Ayaks - Ayaks

Leninetz HLDG Co. liten modell av Ayaks-flyet som ble avslørt på MAKS Air Show 1993 , Moskva. Den skarpe, ensartede trapezformede nesen, flat topp, skrå nedre overflate og bakre SERN er typiske for en waverider- konfigurasjon, som ligner på NASA X-43 .

De Ayaks ( russisk : АЯКС, betyr også Ajax ) er en hypersoniske waverider fly programmet startet i Sovjetunionen og under utvikling av Hypersonic Systems Research Institute (HSRI) av Leninets Holding Company i St. Petersburg , Russland .

Hensikt

Ayaks var opprinnelig et klassifisert sovjetisk romflyprosjekt som hadde som mål å designe en ny type hypersonisk cruisebil med global rekkevidde som var i stand til å fly og utføre en rekke militære oppdrag i mesosfæren . Det opprinnelige konseptet dreide seg om et hypersonisk rekognoseringsflyprosjekt , men ble senere utvidet til det bredere konseptet om hypersoniske flerbruksmilitære og sivile jetfly, samt en SSTO- plattform for oppskyting av satellitter.

Mesosfæren er laget av jordens atmosfære fra 50 kilometer (160 000 fot) til 85 kilometer (279 000 fot) høyt, over stratosfæren og under termosfæren . Det er veldig vanskelig å fly i mesosfæren - luften er for sjelden til at flyvinger kan generere løft , men tett nok til å forårsake aerodynamisk dra på satellitter. I tillegg faller deler av mesosfæren inne i ionosfæren , noe som betyr at luften er ionisert på grunn av solstråling.

Evnen til å utføre militære aktiviteter i mesosfæren gir et land et betydelig militært potensial.

Historie

Oppsett av det projiserte Ayaks -flyet

På slutten av 1970 -tallet begynte sovjetiske forskere å utforske en ny type hypersonisk fremdriftssystemkonsept, avslørt for første gang i en russisk avis med et kort intervju av Ayaks oppfinner, Pr. Vladimir L. Fraĭshtadt. Fraĭshtadt jobbet på den tiden ved flyavdelingen til PKB Nevskoye-Neva Design Bureau i Leningrad . Han utviklet Ayaks -konseptet rundt ideen om at et effektivt hypersonisk kjøretøy ikke har råd til å miste energi til omgivelsene (dvs. for å overvinne luftmotstanden ), men i stedet bør dra nytte av energien fra høyhastighets innkommende fluks. På den tiden var hele konseptet ukjent for Vesten , selv om tidlig utvikling involverte samarbeid mellom sovjetiske industrivirksomheter, tekniske institutter, Military-Industrial Commission of USSR (VPK) og Russian Academy of Sciences .

I 1990 ga to artikler av forsvarsspesialist og skribent Nikolai Novichkov flere detaljer om Ayaks -programmet. Det andre var det første dokumentet som var tilgjengelig på engelsk.

Kort tid etter oppløsningen av Sovjetunionen ble finansiering kuttet og Ayaks-programmet måtte utvikle seg, spesielt da den amerikanske regjeringen kunngjorde National Aero-Space Plane (NASP) -programmet. På den tiden ble Fraĭshtadt direktør for OKB-794 Design Bureau, offentlig kjent som Leninets , et holdingselskap som driver det åpne aksjeselskapet State Hypersonic Systems Research Institute (HSRI) ( russisk : НИПГСpr : "NIPGS") i Saint Petersburg.

I begynnelsen av 1993, som et svar på den amerikanske kunngjøringen av X-30 NASP-demonstratoren, integreres Ayaks-prosjektet i det bredere nasjonale ORYOL ( russisk : Орёл pr: "Or'yol", Eagle ) -programmet, som forbinder alle russiske hypersoniske verk til designe et konkurrerende romfly som et gjenbrukbart oppskytningssystem .

I september 1993 ble programmet avduket og en første liten modell av Ayaks ble offentlig vist for første gang på Leninetz-standen på det andre MAKS Air Show i Moskva.

I 1994 avslørte Novichkov at Den russiske føderasjonen var klar til å finansiere Ayaks-programmet i åtte år, og at en gjenbrukbar, liten skala testmodul hadde blitt bygget av Arsenal Design Bureau . Han uttalte også at Ayaks arbeidsprinsipper hadde blitt validert med et motorteststativ i en vindtunnel . Samme år ble det amerikanske NASP -prosjektet kansellert og erstattet av Hypersonic Systems Technology Program (HySTP), som også ble kansellert etter tre måneder. I 1995 lanserte NASA programmet Advanced Reusable Transportation Technologies (ARTT), en del av initiativet Highly Reusable Space Transportation (HRST), men eksperter fra konsulentfirmaet ANSER som evaluerte Ayaks -teknologier trodde først ikke på forestillingene annonsert av russerne og trodde ikke anbefaler utvikling langs samme vei.

Mellom oktober 1995 og april 1997 ble imidlertid en rekke russiske patenter som dekker Ayaks -teknologier gitt til Leninetz HLDG Co. og følgelig tilgjengelig offentlig, den eldste hadde blitt arkivert 14 år før.

Etter hvert som informasjonen fra Russland begynte å vokse, begynte tre vestlige akademiske forskere å samle de sparsomme dataene om Ayaks: Claudio Bruno, professor ved Sapienza universitet i Roma ; Paul A. Czysz, professor ved Parks College of Engineering, Aviation and Technology ved Saint Louis University ; og SNB Murthy, professor ved Purdue University . I september 1996, som en del av Capstone Design Course og Hypersonic Aero-Propulsion Integration Course ved Parks College, tildelte Czysz studentene sine å analysere informasjonen som ble samlet inn, som ODYSSEUS- prosjektet. Deretter publiserte de tre forskerne et konferansepapir som oppsummerer den vestlige analysen av Ayaks -prinsipper.

Med slik informasjon gjennomgikk den mangeårige ANSER-hovedeksperten Ramon L. Chase sin tidligere posisjon og samlet et team for å evaluere og utvikle amerikanske versjoner av Ayaks-teknologier innenfor HRST-programmet. Han rekrutterte H. David Froning Jr., administrerende direktør i Flight Unlimited ; Leon E. McKinney, verdensekspert i væskedynamikk ; Paul A. Czysz; Mark J. Lewis , aerodynamiker ved University of Maryland, College Park , spesialist på waveriders og luftstrømmer rundt forkantene og direktør for NASA-sponsede Maryland Center for Hypersonic Education and Research ; Dr. Robert Boyd fra Lockheed Martin Skunk Works i stand til å bygge virkelige prototyper med tildelte budsjetter fra svarte prosjekter , hvis entreprenør General Atomics er verdensledende innen superledende magneter (som Ayaks bruker); og Dr. Daniel Swallow fra Textron Systems , et av få firmaer som fortsatt har ekspertise på magnetohydrodynamiske omformere , som Ayaks bruker mye.

Nye teknologier

MHD -bypass

Oppsett av Ayaks -motorer

Ayaks ble anslått å bruke en ny motor ved hjelp av en magnetohydrodynamisk generator for å samle og bremse sterkt ionisert og rarefisert luft oppstrøms luftmotorer , vanligvis scramjets , selv om HSRI -prosjektleder Vladimir L. Fraĭshtadt sa i et intervju i 2001 at Ayaks MHD -bypass systemet kan bremse den innkommende hypersoniske luftstrømmen tilstrekkelig til å nesten bruke konvensjonelle turbomaskiner . Dette ville være en overraskende teknisk løsning med tanke på slike hypersoniske hastigheter, men likevel bekreftet som mulig av uavhengige studier med Mach 2.7 turbojeter eller til og med subsoniske ramjets .

Luften blandes med drivstoff i blandingen som brenner i brenneren , mens elektrisiteten som produseres av innløps -MHD -generatoren mater MHD -akseleratoren som ligger bak jetmotoren i nærheten av den enkelte ekspansjonsrampemunnstykket for å gi ytterligere skyvekraft og spesifikk impuls . Den plasma- trakt utviklet over luftinntaket fra Lorentz-krefter som øker i høy grad evnen av motoren for å samle luft, øker den effektive diameteren til luft- inntaket opp til flere hundre meter. Det utvider også Mach -regimet og høyden flyet kan cruise til. Dermed blir det teoretisert at Ayaks -motoren kan operere ved hjelp av atmosfærisk oksygen selv i høyder over 35 kilometer (115 000 fot).

En MHD-generator som ikke er i likevekt produserer vanligvis 1–5 MWe med slike parametere (kanaltverrsnitt, magnetfeltstyrke, trykk, ioniseringsgrad og hastighet på arbeidsfluidet), men den økte effektive diameteren på luftinntaket av det virtuelle plasmaet trakt øker kraftig produsert effekt til 45–100 MWe per motor. Ettersom Ayaks kan bruke to til fire av slike motorer, kan noe elektrisk energi omdirigeres til fredelige eller militærstyrte enheter .

Termokjemiske reaktorer

Drivstoffmatingssystemet til Ayaks -motoren er også nytt. Ved supersonisk hastighet komprimerer luft brutalt nedstrøms stagnasjonspunktet for en sjokkbølge, og produserer varme. Ved hypersoniske hastigheter blir varmefluxen fra sjokkbølger og luftfriksjon på et flys kropp, spesielt ved nesen og forkantene, betydelig, ettersom temperaturen er proporsjonal med kvadratet til Mach -tallet . Det er derfor hypersoniske hastigheter er problematiske med hensyn til styrken på materialer og blir ofte referert til som varmebarrieren .

Ayaks bruker termokjemiske reaktorer (TCR): varmeenergien fra luftfriksjon brukes til å øke drivstoffets varmekapasitet ved å sprekke drivstoffet med en katalytisk kjemisk reaksjon . Flyet har dobbel skjerming mellom hvilken vann og vanlig, billig parafin sirkulerer i varme deler av flyrammen. Energien av overflateoppvarming absorberes gjennom varmevekslere for å utløse en serie av kjemiske reaksjoner i nærvær av en nikkel katalysator, kalt hydrokarbon- dampreformering . Parafin og vann spytter inn i en ny drivstoffreformat: metan (70–80% i volum) og karbondioksid (20–30%) i et første trinn:

C n H m + H 2 O CH 4 + CO 2

Så metan og vannreform på sin side i et annet trinn til hydrogen , et nytt drivstoff av bedre kvalitet, i en sterk endoterm reaksjon :

CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2
CO + H 2 O CO 2 + H 2

Dermed øker oppvarmingskapasiteten til drivstoffet, og overflaten på flyet avkjøles.

Den brennverdi av blandingen CO + 3 H 2 fremstilt fra 1 kg metan gjennom vann dampreformering (62.900  kJ ) er 25% høyere enn den for metan bare (50,100 kJ).

I tillegg til et mer energisk drivstoff, er blandingen befolket av mange frie radikaler som øker graden av ionisering av plasmaet, ytterligere økt ved kombinert bruk av e-stråler som styrer elektronkonsentrasjonen, og HF- pulsrepetitive utladninger (PRD) som styrer elektroner temperatur. Slike systemer skaper streamerutladninger som vanner den ioniserte strømmen med frie elektroner, noe som øker forbrenningseffektiviteten, en prosess kjent som plasma-assistert forbrenning (PAC).

Et slikt konsept ble opprinnelig kalt Magneto-Plasma-Chemical Engine (MPCE), og arbeidsprinsippet referert til som Chemical Heat Regeneration and Fuel Transformation (CHRFT). I senere litteratur har aksenten blitt lagt mer på magnetohydrodynamikk enn på den kjemiske delen av disse motorene, som nå ganske enkelt omtales som en scramjet med MHD -bypass, ettersom disse begrepene intimt krever at hverandre jobber effektivt.

Ideen om termisk avskjerming av motoren er detaljert i den grunnleggende analysen av en ideell turbojet for maksimal trykkanalyse i aerothermodynamikklitteraturen . Det vil si å sette turbinen (arbeidsuttak) oppstrøms og kompressoren (arbeidstilskudd) nedstrøms. For en konvensjonell jetmotor fungerer termodynamikken, men den avanserte termofluid-analysen viser at for å tilføre tilstrekkelig varme til å drive flyet uten å kvele strømmen (og starte motoren) må brenneren vokse og mengden varme tilsatt vokser også. Det er mer "effektivt" i å bruke varmen, den trenger bare mye varme. Selv om termodynamisk veldig lyd er den virkelige motoren for stor og bruker for mye strøm til å fly på et fly. Disse problemene oppstår ikke i Ayaks-konseptet ettersom plasmatrakten praktisk talt øker tverrsnittet av luftinnløpet mens den opprettholder sin begrensede fysiske størrelse, og ytterligere energi tas fra selve strømmen. Som Fraĭshtadt sa: "Siden det utnytter CHRFT -teknologien, kan Ayaks ikke analyseres som en klassisk varmemotor."

Plasmakappe

Etter hvert som høyden øker, reduseres luftens elektriske motstand i henhold til Paschens lov . Luften ved nesen til Ayaks er ionisert. I tillegg til e-stråler og HF-pulsutladninger, produseres en høy spenning av Hall-effekten i MHD-generatoren som gjør at en flat glødutladning kan slippes ut fra flyets skarpe nese og de tynne forkantene på vingene, av en St Elmos branneffekt. En slik plasmapute foran og rundt flyet gir flere fordeler:

  • Den ioniserte luften blir elektrisk ledende, noe som gjør at MHD-generatoren kan arbeide og senke strømmen ned til luftpustende jetmotorer.
  • Den MHD-kontrollerte innløpsrampen gjør det mulig å vektorere strømmen som en sjokk-på-leppe uten fysiske innløpskegler .
  • Elektriske ladninger blandet med drivstoffet øker forbrenningseffektiviteten.
  • Bue -sjokkbølgen løsner lenger foran flyet, energiavsetningen i denne regionen fungerer som en virtuell stump nese , selv om nesen forblir fysisk veldig skarp. Dette minimerer varmestrømmen på materialer.
  • Den temperaturgradient i luften lokale forandringer, derav lydhastigheten verdi, noe som begrenser og mykner sjokkbølgen. Dette senker termiske effekter på materialer ytterligere, så vel som bølgedrag .
  • Plasmakokongen som omgir hele flyet gir plasmaskjul . Kombinert med hypersoniske hastigheter og manøvrerbarhet, ville en slik plattform være svært vanskelig å oppdage, spore og målrette.

Spesifikasjoner

I følge dataene som ble presentert på MAKS Airshow 2001 , er spesifikasjonene til Ayaks:

Parameter Hypersonic Satellite Launcher Flerbrukshypersonisk håndverk Transport Hypersonisk håndverk
Maksimal startvekt , tonn 267 200 390
Lastet vekt, tonn 113 85 130
Tom vekt, tonn 76
Masse av andre etappe, tonn 36
Nyttelast, tonn 10 10
Satellittmasse, tonn 6
Turbojet motorer 4 4 4
Magneto-plasma-kjemiske motorer 4 6 4
Kraft, turbojet -motorer, tonn 4 × 25 4 × 25 4 × 40
Trykk, magneto-plasma-kjemiske motorer 4 × 25 6 × 14 4 × 40
Maksimal hastighet, m/s 4000 4000 4600
Servicetak , km 36 36 36
Praktisk rekkevidde ved M = 8 ... 10 og høyde på 30 km, km 14200 10000 12000

Senere publikasjoner siterer enda flere imponerende tall, med forventet ytelse av servicetak på 60 km og marsjfart på Mach 10–20, og evnen til å nå omløpshastigheten på 28.440 km/t med tillegg av boosterraketter , romflyet flyr deretter i boost-glide- baner (påfølgende rebounds eller "hopp" på de øvre lagene i atmosfæren, vekslende ikke-drevne glidende og drevne moduser) på samme måte som det amerikanske hypersoniske waverider-prosjektet HyperSoar med et høyt glideforhold på 40: 1.

Spekulasjon

I 2003 foreslo den franske luftfartsingeniøren og MHD-spesialisten Jean-Pierre Petit en annen forklaring på hvordan magnetohydrodynamikk brukes i dette prosjektet. Studien hans var basert på et papir publisert i januar 2001 i det franske magasinet Air et Cosmos av Alexandre-David Szamès, og i samme måned fra informasjon samlet i et lite verksted om avansert fremdrift i Brighton , England, spesielt etter diskusjoner med David Froning Jr. fra Flight Unlimited om sitt tidligere arbeid med elektriske og elektromagnetiske utladninger i hypersoniske strømmer, presentert under workshopen.

Petit skrev om en stor og lang flerpolig MHD-omformer på den øvre flate overflaten av flyet i kontakt med fristrømmen , i stedet for de lineære tverrfelt Faraday-omformerne som befinner seg innenfor en kanal som vanligvis vurderes. I en slik multipolomformer blir magnetfelt produsert av mange parallelle superledende tynne ledninger i stedet for par med større elektromagneter. Disse ledningene går under overflaten direkte i kontakt med luftstrømmen, og profilen deres følger karosseriet. Luft reduseres gradvis i grenselaget i en laminær strømning uten for mye rekompresjon, ned til subsoniske verdier når den kommer inn i innløpet og deretter de luftpustende jetmotorene. Et slikt åpent vegg-MHD-kontrollert innløp vil bli avslørt av to forskere fra Ayaks-programmet på en lignende måte to år senere, selv om de foreslår å plassere det på overflaten av den skrånende frontrampen under flyet, for å vektorere sjokkbølgen som et "sjokk-på-leppe" på luftinntaket, uansett hastighet og høyde.

Siden subsoniske hastigheter kan oppnås internt mens den eksterne strømmen fortsatt er hypersonisk, foreslår Petit at en slik plattform kan bruke nesten konvensjonelle turbojetter og ramjets i stedet for scramjets som er vanskeligere å kontrollere, og et slikt fly vil ikke trenge vertikale stabilisatorer eller finner lenger, slik det ville gjort manøvrere gjennom lokalt økende eller redusert drag på bestemte områder av det fuktede området med elektromagnetiske krefter. Deretter beskriver han en lignende flerpolet MHD-akselerator plassert på den fysiske overflaten til den halvledede rampedysen , som akselererer de ledende avgassene nedstrøms jetmotorene.

Ti år før Petit ble Dr. Vladimir I. Krementsov, leder for Nizhny Novgorod Research Institute of Radio Engineering (NIIRT), og Dr. Anatoly Klimov, sjef for Moscow Radiotechnical Institute of the Russian Academy of Sciences (MRTI RAS), utsatt for William Kaufmann at MHD-bypass-systemet til Ayaks-konseptet allerede ville blitt bygget i det ryktede Aurora- hemmelige romfartøyet, etterfølgeren til Lockheed SR-71 Blackbird .

Referanser i populærkulturen

Se også

Referanser