El Ayaks ( ruso : АЯКС, que también significa Ajax ) es un programa de aviones hipersónicos waverider iniciado en la Unión Soviética y actualmente en desarrollo por el Instituto de Investigación de Sistemas Hipersónicos (HSRI) de Leninets Holding Company en San Petersburgo , Rusia . [1] [2] [3]
Ayaks fue inicialmente un proyecto clasificado de avión espacial soviético cuyo objetivo era diseñar un nuevo tipo de vehículo de crucero hipersónico de alcance global capaz de volar y realizar una variedad de misiones militares en la mesosfera . El concepto original giraba en torno a un proyecto de avión de reconocimiento hipersónico , pero luego se amplió al concepto más amplio de aviones militares y civiles hipersónicos multipropósito, así como una plataforma SSTO para el lanzamiento de satélites.
La mesosfera es la capa de la atmósfera terrestre desde 50 kilómetros (160.000 pies) hasta 85 kilómetros (279.000 pies) de altura, por encima de la estratosfera y por debajo de la termosfera . Es muy difícil volar en la mesosfera: el aire es demasiado enrarecido para que las alas de los aviones generen sustentación , pero lo suficientemente denso como para causar resistencia aerodinámica en los satélites. Además, partes de la mesosfera caen dentro de la ionosfera , es decir, el aire se ioniza debido a la radiación solar.
La capacidad de realizar actividades militares en la mesosfera le da a un país un potencial militar significativo.
A finales de la década de 1970, los científicos soviéticos comenzaron a explorar un nuevo tipo de concepto de sistema de propulsión hipersónica, expuesto por primera vez en un periódico ruso con una breve entrevista al inventor de Ayaks, el Pr. Vladimir L. Fraĭshtadt. Fraĭshtadt trabajaba en ese momento en la sucursal aeronáutica de la Oficina de Diseño PKB Nevskoye-Neva en Leningrado . [4] Desarrolló el concepto de Ayaks en torno a la idea de que un vehículo hipersónico eficiente no puede permitirse el lujo de perder energía en su entorno (es decir, superar la resistencia del aire ), sino que debería aprovechar la energía transportada por el flujo entrante a alta velocidad. En ese momento, Occidente desconocía todo el concepto , aunque los primeros desarrollos involucraron la cooperación de empresas industriales soviéticas, institutos técnicos, la Comisión Militar-Industrial de la URSS (VPK) y la Academia de Ciencias de Rusia .
En 1990, dos artículos del escritor y especialista en defensa Nikolai Novichkov dieron más detalles sobre el programa Ayaks. El segundo fue el primer documento disponible en inglés. [5] [6]
Poco después de la disolución de la Unión Soviética , se recortó la financiación y el programa Ayaks tuvo que evolucionar, especialmente cuando el gobierno de Estados Unidos anunció el programa del Avión Nacional Aeroespacial (NASP). En ese momento, Fraĭshtadt se convirtió en director de la Oficina de Diseño OKB-794 , conocida públicamente como Leninets , un holding que dirigía la sociedad anónima abierta State Hypersonic Systems Research Institute (HSRI) ( ruso : НИПГС pr: "NIPGS") en Saint Petersburgo.
A principios de 1993, como respuesta al anuncio estadounidense del demostrador NASP X-30 , el proyecto Ayaks se integra en el programa nacional ORYOL ( ruso : Орёл pr: "Or'yol", Eagle ), que federa todas las obras hipersónicas rusas para Diseñar un avión espacial competidor como sistema de lanzamiento reutilizable .
En septiembre de 1993 se dio a conocer el programa y se mostró públicamente por primera vez un modelo a pequeña escala de Ayaks en el stand de Leninetz en el segundo Salón Aeronáutico MAKS en Moscú.
En 1994, Novichkov reveló que la Federación Rusa estaba dispuesta a financiar el programa Ayaks durante ocho años y que la Oficina de Diseño del Arsenal había construido un módulo de prueba de vuelo reutilizable a pequeña escala . También afirmó que los principios de funcionamiento de Ayaks habían sido validados con un banco de pruebas de motores en un túnel de viento . El mismo año, el proyecto americano NASP fue cancelado y reemplazado por el Programa de Tecnología de Sistemas Hipersónicos (HySTP), también cancelado después de tres meses. En 1995, la NASA lanzó el programa Tecnologías Avanzadas de Transporte Reutilizable (ARTT), parte de la iniciativa de Transporte Espacial Altamente Reutilizable (HRST), pero los expertos de la consultora ANSER que evaluaban las tecnologías de Ayak no creyeron al principio en las prestaciones anunciadas por los rusos y no recomendar el desarrollo por el mismo camino.
Sin embargo, entre octubre de 1995 y abril de 1997, se concedieron a Leninetz HLDG Co. una serie de patentes rusas que cubrían las tecnologías de Ayaks y, en consecuencia, estuvieron disponibles públicamente; la más antigua se presentó 14 años antes. [7] [8] [9] [10]
A medida que la información disponible fuera de Rusia comenzó a crecer, tres investigadores académicos occidentales comenzaron a recopilar los escasos datos sobre los ayaks: Claudio Bruno, profesor de la Universidad La Sapienza de Roma ; Paul A. Czysz, profesor de la Facultad de Ingeniería, Aviación y Tecnología Parks de la Universidad de Saint Louis ; y SNB Murthy, profesor de la Universidad Purdue . En septiembre de 1996, como parte del curso de diseño Capstone y del curso de integración de aeropropulsión hipersónica en Parks College, Czysz asignó a sus estudiantes el análisis de la información recopilada, como parte del proyecto ODYSSEUS . [11] Posteriormente, los tres investigadores publicaron conjuntamente un artículo de conferencia que resume el análisis occidental de los principios de Ayak. [12]
Con dicha información, Ramon L. Chase, experto principal de ANSER desde hace mucho tiempo, revisó su puesto anterior y formó un equipo para evaluar y desarrollar versiones estadounidenses de las tecnologías Ayaks dentro del programa HRST. Reclutó a H. David Froning Jr., director ejecutivo de Flight Unlimited ; Leon E. McKinney, experto mundial en dinámica de fluidos ; Paul A. Czysz; Mark J. Lewis , aerodinámico de la Universidad de Maryland, College Park , especialista en olas y flujos de aire alrededor de los bordes de ataque y director del Centro de Educación e Investigación Hipersónica de Maryland, patrocinado por la NASA; el Dr. Robert Boyd de Lockheed Martin Skunk Works , capaz de construir prototipos funcionales reales con presupuestos asignados de proyectos negros , cuyo contratista General Atomics es líder mundial en imanes superconductores (que utiliza Ayaks); y el Dr. Daniel Swallow de Textron Systems , una de las pocas empresas que aún posee experiencia en convertidores magnetohidrodinámicos , que Ayaks utiliza ampliamente. [13] [14]
Se proyectó que el Ayaks emplearía un motor novedoso que utiliza un generador magnetohidrodinámico para recolectar y desacelerar el aire altamente ionizado y enrarecido aguas arriba de los motores a reacción que respiran aire , generalmente scramjets , aunque el líder del proyecto HSRI, Vladimir L. Fraĭshtadt, dijo en una entrevista en 2001 que el bypass del Ayaks MHD El sistema podría desacelerar el flujo de aire hipersónico entrante lo suficiente como para casi utilizar turbomaquinaria convencional . [15] [16] Esta sería una solución técnica sorprendente considerando tales velocidades hipersónicas, pero confirmada como factible por estudios independientes que utilizan turborreactores Mach 2.7 [17] [18] [19] o incluso estatorreactores subsónicos . [20]
El aire se mezcla con combustible en la mezcla que se quema en la cámara de combustión , mientras que la electricidad producida por el generador MHD de entrada alimenta el acelerador MHD ubicado detrás del motor a reacción cerca de la boquilla de rampa de expansión única para proporcionar empuje adicional e impulso específico . El embudo de plasma desarrollado sobre la entrada de aire a partir de las fuerzas de Lorentz aumenta en gran medida la capacidad del motor para recolectar aire, aumentando el diámetro efectivo de la entrada de aire hasta cientos de metros. También amplía el régimen de Mach y la altitud a la que el avión puede volar. Por tanto, se teoriza que el motor de los Ayaks puede funcionar utilizando oxígeno atmosférico incluso a alturas superiores a los 35 kilómetros (115.000 pies). [21]
Un generador MHD en desequilibrio normalmente produce entre 1 y 5 MWe con dichos parámetros (sección transversal del canal, intensidad del campo magnético, presión, grado de ionización y velocidad del fluido de trabajo), pero el diámetro efectivo aumentado de la entrada de aire por el plasma virtual El embudo aumenta enormemente la potencia producida a 45-100 MWe por motor. [12] [22] Como los Ayaks pueden usar de dos a cuatro de estos motores, parte de la energía eléctrica podría desviarse hacia dispositivos de energía dirigida pacíficos o militares . [2]
El sistema de alimentación de combustible del motor Ayaks también es novedoso. A velocidades supersónicas , el aire se recomprime brutalmente aguas abajo del punto de estancamiento de una onda de choque, produciendo calor. A velocidades hipersónicas , el flujo de calor procedente de las ondas de choque y la fricción del aire en la carrocería de un avión, especialmente en el morro y en los bordes de ataque, se vuelve considerable, ya que la temperatura es proporcional al cuadrado del número de Mach . Es por eso que las velocidades hipersónicas son problemáticas con respecto a la resistencia de los materiales y a menudo se las denomina barrera térmica . [23]
Ayaks utiliza reactores termoquímicos (TCR): la energía de calentamiento procedente de la fricción del aire se utiliza para aumentar la capacidad calorífica del combustible, craqueándolo con una reacción química catalítica . El avión tiene un doble blindaje entre el cual circula agua y queroseno común y barato en las partes calientes del fuselaje. La energía del calentamiento de la superficie se absorbe a través de intercambiadores de calor para desencadenar una serie de reacciones químicas en presencia de un catalizador de níquel , denominada reformado con vapor de hidrocarburos . Queroseno y agua se escupe en un nuevo combustible reformado: metano (70-80% en volumen) y dióxido de carbono (20-30%) en una primera etapa:
Luego, el metano y el agua se transforman a su vez en una segunda etapa en hidrógeno , un nuevo combustible de mejor calidad, en una fuerte reacción endotérmica :
De este modo, la capacidad de calentamiento del combustible aumenta y la superficie del avión se enfría. [24]
El poder calorífico de la mezcla CO + 3H 2 producida a partir de 1 kg de metano mediante reformado con vapor de agua (62.900 kJ ) es un 25% superior al del metano únicamente (50.100 kJ). [dieciséis]
Además de un combustible más energético, la mezcla está poblada por muchos radicales libres que mejoran el grado de ionización del plasma, aumentado aún más por el uso combinado de haces de electrones que controlan la concentración de electrones y descargas repetitivas de pulsos de HF (PRD, por sus siglas en inglés) que controlan la concentración de electrones. temperatura. Dichos sistemas crean descargas serpentinas que irrigan el flujo ionizado con electrones libres, aumentando la efectividad de la combustión, un proceso conocido como combustión asistida por plasma (PAC). [25] [26] [27] [28]
Inicialmente, dicho concepto se denominó motor químico magnetoplasmático (MPCE), [29] [30] [31] y el principio de funcionamiento se denominó regeneración química de calor y transformación de combustible (CHRFT). [32] En la literatura posterior, se ha puesto más énfasis en la magnetohidrodinámica que en la parte química de estos motores, que ahora se conocen simplemente como scramjet con derivación MHD , ya que estos conceptos se requieren íntimamente entre sí para funcionar de manera eficiente. [33]
La idea de proteger térmicamente el motor se detalla en el análisis fundamental de un turborreactor ideal para el análisis de empuje máximo en la literatura sobre aerotermodinámica . [34] Es decir, poner la turbina (extracción de trabajo) aguas arriba y el compresor (adición de trabajo) aguas abajo. Para un motor a reacción convencional, la termodinámica funciona; sin embargo, el análisis avanzado de termofluidos muestra que para agregar suficiente calor para impulsar la aeronave sin obstruir térmicamente el flujo (y apagar el motor), la cámara de combustión tiene que crecer y la cantidad de calor añadido crece también. Es más "eficiente" en el uso del calor, sólo necesita mucho calor. Si bien termodinámicamente es muy sólido, el motor real es demasiado grande y consume demasiada energía para volar en un avión. Estos problemas no surgen en el concepto Ayaks ya que el embudo de plasma prácticamente aumenta la sección transversal de la entrada de aire manteniendo su tamaño físico limitado, y se toma energía adicional del propio flujo. Como dijo Fraĭshtadt: "Dado que aprovecha la tecnología CHRFT, el Ayaks no puede analizarse como un motor térmico clásico". [dieciséis]
A medida que aumenta la altitud, la resistencia eléctrica del aire disminuye según la ley de Paschen . El aire en la nariz de Ayaks está ionizado. Además de los rayos electrónicos y las descargas de pulsos de alta frecuencia, el efecto Hall en el generador MHD genera una alta tensión que permite emitir una descarga luminosa plana desde el morro afilado del avión y los finos bordes de ataque de sus alas, mediante un St. .El efecto fuego de Elmo . Se dice que un cojín de plasma de este tipo delante y alrededor del avión ofrece varias ventajas: [2] [35] [36]
Según los datos presentados en el MAKS Airshow de 2001 , las especificaciones de los Ayaks son:
Publicaciones posteriores citan cifras aún más impresionantes, con un rendimiento esperado de un techo de servicio de 60 km y una velocidad de crucero de Mach 10-20, y la capacidad de alcanzar la velocidad orbital de 28.440 km/h con la adición de cohetes propulsores , y luego el avión espacial volando en trayectorias de planeo impulsado (rebotes o "saltos" sucesivos en las capas superiores de la atmósfera, alternando modos de planeo sin motor y con motor) de manera similar al proyecto estadounidense HyperSoar de waverider hipersónico con una alta relación de planeo de 40:1. [15] [39] [40]
En 2003, el estudio del ingeniero francés Jean-Pierre Petit se basó en un artículo publicado en enero de 2001 en la revista francesa Air et Cosmos por Alexandre-David Szamès, [15] y en el mismo mes en información recopilada en un pequeño taller sobre propulsión avanzada. en Brighton , Inglaterra, [41] especialmente después de conversaciones con David Froning Jr. de Flight Unlimited sobre su trabajo anterior que involucra descargas eléctricas y electromagnéticas en flujos hipersónicos, presentado durante el taller. [35]
Petit escribió sobre un convertidor MHD de pared multipolar grande y largo en la superficie plana superior del avión en contacto con la corriente libre , en lugar de los convertidores Faraday lineales de campo cruzado ubicados dentro de un canal que generalmente se consideran. En un convertidor multipolar de este tipo, el campo magnético es producido por muchos cables delgados superconductores paralelos en lugar de pares de electroimanes más grandes. Estos cables pasan por debajo de la superficie directamente en contacto con el flujo de aire, y su perfil sigue la carrocería del vehículo. El aire se desacelera progresivamente en la capa límite en un flujo laminar sin demasiada recompresión, hasta valores subsónicos cuando ingresa a la entrada y luego a los motores a reacción que respiran aire. Una entrada de pared abierta controlada por MHD será expuesta de manera similar por dos científicos del programa Ayaks dos años más tarde, aunque proponen ubicarla en la superficie de la rampa frontal inclinada debajo del avión, para vectorizar la onda de choque como un "golpe en el labio" en la entrada de aire, cualquiera que sea la velocidad y la altitud. [42]
Como las velocidades subsónicas se pueden alcanzar internamente mientras el flujo externo sigue siendo hipersónico, Petit propone que dicha plataforma podría utilizar turborreactores y estatorreactores casi convencionales en lugar de scramjets más difíciles de controlar, y dicho avión ya no necesitaría estabilizadores verticales ni aletas , como lo haría maniobrar aumentando o reduciendo localmente la resistencia en regiones particulares del área humedecida con fuerzas electromagnéticas. A continuación, describe un acelerador MHD multipolar similar situado en la superficie física de la tobera de rampa semiguiada , que acelera los gases de escape conductores detrás de los motores a reacción.
Diez años antes de Petit, el Dr. Vladimir I. Krementsov, director del Instituto de Investigación de Ingeniería Radiológica de Nizhny Novgorod (NIIRT), y el Dr. Anatoly Klimov, jefe del Instituto Radiotécnico de Moscú de la Academia Rusa de Ciencias (MRTI RAS), expusieron a William Kaufmann que el sistema de derivación MHD del concepto Ayaks ya habría sido construido en el rumoreado avión espacial secreto Aurora , sucesor del Lockheed SR-71 Blackbird . [40] [43] [44]
En el artículo se utilizó el título 'Motor químico de plasma magnético' para designar el motor. Actualmente se utiliza frecuentemente el título "Scramjet con bypass MHD" para designar el motor.
