w 2001 roku , specyfikacje Ajaków to:

Późniejsze publikacje przytaczają jeszcze bardziej imponujące liczby, z przewidywaną wydajnością pułapu eksploatacyjnego 60 km i prędkością przelotową 10–20 Macha oraz możliwością osiągnięcia prędkości orbitalnej 28 440 km/h z dodatkiem rakiet nośnych , wówczas kosmiczny samolot leciał w trajektoriach typu boost-glide (kolejne odbicia lub „przeskoki” w górnych warstwach atmosfery, naprzemienne tryby szybowania bez napędu i z napędem) podobnie jak w amerykańskim projekcie HyperSoar z hipersonicznym waveriderem o wysokim współczynniku schodzenia 40:1.

Spekulacja

W 2003 roku francuski inżynier aeronautyki i specjalista od MHD Jean-Pierre Petit zaproponował inne wyjaśnienie wykorzystania magnetohydrodynamiki w tym projekcie. Jego badanie opierało się na artykule opublikowanym w styczniu 2001 roku we francuskim magazynie Air et Cosmos autorstwa Alexandre-Davida Szamèsa, a także na informacjach zebranych w tym samym miesiącu na małym warsztacie poświęconym zaawansowanym napędom w Brighton w Anglii, zwłaszcza po rozmowach z Davidem Froningiem. Jr. z Flight Unlimited o swojej wcześniejszej pracy z wyładowaniami elektrycznymi i elektromagnetycznymi w przepływach hipersonicznych, zaprezentowanej podczas warsztatów.

Petit pisał o dużym i długim wielobiegunowym ściennym przetworniku MHD na górnej płaskiej powierzchni samolotu w kontakcie ze swobodnym strumieniem , zamiast liniowych przetworników Faradaya o krzyżowym polu liniowym umieszczonych w zwykle rozważanym kanale. W takim konwerterze wielobiegunowym pole magnetyczne jest wytwarzane przez wiele równoległych cienkich przewodów nadprzewodzących zamiast par większych elektromagnesów. Przewody te biegną pod powierzchnią bezpośrednio w kontakcie z przepływem powietrza, a ich profil podąża za karoserią pojazdu. Powietrze jest stopniowo spowalniane w warstwie przyściennej w przepływie laminarnym bez nadmiernej rekompresji, aż do wartości poddźwiękowych, gdy wchodzi do wlotu, a następnie do silników odrzutowych oddychających powietrzem. Taki otwarty wlot sterowany MHD zostanie wyeksponowany przez dwóch naukowców z programu Ayaks w podobny sposób dwa lata później, choć proponują zlokalizowanie go na powierzchni pochylonej przedniej rampy pod samolotem, aby wektoryzować falę uderzeniową jako „wstrząs na wardze” na wlocie powietrza, niezależnie od prędkości i wysokości.

Jak poddźwiękowe prędkości można osiągnąć wewnętrznie natomiast przepływ zewnętrzny jest wciąż naddźwiękowy, Petit proponuje takie platformy może korzystać prawie konwencjonalne silniki turboodrzutowe i ramjets zamiast scramjets trudniejsze do kontrolowania, a taki samolot nie musiałby stabilizatory pionowe ani płetw już, jak to będzie manewrować poprzez miejscowe zwiększanie lub zmniejszanie oporu w określonych obszarach zwilżonego obszaru za pomocą sił elektromagnetycznych. Następnie opisuje podobny multipolowy akcelerator MHD umieszczony na fizycznej powierzchni półkierowanej dyszy rampy , który przyspiesza przewodzące spaliny za silnikami odrzutowymi.

Dziesięć lat przed Petitem dr Władimir I. Krementsov, szef Niżnego Nowogrodu Instytutu Badawczego Inżynierii Radiowej (NIIRT) i dr Anatolij Klimow, szef Moskiewskiego Instytutu Radiotechnicznego Rosyjskiej Akademii Nauk (MRTI RAS), narażeni na William Kaufmann twierdzi, że system obejścia MHD koncepcyjny Ayaks zostałby już zbudowany w podobno tajnym samolocie kosmicznym Aurora , następcy Lockheeda SR-71 Blackbird .

Odniesienia w kulturze popularnej

• Program Ayaks wyposażony w widocznym miejscu w powieści złamany miecz imperium przez Maxim Kałasznikowa .

Zobacz też

• Przetwornik magnetohydrodynamiczny
• Radziecki program kosmiczny
• Avangard (hipodźwiękowy pojazd szybujący)

Bibliografia