アヤック

アヤックス（ロシア語：АЯКС、別名アヤックス）は、ソビエト連邦で開始され、現在はロシアのサンクトペテルブルクにあるレニネツ・ホールディング社の極超音速システム研究所（HSRI）によって開発が進められている極超音速ウェーブライダー航空機プログラムである。^{[1] [2] [3]}

アヤックスは当初、中間圏を飛行し、さまざまな軍事任務を遂行できる新しい種類の地球規模の極超音速巡航機を設計することを目的としたソ連の機密スペースプレーンプロジェクトでした。当初のコンセプトは極超音速偵察機プロジェクトを中心に展開されましたが、後に極超音速多目的軍用および民間ジェット機、さらには衛星打ち上げ用のSSTOプラットフォームというより広範なコンセプトに拡大されました。

中間圏は、成層圏の上、熱圏の下、高度 50 キロメートル (160,000 フィート) から 85 キロメートル (279,000 フィート) までの地球の大気の層です。中間圏を飛行するのは非常に困難です。空気が希薄すぎて航空機の翼が揚力を発生できない一方で、人工衛星に空気抵抗を引き起こすほどの密度があるからです。さらに、中間圏の一部は電離層内にあり、太陽放射により空気が電離しています。

中間圏で軍事活動を行う能力は、国に大きな軍事的潜在力を与えます。

1970年代後半、ソ連の科学者たちは、極超音速推進システムの概念を探求し始めた。これは、アヤックスの発明者であるウラジミール・L・フライシュタット教授への短いインタビュー記事として、ロシアの新聞で初めて公開された。フライシュタット教授は当時、レニングラードにあるPKBネフスコエ・ネヴァ設計局の航空部門に勤務していた。^[4]彼は、効率的な極超音速機は周囲にエネルギーを失ってはならず（つまり、空気抵抗を克服するため）、代わりに高速で入ってくる磁束が運ぶエネルギーを利用すべきであるという考えに基づいて、アヤックスの概念を発展させた。当時、この概念全体は西側諸国には知られていなかったが、初期の開発にはソ連の産業企業、技術研究所、ソ連軍産委員会（VPK）、ロシア科学アカデミーの協力があった。

1990年、防衛専門家で作家のニコライ・ノビチコフによる2つの論文で、アヤックス計画についてより詳しい情報が提供された。2番目の論文は英語で入手可能な最初の文書であった。^{[5] [6]}

ソビエト連邦の崩壊後まもなく、資金が削減され、特に米国政府が国家航空宇宙機(NASP) 計画を発表したため、アヤックス計画は進化する必要に迫られた。当時、フライシュタットは、サンクトペテルブルクにある公開株式会社である国立極超音速システム研究所(HSRI) (ロシア語: НИПГС pr: "NIPGS") を運営する持株会社である、公的にはレニネツとして知られるOKB-794設計局の局長に就任した。

1993年初頭、アメリカによるX-30 NASP実証機の発表への回答として、Ayaksプロジェクトはより広範な国家ORYOL（ロシア語：Орёл pr:「Or'yol」、イーグル）プログラムに統合され、ロシアのすべての極超音速作業が統合され、再利用可能な打ち上げシステムとして競合するスペースプレーンを設計しました。

1993 年 9 月にこの計画が発表され、モスクワで開催された第 2 回 MAKS 航空ショーのレーニネッツ ブースで、アヤックの最初の小型モデルが初めて公開されました。

1994年、ノビチコフは、ロシア連邦がアヤックス計画に8年間資金を提供する用意があり、再利用可能な小規模飛行試験モジュールがアルセナル設計局によって製造されたことを明らかにした。彼はまた、アヤックスの動作原理が風洞内のエンジン試験スタンドで検証されたと述べた。同年、アメリカのNASP計画はキャンセルされ、極超音速システム技術計画（HySTP）に置き換えられたが、これも3か月後にキャンセルされた。1995年、NASAは高度再利用可能宇宙輸送（HRST）イニシアチブの一部である高度再利用可能輸送技術（ARTT）プログラムを開始したが、アヤックス技術を評価していたコンサルティング会社ANSERの専門家は、当初ロシアが発表した性能を信じず、同じ方向での開発を推奨しなかった。

しかし、1995年10月から1997年4月の間に、アヤックスの技術をカバーする一連のロシアの特許がレニネツHLDG社に付与され、その結果、公開されました。最も古いものは14年前に申請されていました。^{[7] [8] [9] [10]}

ロシアから入手できる情報が増え始めると、ローマ・ラ・サピエンツァ大学のクラウディオ・ブルーノ教授、セントルイス大学パークス工科・航空・技術大学のポール・A・チス教授、パデュー大学のSNB・ムルシー教授の3人の西側の学術研究者がアヤックスに関するわずかなデータを収集し始めた。1996年9月、パークス・カレッジのキャップストーン設計コースと極超音速航空推進統合コースの一環として、チス教授は学生たちに収集した情報を分析するよう割り当て、ODYSSEUSプロジェクトとした。^[11]その後、3人の研究者はアヤックスの原理に関する西側の分析をまとめた会議論文を共同で発表した。^[12]

こうした情報をもとに、ANSERの長年の主要専門家であるラモン・L・チェイスは、以前の立場を再検討し、HRSTプログラム内でアヤックスの技術の米国版を評価・開発するためのチームを編成した。彼は、フライト・アンリミテッド社のCEOであるH・デビッド・フローニング・ジュニア、流体力学の世界的専門家であるレオン・E・マッキニー、ポール・A・チス、メリーランド大学カレッジパーク校の空気力学者でウェーブライダーと前縁周りの気流の専門家であり、NASAが後援するメリーランド極超音速教育研究センターの所長であるマーク・J・ルイス、ブラックプロジェクトから割り当てられた予算で実際に機能するプロトタイプを製作できるロッキード・マーティン・スカンク ワークスのロバート・ボイド博士（契約業者であるゼネラル・アトミックス社は超伝導磁石の世界的リーダーであり、アヤックスはこれを使用している）、およびアヤックスが広範に使用している磁気流体力学コンバーターの専門知識を今でも保持している数少ない企業の1つであるテキストロン・システムズのダニエル・スワロー博士を採用した。^{[13] [14]}

Ayaksは、磁気流体力学発電機を使用して、通常はスクラムジェットである空気吸入式ジェットエンジンの上流で高度にイオン化され希薄化された空気を集めて減速する新しいエンジンを採用すると計画されていたが、HSRIプロジェクトリーダーのVladimir L. Fraĭshtadtは2001年のインタビューで、AyaksのMHDバイパスシステムは、従来のターボ機械をほぼ使用できるほど十分に極超音速の気流を減速できると述べた。^{[15] [16]}これは、そのような極超音速を考えると驚くべき技術的解決策であるが、マッハ2.7のターボジェット^{[17] [18] [19]}または亜音速ラムジェットを使用した独立した研究によって実現可能であることが確認されている。^[20]

空気は燃料と混合されて燃焼器で燃焼する混合物になり、一方、入口MHD発電機で生成された電気は、ジェットエンジンの後ろの単一膨張ランプノズルの近くにあるMHD加速器に供給され、追加の推力と比推力を提供します。ローレンツ力から空気入口の上に発生したプラズマファンネルは、エンジンの空気収集能力を大幅に向上させ、空気入口の有効直径を数百メートルまで増加させます。また、マッハ領域と航空機が巡航できる高度も拡張されます。したがって、Ayaksのエンジンは、高度35キロメートル（115,000フィート）以上でも大気中の酸素を使用して作動できると理論付けられています。^[21]

非平衡MHD発電機は、通常、このようなパラメータ（チャネル断面積、磁場強度、圧力、イオン化度、作動流体の速度）で1～ 5MWeの電力を生成しますが、仮想プラズマファンネルによる空気入口の有効直径の拡大により、生成される電力はエンジン1台あたり45～100MWeに大幅に増加します。 ^{[12] [22]アヤックはこのようなエンジンを2～4台使用する可能性があるため、一部の電気エネルギーを平和的または軍事的な}指向性エネルギー装置に転用することができます。^[2]

アヤックスエンジンの燃料供給システムも斬新である。超音速では、衝撃波のよどみ点の下流で空気が激しく再圧縮され、熱が発生する。極超音速では、衝撃波と機体、特に機首と前縁にかかる空気摩擦による熱流が相当なものとなり、温度はマッハ数の2乗に比例する。そのため、極超音速では材料の強度に問題があり、しばしば熱障壁と呼ばれる。^[23]

アヤックスは熱化学反応器（TCR）を使用しています。空気摩擦による加熱エネルギーは、触媒化学反応で燃料を分解することにより、燃料の熱容量を増やすために使用されます。航空機には二重のシールドがあり、その間で水と通常の安価な灯油が機体の高温部分を循環します。表面加熱のエネルギーは熱交換器を通じて吸収され、ニッケル触媒の存在下で炭化水素蒸気改質と呼ばれる一連の化学反応を引き起こします。灯油と水は、第1段階でメタン（体積比70〜80%）と二酸化炭素（20〜30%） の新しい燃料改質物に噴出します。

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

次に、メタンと水は第 2 段階で強い吸熱反応を起こし、より高品質の新しい燃料である水素に変化します。

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

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

そのため、燃料の加熱能力が増加し、航空機の表面が冷却されます。^[24]

水蒸気改質によりメタン1kgから生成される CO + 3H ₂混合物の発熱量（ 62,900 kJ）は、メタンのみの場合（50,100 kJ）よりも25％高くなります。^[16]

よりエネルギーの高い燃料に加えて、混合物にはプラズマのイオン化度を高める多くのフリーラジカルが含まれており、電子濃度を制御する電子ビームと電子温度を制御するHFパルス反復放電（PRD）を組み合わせて使用​​することでさらにイオン化度が高まります。このようなシステムは、イオン化された流れに自由電子を散布するストリーマ放電を発生させ、燃焼効率を高めます。このプロセスはプラズマ支援燃焼（PAC）として知られています。^{[25] [26] [27] [28]}

このコンセプトは当初、磁気プラズマ化学エンジン（MPCE）と名付けられ、^{[29] [30] [31] 、その動作原理は}化学熱再生・燃料変換（CHRFT）と呼ばれていました。^[32]その後の文献では、これらのエンジンの化学部分よりも磁気流体力学に重点が置かれるようになり、現在ではこれらのコンセプトが効率的に機能するためには互いに密接に関係しているため、単にMHDバイパス付きスクラムジェットと呼ばれています。 ^[33]

エンジンを熱的に遮蔽するというアイデアは、航空熱力学の文献にある、最大推力解析のための理想的なターボジェットの基本解析で詳しく説明されています。^[34]つまり、タービン (仕事抽出) を上流に、コンプレッサー (仕事追加) を下流に配置するということです。従来のジェット エンジンでは、熱力学は機能しますが、高度な熱流体解析では、熱によって流れを詰まらせることなく (エンジンが始動しないように) 航空機に動力を与えるのに十分な熱を加えるには、燃焼器を大きくする必要があり、追加される熱量も大きくなることが示されています。これは熱の使用においてより「効率的」ですが、大量の熱が必要です。熱力学的には非常に健全ですが、実際のエンジンは大きすぎて、航空機で飛行するには電力を消費しすぎます。これらの問題は、プラズマ ファンネルが限られた物理的サイズを維持しながら空気入口の断面積を事実上増加させ、流れ自体から追加のエネルギーが取り出されるため、Ayaks のコンセプトでは発生しません。フライシュタットは「CHRFT技術を活用しているため、アヤックスは古典的な熱機関として分析することはできない」と述べた。^[16]

高度が上昇するにつれて、パッシェンの法則に従って空気の電気抵抗は減少する。アヤックス機首の空気はイオン化される。電子ビームとHFパルス放電の他に、 MHD発電機のホール効果によって高電圧が生成され、セントエルモの火効果によって、航空機の鋭い機首と翼の薄い前縁から平面グロー放電が放出される。航空機の前方と周囲にこのようなプラズマクッションを形成すると、いくつかの利点があると言われている。^{[2] [35] [36]}

• イオン化された空気は導電性になり、MHD 発電機が作動して空気吸入ジェット エンジンへの流れを減速できるようになります。
• 機首衝撃波は機体のさらに前方に分離され、この領域でのエネルギー蓄積は、物理的には非常に鋭いままであるにもかかわらず、仮想的に鈍い機首として機能します。これにより、材料への熱流が最小限に抑えられます。^[35]
• 空気中の温度勾配は局所的に変化し、音速の値も変化して衝撃波を緩和し、和らげます。これにより、材料への熱の影響がさらに低下し、波の抵抗も減少します。^{[35] [37] [38]}
• 航空機全体を包むプラズマコクーンによりプラズマステルス性が実現します。極超音速と機動性も相まって、このようなプラットフォームは検出、追跡、標的化が非常に困難になります。

2001 年のMAKS 航空ショーで発表されたデータによると、Ayaks の仕様は次のとおりです。

その後の刊行物では、さらに印象的な数字が挙げられており、予想される実用上昇限度は60km、巡航速度はマッハ10～20、ブースターロケットを追加すれば軌道速度28,440km/hに達する能力があり、その後、スペースプレーンはブースト滑空軌道（大気圏上層部での連続的なリバウンドまたは「スキップ」、無動力滑空モードと動力モードの交互）で飛行し、40:1という高い滑空比を誇る米国の極超音速ウェーブライダープロジェクトHyperSoarに似ている。^{[15] [39] [40]}

2003年、フランス人エンジニアのジャン＝ピエール・プティの研究は、2001年1月にフランスの雑誌Air et Cosmosにアレクサンドル＝ダヴィド・サメスが発表した論文^[15]と、同月にイギリスのブライトンで開催された先進推進に関する小規模ワークショップで収集された情報に基づいて行われた。^[41]特に、ワークショップ中に発表された極超音速流における電気および電磁放電に関する彼の以前の研究についてフライト・アンリミテッドのデイビッド・フローニング・ジュニアと話し合った後のものであった。^[35]

プティは、通常考えられるチャネル内に配置された線形クロスフィールドファラデーコンバータの代わりに、航空機の上部の平らな表面にある、自由流と接触する大きくて長い多極壁MHD コンバータについて書いています。このような多極コンバータでは、磁場は、一対の大きな電磁石の代わりに、多数の平行な超伝導細線によって生成されます。これらの細線は、表面下を空気流と直接接触して走り、そのプロファイルは航空機のボディに沿っています。空気は、インレットに入り、次に空気を吸い込むジェットエンジンに入ると、層流の境界層で、あまり再圧縮されることなく徐々に減速され、亜音速の値まで下がります。このようなオープンウォール MHD 制御インレットは、2 年後に Ayaks プログラムの 2 人の科学者によって同様の方法で公開されますが、彼らは、速度と高度に関係なく、衝撃波をエアインレットの「ショックオンリップ」としてベクトル化するために、航空機の下の傾斜したフロントランプの表面に配置することを提案しています。^[42]

外部の流れが極超音速のままでも内部で亜音速を達成できるため、プティは、そのようなプラットフォームでは、制御が難しいスクラムジェットの代わりにほぼ従来型のターボジェットとラムジェットを使用でき、そのような飛行機は、電磁力によって濡れた領域の特定の領域で抗力を局所的に増加または減少させることで操縦するため、垂直安定板もフィンも必要なくなると提案しています。次に、半誘導ランプノズルの物理的表面に配置され、ジェットエンジンの下流で導電性の排気ガスを加速する同様の多極MHD加速器について説明します。

プティの10年前、ニジニ・ノヴゴロド無線工学研究所（NIIRT）所長のウラジミール・I・クレメンツォフ博士とロシア科学アカデミーモスクワ無線技術研究所（MRTI RAS）所長のアナトリー・クリモフ博士は、ウィリアム・カウフマンに 、アヤックス構想のMHDバイパスシステムが、ロッキードSR-71ブラックバードの後継機と噂されている秘密宇宙機オーロラにすでに組み込まれているだろうと暴露した。^{[40] [43] [44]}

• アヤックス計画はマクシム・カラシニコフの著書『帝国の折れた剣』の中で大きく取り上げられている。^[45]

• 磁気流体力学変換器
• ソビエトの宇宙計画
• アバンガード（極超音速滑空機）