“阿雅克斯”高超音速飞行器

"阿雅克斯"是前苏联在等离子体技术和磁流体动力学基础上开发出来的一个高超音速飞行器计划，与以往采用传统技术设计的高超音速飞机相比，在技术上具有革命性的意义
　　冷战结束后，有关前苏联 神秘的"阿雅克斯"（ΑУАХ）高超音速飞机计划的一些零星信息开始流入西方，致使一些曾经对该计划的传闻感到迷惑甚至怀疑的专家，终于承认阿雅克斯是数十年以来世界上最富有技术创新意义的高超音速飞行器。
　　阿雅克斯如何浮出水面
　　阿雅克斯计划始于80年代末期，由前苏联涅瓦特种飞行器设计局负责设计。前苏联解体后，关于阿雅克斯计划的报道也随之销声匿迹了。
　　 90年代初，为了迎接美国NASP计划(X-30）的挑战，俄罗斯研制的"天鹰"计划面世，由于阿雅克斯是"天鹰"计划中的一个项目，所以关于它的传闻再现报端。
　　 1993年，英国宇航公司试图打入俄罗斯的高技术市场，并派一名著名专家到俄罗斯工作。由于当时俄罗斯经济很不景气，许多人积极向英国专家"出售"产品和技术服务，使他成了了解前苏联等离子体技术研究内容及等离子技术在阿雅克斯计划中应用情况秘密的第一人。事实上，当时涅瓦设计局的前身高超音速系统研究所已经申请了关于"在大气巡航飞行条件下，高超音速飞行器推进方法"技术的专利。
　　 同年，作为东西方技术交换站的芬兰， 组织了一次有关俄罗斯新技术论坛，并请了一些俄罗斯有关专家重点介绍了他们在等离子体空气动力学以及碳流体动力学推进技术方面作出的重要贡献。同年晚些时候，在莫斯科举办了第二届航展上，一个阿雅克斯工作原理模型被公开展出。
　　 年底，NASA与俄国防工业委员会签订了有关航空科学基础研究工作的合作协议。与此同时，第五届国际空天飞机会议在的德国慕尼黑召开，150位世界各国专家出席了会议。俄武器专家在会上介绍了阿雅克斯飞机计划的研究情况，其中关于该机所用技术和性能指标的介绍，使与会议专家大为震惊。至此，有关阿雅克斯的"传说"被迅速公开化。
　　 慕尼黑会后，俄国防工业委员会在圣彼得堡召开了一次会议，讨论阿雅克斯空天飞机的资金筹集和技术开发问题，并决定用一个缩比尺寸原型机进行试飞，有几百个"企业"参与了阿雅克斯计划的研究工作。1994年俄政府宣布准备在1994～2002年间分期投资，研制阿雅克斯飞机和进行全尺寸飞机试飞，并在圣彼得堡一家兵工厂的展台上展示了阿雅克斯的台架试车结果。
　　美国专家惊出一身冷汗
　　 1994年美国开展了"军事革命"的辩论，修改了军事思想，提出"全球攻击"战略，突出了高超音速飞机及高级入轨空天飞机的在研究和军事领域的重要地位。
　　 同年3月，波音、通用动力、洛克希德·马丁等6大工业企业发表了600页的"商用空间运输研究报告（CSTC），白宫也公布了相应的政策，要求NASA与国防部合作研究可重复使用的航天发动机。
　　 在NASP计划被取消之后， NASA于1995年6月提出了"高度可重复使用航天运输计划"（HRST），打算通过发展单级入轨发射器来降低航天运输费用。共有13个团队参与该计划的投标。Anser公司是其中之一。
　　 这家公司是为美国空军总部评估先进武器系统的一个"思想库"，它的组成人员与美国政府团体有紧密联系。该公司从90年代起就在莫斯科设有耳目，并设有一个名叫Anser的航空航天合作中心。该中心的一些专家原来对俄方关于阿雅克斯计划的宣传很不以为然，但在1995年得知该计划申报了技术专利后，惊出了一身冷汗。而NASA的HRST计划当时正处在一个走出争论进行反思的时刻。为此美国防部门认为：美国有必要针对阿雅克斯计划对HRST计划提出新的要求。
　　 1995年，美国空军咨询局（AFSAB）在它发表了新世纪的展望报告中，提出了将在今后30年中优先开发的部分项目。在1997年透露的发展目标中，对高超音速飞机的升阻比要求竟达到了40。
　　 鉴于俄罗斯对它的阿雅克斯飞机神话般的宣传，美国在对HRST进行研究时，对阿雅克斯计划也进行了认真的分析研究，并组成一个由方方面面高超音速飞机技术领域"顶级专家人员"组成的专门研究班子。总之，此时美国对阿雅克斯方案已经深信不疑。
　　 目前，一个由50多个大学教授组成的技术小组正在研究研制该飞行器所需的各项创新技术，还有30个工业企业在对领域内的技术研究项目进行投资。军方也长期进行这方面的研究工作。
　　 业已证实，从1997年以来有一家美国航空制造商已对阿雅克斯的某些关键技术进行过试飞。但目前未见任何信息发布。 直到2000年2月，美国空军有消息透露，阿雅克斯的一些关键性技术可能成为NASA X-37或其衍生型DF-7计划的试验项目。
　　 DF-7为双燃料，飞行速度能达到M7～10的高超音速飞机，也是目前X-43A试验性高超音速研究机的前身和NASA未来X计划的一部分。
　　 尽管现在并不排除会有更奇特的高超音速飞行平台的出现，但也不可否认在未来高超音速巡航飞行器的发展过程中还存在许多"科学上、技术上的障碍"。
　　 未来高超音速巡航机以及跨大气层飞行器设计方案现在看来五花八门，但总体来看单级入轨的航空航天飞机在技术可行性方面似乎比以往更大。这标志着一个高超音速飞行器的新纪元已经开始了。
　　跨世纪的高技术
　　在阿雅克斯高超音速飞行器设计中，采用了相当前卫的几项关键技术，包括等离子主动气动减阻技术、通过磁流体动力转换器进行能量搭桥技术（即能量的萃取和再注入技术）、碳氢燃料的重整技术和新材料技术。这些技术尽管不相互叠加，但相互交错、协同，从而提高了综合技术效果。
　　 ● 等离子主动减阻技术　　阿雅克斯飞行器在研究中采用了一种将大气"预先加热"的方法，以改善它在进入大气层时结构的气动加热。这种方法能使飞行器前面的高超音速气流（激波"前体"）与激波之间形成一个能量较低的"走廊"，即类等离子体区（Plasmoide）。小型风洞模型试验表明，当在模型头部之前将激波束聚焦，产生大气光学放电（热等离子体）现象时，便会发现激波逐渐分离。根据计算，此时正激波将逐渐变成了斜激波，这一过程至少可以减少一半飞行阻力。
　　 ● 特殊材料技术　　如果没有材料技术领域的突破，像阿雅克斯这样的飞行器就不可能飞上天。俄罗斯的工程人员在可渗透及多孔材料方面做了大量工作，在极高温超导材料技术领域也有重大突破。这种超导体材料的利用主要是为了减少强电流的能源消耗（焦耳效应）。磁流力体动力加速器及发生器中的电极也十分特殊，是一种导电系数可变的电极，日本人已发明了这类材料。最后还要精心研究材料在强磁场下的强度性能。
　　 ● 燃料重整技术　　以前的高超音速飞行器通常用液氢和液体甲烷作为动力装置燃料，但这些需要在低温下进行深冷的燃料密度太小，实用性不好。高超音速飞行器（M12以上）采用这种燃料时，燃料箱势必设计得又大又重，从而影响飞行器的气动性能和有效载重能力。
　　 在阿雅克斯计划中，他们采用了石油化工业中有名的燃料重整（或裂化）技术来"制备"燃油。 燃料重整技术简单地说就是将水（或氧的化合物和双氧水H2O2）加入碳氢化合物中，通过加热使之产生化学吸热反应，在理想的化学反应情况下， 使之转变成一氧化碳及氢气。但水和氧由于数量不足，不能生成一氧化碳而出现纯碳分子。这种碳质点（石墨碳式C60）分散在生成物中，改善了它的导电率和电磁性能。于是出现两方面的积极效果。一是极大改善了重整燃料的点火性能，另一个则是在吸热反应过程中能消耗大量热能，从而使飞行器的受热部件得到冷却。
　　 这样，作为"热容器"的燃料不仅为飞行器提供了能源，而且成为它的主动热防护系统。这就意味着阿雅克斯这种利用碳氢液体燃料的飞行器比其他性能相同的航空航天飞行器的结构尺寸要小、重量更轻。
　　 总之，阿雅克斯计划的秘决和技术创新点在于：充分利用了超高速飞行器的气动阻力和热障以及发动机产生的热等离子体和重返大气时的极高动力热，并通过化害为利，进而达到减小飞行器的尺寸、降低飞行阻力和提高飞行性能的目的。
　　 ● 磁流体动力学能量搭桥技术　　磁流体动力发生器是一种能将电离空气的喷气流动能（速度）转换为电能的磁装置。转换得到的电能除了用来供上述主动减阻系统之用外，还可用来改善燃烧质量。但其中大部分能量是用来"再注入"到装在燃烧室出口处的磁动力加速器中。据俄工程师计算这一部分的能量能达到几十兆瓦到几百兆瓦。后面的这项工作正好与磁流体动力发生器的作用相反，它利用电磁场的作用提高从燃烧室中出来的气流的能量，使之形成高速气流。由于这项技术是将能量从飞行器的一端在再注入到另一端，故而有磁流体动力能量搭桥技术之称。
　　 现已证明，在将电离的喷气流的机械能转变为电能时，电离气流速度下降，并从而降低气流的温度和压力，这将有可能为高超音速发动机创造一个能够承受的工作温度和压力。
　　 另外，由于磁流体动力发生器能够萃取很大的能量，很可能会将发动机燃烧室中的气流速度降低到亚音速水平，使能以M 12速度进行巡航飞行的高超音速飞行器有可能采用常规技术的发动机，甚至传统技术的涡轮发动机，从而避免了必须采用冲压喷气发动机及超冲压喷气发 动机时遇到的棘手的技术问题，如需要解决高温高压材料技术以及火焰稳定性问题等。
　　等离子技术的三大优点
　　阿雅克斯上采用的等离子技术据称有三大优点。首先是隐身，当飞行器处于电离气体中时，可使入射的雷达信号失去其特征，从而获得雷达隐身性能。在冷战期间，俄罗斯已经在这方面作了大量研究工作。在它们的7.01、 1.44MFI（多用途歼击机）等新战斗机研制计划中都开展过这方面的技术研究工作。据说俄罗斯近年来可供出口的机载等离子发生器（第2代）有近百千克重。
　　 第二大优点表现在气动力方面。50年代初以前，飞行器设计师们一直都在致力于如何使超音速飞行器摆脱激波干扰的研究工作，直到英国的农伟勒（Nonweiler）发明了"乘波"飞行器后，才使人们开始认识到可以变激波的不利为有利的问题。工程人员也从此开始研究有利的激波形式，并设计出了一种能够利用激波进行高速飞行的飞行器。这种飞行器完全靠激波进行波上"冲浪"飞行。而阿雅克斯更高的飞行速度，能使飞行器整个处于等离子体的包围之中，在它的外围才是激波。俄罗斯目前已经用计算机程序摸拟了阿雅克斯的飞行，只不过在计算机中进行飞行试验的是一种几何形状可变、表面多孔的"虚拟飞行器"。
　　 第三个优点是等离子体容易用电磁场控制。它可以通过加速飞行器周围的空气电离来提高空气动力升阻比；也可以通过"局部"控制电离气体的质量达到用电磁"虚拟"表面替代气动力操纵面（副翼等）的目的；还可以通过控制进入发动机涵道（虚拟的变几何形状的进气道）的气流对发动机进行优化控制。这些技术显然是有着重要使用价值的。 </P>"阿雅克斯"是前苏联在等离子体技术和磁流体动力学基础上开发出来的一个高超音速飞行器计划，与以往采用传统技术设计的高超音速飞机相比，在技术上具有革命性的意义
　　冷战结束后，有关前苏联 神秘的"阿雅克斯"（ΑУАХ）高超音速飞机计划的一些零星信息开始流入西方，致使一些曾经对该计划的传闻感到迷惑甚至怀疑的专家，终于承认阿雅克斯是数十年以来世界上最富有技术创新意义的高超音速飞行器。
　　阿雅克斯如何浮出水面
　　阿雅克斯计划始于80年代末期，由前苏联涅瓦特种飞行器设计局负责设计。前苏联解体后，关于阿雅克斯计划的报道也随之销声匿迹了。
　　 90年代初，为了迎接美国NASP计划(X-30）的挑战，俄罗斯研制的"天鹰"计划面世，由于阿雅克斯是"天鹰"计划中的一个项目，所以关于它的传闻再现报端。
　　 1993年，英国宇航公司试图打入俄罗斯的高技术市场，并派一名著名专家到俄罗斯工作。由于当时俄罗斯经济很不景气，许多人积极向英国专家"出售"产品和技术服务，使他成了了解前苏联等离子体技术研究内容及等离子技术在阿雅克斯计划中应用情况秘密的第一人。事实上，当时涅瓦设计局的前身高超音速系统研究所已经申请了关于"在大气巡航飞行条件下，高超音速飞行器推进方法"技术的专利。
　　 同年，作为东西方技术交换站的芬兰， 组织了一次有关俄罗斯新技术论坛，并请了一些俄罗斯有关专家重点介绍了他们在等离子体空气动力学以及碳流体动力学推进技术方面作出的重要贡献。同年晚些时候，在莫斯科举办了第二届航展上，一个阿雅克斯工作原理模型被公开展出。
　　 年底，NASA与俄国防工业委员会签订了有关航空科学基础研究工作的合作协议。与此同时，第五届国际空天飞机会议在的德国慕尼黑召开，150位世界各国专家出席了会议。俄武器专家在会上介绍了阿雅克斯飞机计划的研究情况，其中关于该机所用技术和性能指标的介绍，使与会议专家大为震惊。至此，有关阿雅克斯的"传说"被迅速公开化。
　　 慕尼黑会后，俄国防工业委员会在圣彼得堡召开了一次会议，讨论阿雅克斯空天飞机的资金筹集和技术开发问题，并决定用一个缩比尺寸原型机进行试飞，有几百个"企业"参与了阿雅克斯计划的研究工作。1994年俄政府宣布准备在1994～2002年间分期投资，研制阿雅克斯飞机和进行全尺寸飞机试飞，并在圣彼得堡一家兵工厂的展台上展示了阿雅克斯的台架试车结果。
　　美国专家惊出一身冷汗
　　 1994年美国开展了"军事革命"的辩论，修改了军事思想，提出"全球攻击"战略，突出了高超音速飞机及高级入轨空天飞机的在研究和军事领域的重要地位。
　　 同年3月，波音、通用动力、洛克希德·马丁等6大工业企业发表了600页的"商用空间运输研究报告（CSTC），白宫也公布了相应的政策，要求NASA与国防部合作研究可重复使用的航天发动机。
　　 在NASP计划被取消之后， NASA于1995年6月提出了"高度可重复使用航天运输计划"（HRST），打算通过发展单级入轨发射器来降低航天运输费用。共有13个团队参与该计划的投标。Anser公司是其中之一。
　　 这家公司是为美国空军总部评估先进武器系统的一个"思想库"，它的组成人员与美国政府团体有紧密联系。该公司从90年代起就在莫斯科设有耳目，并设有一个名叫Anser的航空航天合作中心。该中心的一些专家原来对俄方关于阿雅克斯计划的宣传很不以为然，但在1995年得知该计划申报了技术专利后，惊出了一身冷汗。而NASA的HRST计划当时正处在一个走出争论进行反思的时刻。为此美国防部门认为：美国有必要针对阿雅克斯计划对HRST计划提出新的要求。
　　 1995年，美国空军咨询局（AFSAB）在它发表了新世纪的展望报告中，提出了将在今后30年中优先开发的部分项目。在1997年透露的发展目标中，对高超音速飞机的升阻比要求竟达到了40。
　　 鉴于俄罗斯对它的阿雅克斯飞机神话般的宣传，美国在对HRST进行研究时，对阿雅克斯计划也进行了认真的分析研究，并组成一个由方方面面高超音速飞机技术领域"顶级专家人员"组成的专门研究班子。总之，此时美国对阿雅克斯方案已经深信不疑。
　　 目前，一个由50多个大学教授组成的技术小组正在研究研制该飞行器所需的各项创新技术，还有30个工业企业在对领域内的技术研究项目进行投资。军方也长期进行这方面的研究工作。
　　 业已证实，从1997年以来有一家美国航空制造商已对阿雅克斯的某些关键技术进行过试飞。但目前未见任何信息发布。 直到2000年2月，美国空军有消息透露，阿雅克斯的一些关键性技术可能成为NASA X-37或其衍生型DF-7计划的试验项目。
　　 DF-7为双燃料，飞行速度能达到M7～10的高超音速飞机，也是目前X-43A试验性高超音速研究机的前身和NASA未来X计划的一部分。
　　 尽管现在并不排除会有更奇特的高超音速飞行平台的出现，但也不可否认在未来高超音速巡航飞行器的发展过程中还存在许多"科学上、技术上的障碍"。
　　 未来高超音速巡航机以及跨大气层飞行器设计方案现在看来五花八门，但总体来看单级入轨的航空航天飞机在技术可行性方面似乎比以往更大。这标志着一个高超音速飞行器的新纪元已经开始了。
　　跨世纪的高技术
　　在阿雅克斯高超音速飞行器设计中，采用了相当前卫的几项关键技术，包括等离子主动气动减阻技术、通过磁流体动力转换器进行能量搭桥技术（即能量的萃取和再注入技术）、碳氢燃料的重整技术和新材料技术。这些技术尽管不相互叠加，但相互交错、协同，从而提高了综合技术效果。
　　 ● 等离子主动减阻技术　　阿雅克斯飞行器在研究中采用了一种将大气"预先加热"的方法，以改善它在进入大气层时结构的气动加热。这种方法能使飞行器前面的高超音速气流（激波"前体"）与激波之间形成一个能量较低的"走廊"，即类等离子体区（Plasmoide）。小型风洞模型试验表明，当在模型头部之前将激波束聚焦，产生大气光学放电（热等离子体）现象时，便会发现激波逐渐分离。根据计算，此时正激波将逐渐变成了斜激波，这一过程至少可以减少一半飞行阻力。
　　 ● 特殊材料技术　　如果没有材料技术领域的突破，像阿雅克斯这样的飞行器就不可能飞上天。俄罗斯的工程人员在可渗透及多孔材料方面做了大量工作，在极高温超导材料技术领域也有重大突破。这种超导体材料的利用主要是为了减少强电流的能源消耗（焦耳效应）。磁流力体动力加速器及发生器中的电极也十分特殊，是一种导电系数可变的电极，日本人已发明了这类材料。最后还要精心研究材料在强磁场下的强度性能。
　　 ● 燃料重整技术　　以前的高超音速飞行器通常用液氢和液体甲烷作为动力装置燃料，但这些需要在低温下进行深冷的燃料密度太小，实用性不好。高超音速飞行器（M12以上）采用这种燃料时，燃料箱势必设计得又大又重，从而影响飞行器的气动性能和有效载重能力。
　　 在阿雅克斯计划中，他们采用了石油化工业中有名的燃料重整（或裂化）技术来"制备"燃油。 燃料重整技术简单地说就是将水（或氧的化合物和双氧水H2O2）加入碳氢化合物中，通过加热使之产生化学吸热反应，在理想的化学反应情况下， 使之转变成一氧化碳及氢气。但水和氧由于数量不足，不能生成一氧化碳而出现纯碳分子。这种碳质点（石墨碳式C60）分散在生成物中，改善了它的导电率和电磁性能。于是出现两方面的积极效果。一是极大改善了重整燃料的点火性能，另一个则是在吸热反应过程中能消耗大量热能，从而使飞行器的受热部件得到冷却。
　　 这样，作为"热容器"的燃料不仅为飞行器提供了能源，而且成为它的主动热防护系统。这就意味着阿雅克斯这种利用碳氢液体燃料的飞行器比其他性能相同的航空航天飞行器的结构尺寸要小、重量更轻。
　　 总之，阿雅克斯计划的秘决和技术创新点在于：充分利用了超高速飞行器的气动阻力和热障以及发动机产生的热等离子体和重返大气时的极高动力热，并通过化害为利，进而达到减小飞行器的尺寸、降低飞行阻力和提高飞行性能的目的。
　　 ● 磁流体动力学能量搭桥技术　　磁流体动力发生器是一种能将电离空气的喷气流动能（速度）转换为电能的磁装置。转换得到的电能除了用来供上述主动减阻系统之用外，还可用来改善燃烧质量。但其中大部分能量是用来"再注入"到装在燃烧室出口处的磁动力加速器中。据俄工程师计算这一部分的能量能达到几十兆瓦到几百兆瓦。后面的这项工作正好与磁流体动力发生器的作用相反，它利用电磁场的作用提高从燃烧室中出来的气流的能量，使之形成高速气流。由于这项技术是将能量从飞行器的一端在再注入到另一端，故而有磁流体动力能量搭桥技术之称。
　　 现已证明，在将电离的喷气流的机械能转变为电能时，电离气流速度下降，并从而降低气流的温度和压力，这将有可能为高超音速发动机创造一个能够承受的工作温度和压力。
　　 另外，由于磁流体动力发生器能够萃取很大的能量，很可能会将发动机燃烧室中的气流速度降低到亚音速水平，使能以M 12速度进行巡航飞行的高超音速飞行器有可能采用常规技术的发动机，甚至传统技术的涡轮发动机，从而避免了必须采用冲压喷气发动机及超冲压喷气发 动机时遇到的棘手的技术问题，如需要解决高温高压材料技术以及火焰稳定性问题等。
　　等离子技术的三大优点
　　阿雅克斯上采用的等离子技术据称有三大优点。首先是隐身，当飞行器处于电离气体中时，可使入射的雷达信号失去其特征，从而获得雷达隐身性能。在冷战期间，俄罗斯已经在这方面作了大量研究工作。在它们的7.01、 1.44MFI（多用途歼击机）等新战斗机研制计划中都开展过这方面的技术研究工作。据说俄罗斯近年来可供出口的机载等离子发生器（第2代）有近百千克重。
　　 第二大优点表现在气动力方面。50年代初以前，飞行器设计师们一直都在致力于如何使超音速飞行器摆脱激波干扰的研究工作，直到英国的农伟勒（Nonweiler）发明了"乘波"飞行器后，才使人们开始认识到可以变激波的不利为有利的问题。工程人员也从此开始研究有利的激波形式，并设计出了一种能够利用激波进行高速飞行的飞行器。这种飞行器完全靠激波进行波上"冲浪"飞行。而阿雅克斯更高的飞行速度，能使飞行器整个处于等离子体的包围之中，在它的外围才是激波。俄罗斯目前已经用计算机程序摸拟了阿雅克斯的飞行，只不过在计算机中进行飞行试验的是一种几何形状可变、表面多孔的"虚拟飞行器"。
　　 第三个优点是等离子体容易用电磁场控制。它可以通过加速飞行器周围的空气电离来提高空气动力升阻比；也可以通过"局部"控制电离气体的质量达到用电磁"虚拟"表面替代气动力操纵面（副翼等）的目的；还可以通过控制进入发动机涵道（虚拟的变几何形状的进气道）的气流对发动机进行优化控制。这些技术显然是有着重要使用价值的。 </P>