"Tenzij je in de ruimte probeert te komen of iets opblaast, er beweegt niets met hypersonische snelheden, ' zei Alan Kastengren.

Op dit moment niet veel, hoe dan ook. Maar 's werelds grootste legers zijn bezig met het ontwikkelen van vliegtuigen en wapens die snelheden van Mach 5 halen of overschrijden, de onderkant van de hypersonische grens.

Het hypersonische programma van de Verenigde Staten, bijvoorbeeld, onlangs nieuw leven ingeblazen, door zowel de dreiging te worden overtroffen door rivaliserende landen als de toegenomen investeringen door het Amerikaanse ministerie van Defensie om nieuwe innovaties te versnellen, inclusief hypersonische technologie.

Een van de grootste moeilijkheden bij het bereiken van een succesvolle hypersonische vlucht is het verkrijgen van het juiste brandstof-luchtmengsel dat nodig is voor een effectieve verbranding. Kastengren, een natuurkundige bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), is een expert in complexe stroming die de uitdaging van hypersonische verbranding is aangegaan.

Met behulp van de krachtige röntgenbronnen van Argonne's Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, hij hoopt een nauwkeuriger beeld te krijgen van de dynamiek die optreedt in wolken van brandstofdruppels die worden gegenereerd door de minutieuze en gedetailleerde geometrie van supersonische verbrandingssproeiers, het type gebruikt in supersonische verbranding ramjet, of "scramjet, "motoren voor hypersonische vlucht.

"Röntgenstralen kunnen door die wolk dringen en heel kwantitatief meten wat er gebeurt, " zei Kastengren. "We kunnen het met hoge snelheden en we kunnen het met hoge precisie doen omdat we een van 's werelds grootste en helderste harde röntgenbronnen hebben."

Gehoorzamen aan de snelheidslimiet

De afgelopen 12 jaar, Kastengren is druk bezig geweest met het uitvoeren van gedetailleerde röntgenmetingen van brandstofinjectiesystemen voor auto's, voornamelijk voor auto's en vrachtwagens, voertuigen die vaker wel dan niet een goed gedefinieerde - soms genegeerde - snelheidslimiet moeten gehoorzamen. Naarmate zijn onderzoek vorderde, dus ook de voertuigen, met snelheidslimieten die alleen worden gedefinieerd door technische termen als Mach, supersonisch en hypersonisch.

In 2008, zijn groepsleider, senior natuurkundige Jin Wang, financiering ontvangen om een ​​aparte bundellijn op de synchrotron bij de APS te bouwen, voornamelijk om röntgenabsorptie in brandstoffen waar te nemen. Een deel van het werk van Kastengren was het aantrekken van nieuwe gebruikers van buiten Argonne, wiens projecten veel verder gingen dan traditionele brandstofinjectie.

Deze omvatten leden van de ruimtevaartgemeenschap, die vloeibare raket- en scramjet-injectoren bestudeerden, evenals toepassingen voor het mengen van brandstof en lucht.

per ongeluk, zijn eerdere werk bereidde Kastengren voor op dit meest recente project dat supersonische verbranding in hypersonische voertuigen bestudeert.

Medio 2016, Kastengren ontving Argonne-financiering om de ontwikkeling van een wetenschapsportfolio op dit gebied voort te zetten, werk waarvoor hij al de aandacht trok van potentiële sponsors als het Air Force Research Laboratory (AFRL) en het Air Force Office of Scientific Research, beide onderzoeken complexe stromingen in hypersonische en vloeibare raketvoortstuwing.

Omdat het concept een aantal unieke toepassingen kent voor de nationale veiligheidsgemeenschap, Kastengren's project werd een onderdeel van Argonne's National Security Programs (NSP), wiens doel het is om Argonne's middelen van wereldklasse aan te wenden voor het oplossen van de moeilijkste veiligheidsproblemen van het land.

"Er zijn veel faciliteiten in het hele land die dit soort onderzoek doen, maar niemand kan de soorten metingen uitvoeren die bij het APS worden uitgevoerd, " zei NSP-directeur Keith Bradley. "We brengen unieke experimentele mogelijkheden voor dit probleem, en we denken dat het werk van Alan een vroege groeikans kan zijn."

Een lucifer aansteken in een orkaan

de APS, beschouwd als de helderste harde röntgensynchrotron op het westelijk halfrond, wetenschap kan doen in moeilijk waarneembare en meetbare regio's, wat vooral van belang is om te begrijpen hoe verbrandingsprocessen werken. Een belangrijk voordeel, bijvoorbeeld, is het vermogen om in metalen voorwerpen te kijken die anders ondoorzichtig zijn, zoals injectoren.

En omdat de röntgenstralen zo helder zijn, de APS zorgt voor een nauwkeurigere boekhouding van dynamische processen die veel hogere snelheden en resoluties vereisen om vast te leggen. Het heeft ook als groot voordeel, zijn associatie met Argonne, een laboratorium dat bekend staat om zijn integratieve werk op het gebied van fundamentele materiaalwetenschap en verbrandingschemie, evenals praktische problemen bij de verbranding.

De belangstelling voor het project van Kastengren sluit aan bij de recente drang van het Ministerie van Defensie om van hypersonische technologie een topprioriteit te maken. als zowel een offensief mechanisme als een defensieve strategie. In straaljagers en raketten, dit betekent het vermogen om te vliegen met Mach 5 - vijf keer de snelheid van het geluid - of sneller, waardoor ze tegenstanders te slim af kunnen zijn en vijandelijke luchtverdediging kunnen trotseren.

Dergelijke vliegtuigen gebruiken scramjets, die afhankelijk zijn van zuurstof uit de atmosfeer in plaats van uit traditionele, omvangrijke zuurstoftanks aan boord. Dit zorgt voor een lichtere, sneller voertuig, maar een veel intenser stroombeeld.

Het woord "berucht" komt vaak voor in voorstellen die verband houden met studies van hypersonische stromingen, omdat ze notoir moeilijk te bestuderen zijn. Na gewerkt te hebben met onderzoekers die scramjet-motoren voor hypersonische voertuigen ontwikkelden, Kastengren begrijpt enkele van de uitdagingen.

Onder de grotere problemen lucht beweegt supersonisch door de motor, ten opzichte van het voertuig, en onderzoekers moeten precies bepalen hoe brandstof en lucht zich snel en veilig kunnen vermengen. Diagnostiek in de buurt van het injectiepunt is bijzonder stekelig, as the merging liquid and supersonic crossflow form a complex, coupled flowfield.

It's akin to lighting a match in a hurricane, said Kastengren.

Breaching supersonic barriers

Despite these particular intricacies, mixing fuel and air remains a basic problem, one that the APS is well-equipped to handle, and one for which X-rays are well-suited. As a diagnostic tool, the APS can provide the quantitative data needed for computational modeling.

Recent measurements conducted at the APS already have demonstrated the X-ray technique's effective, quantitative capabilities in a range of challenging flowfields, such as liquid rocket injectors. Collaborating with the AFRL, Kastengren plans to use similar X-ray diagnostics to probe the mixing of a liquid jet into a Mach 2 supersonic crossflow.

First-ever data derived from supersonic jet-in-crossflow measurements will act as a critical benchmark in validating computational models of scramjet fuel-air mixing, leading to improved performance of scramjet combustors and other combustion devices.

"We have great capabilities at the beamline that position us to make unique contributions, " said Bradley. "And as we continue to unravel the mysteries of advanced propulsion, we will discover additional capabilities that will render even greater insights."

Maar voor nu, the challenges that hypersonics presents are helping Kastengren, Argonne and the APS define their place in the scramjet community, and establish the criticality of their integrated capabilities in solving those problems.