Går med det hypersoniske flow

"Medmindre du prøver at komme til rummet eller sprænge noget i luften, der er intet, der bevæger sig ved hypersoniske hastigheder, " sagde Alan Kastengren.

Ikke meget i øjeblikket, alligevel. Men verdens største militære har travlt med at udvikle fly og våben, der opfylder eller overstiger hastigheder på Mach 5, den lave ende af den hypersoniske grænse.

USA's hypersonic program, for eksempel, for nylig blev genoplivet, af både truslen om at blive overgået af rivaliserende nationer og øgede investeringer fra det amerikanske forsvarsministerium for at fremskynde nye innovationer, inklusive hypersonisk teknologi.

Blandt de største vanskeligheder med at opnå en vellykket hypersonisk flyvning er at få den rigtige brændstof-luftblanding, der kræves for effektiv forbrænding. Kastengren, en fysiker ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, er ekspert i komplekst flow, der har taget udfordringen med hypersonisk forbrænding op.

Ved at bruge de kraftfulde røntgenressourcer hos Argonne's Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, han håber at få et mere præcist billede af dynamikken, der forekommer i skyer af brændstofdråber, der genereres af den minutiøse og detaljerede geometri af supersoniske forbrændingsdyser, den type, der anvendes i supersonisk forbrændingsramjet, eller "scramjet, "motorer til hypersonisk flyvning.

"Røntgenstråler er i stand til at trænge gennem den sky og måle, hvad der foregår meget kvantitativt, " sagde Kastengren. "Vi kan gøre det ved høje hastigheder, og vi kan gøre det med høj præcision, fordi vi har en af ​​verdens største og mest lysstærke hårde røntgenkilder."

Overhold hastighedsgrænsen

I de sidste 12 år, Kastengren har haft travlt med at tage detaljerede røntgenmålinger af brændstofindsprøjtningssystemer til biler, primært til biler og lastbiler, køretøjer, der oftere end ikke skal overholde en veldefineret – hvis nogle gange ignoreret – hastighedsgrænse. Efterhånden som hans forskning er skredet frem, det samme har køretøjerne, med hastighedsbegrænsninger kun defineret af tekniske udtryk som Mach, supersonisk og hypersonisk.

I 2008 hans gruppeleder, senior fysiker Jin Wang, modtaget finansiering til at bygge en separat beamline på synkrotronen ved APS, primært for at observere røntgenabsorption i brændstoffer. En del af Kastengrens job indebar at sikre nye brugere uden for Argonne, hvis projekter gik langt ud over traditionel brændstofindsprøjtning.

Disse omfattede medlemmer af rumfartssamfundet, som studerede flydende raket- og scramjet-injektorer, samt brændstof-luftblandingsapplikationer.

Utilsigtet, hans tidligere arbejde forberedte Kastengren til dette seneste projekt, der studerer supersonisk forbrænding i hypersoniske køretøjer.

I midten af ​​2016 Kastengren modtog Argonne-midler til at forfølge udviklingen af ​​en videnskabelig portefølje på dette område, arbejde, som han allerede fik opmærksomhed fra potentielle sponsorer som Air Force Research Laboratory (AFRL) og Air Force Office of Scientific Research, som begge undersøger komplekse strømme i hypersonisk og flydende raketfremdrift.

Fordi konceptet har en række unikke applikationer til det nationale sikkerhedssamfund, Kastengrens projekt blev en del af Argonnes nationale sikkerhedsprogrammer (NSP), hvis formål det er at anvende Argonnes ressourcer i verdensklasse til at løse nationens hårdeste sikkerhedsproblemer.

"Der er mange faciliteter rundt om i landet, der laver denne form for forskning, men ingen kan foretage de typer målinger, der udføres ved APS, " sagde NSP-direktør Keith Bradley. "Vi bringer unikke eksperimentelle muligheder til dette problem, og vi tror, ​​at Alans arbejde kunne være en mulighed for tidlig vækst."

Tænde en tændstik i en orkan

ApS, betragtes som den lyseste hårde røntgensynkrotron på den vestlige halvkugle, kan udføre videnskab i regioner, der er svære at observere og måle, hvilket er særligt medvirkende til at forstå, hvordan forbrændingsprocesser fungerer. En vigtig fordel, for eksempel, er evnen til at kigge ind i metalgenstande, der ellers er uigennemsigtige, såsom injektorer.

Og fordi dens røntgenstråler er så lyse, APS giver mulighed for en mere nøjagtig opgørelse af dynamiske processer, der kræver meget højere hastigheder og opløsninger at fange. Det har også som en stor fordel, dets tilknytning til Argonne, et laboratorium, der er kendt for sit integrerende arbejde med grundlæggende materialevidenskab og forbrændingskemi, samt praktiske problemer ved forbrænding.

Interessen for Kastengrens projekt falder i tråd med Forsvarsministeriets seneste indsats for at gøre hypersonic til en topprioritet, som både en offensiv mekanisme og en defensiv strategi. I jetfly og missiler, dette betyder evnen til at flyve med Mach 5 - fem gange lydens hastighed - eller hurtigere, giver dem mulighed for at udmanøvrere modstandere og trodse fjendens luftforsvar.

Sådanne fly bruger scramjets, which rely on oxygen pulled from the atmosphere rather than from traditional, bulky onboard oxygen tanks. This makes for a lighter, faster vehicle, but a much more intense flow picture.

The word "notorious" often shows up in proposals related to studies of hypersonic flows, as in they are notoriously difficult to study. Having worked with researchers developing scramjet engines for hypersonic vehicles, Kastengren understands some of the challenges.

Among the larger problems, air moves supersonically through the engine, relative to the vehicle, and researchers must precisely determine how the fuel and air can mix together quickly and safely. Diagnostics near the injection point are particularly prickly, 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."

Men for 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.