"A meno che tu non stia cercando di raggiungere lo spazio o far esplodere qualcosa, non c'è niente che si muova a velocità ipersoniche, ", ha detto Alan Kastengren.

Non molto al momento, comunque. Ma i più grandi eserciti del mondo sono impegnati nello sviluppo di aerei e armi che raggiungono o superano la velocità di Mach 5, l'estremità inferiore del confine ipersonico.

Il programma ipersonico degli Stati Uniti, Per esempio, recentemente è stato rinvigorito, sia dalla minaccia di essere superati dalle nazioni rivali sia dall'aumento degli investimenti da parte del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per accelerare le nuove innovazioni, compresa la tecnologia ipersonica.

Tra le maggiori difficoltà per ottenere un volo ipersonico di successo c'è quella di ottenere la giusta miscela aria-carburante necessaria per una combustione efficace. Kastengren, un fisico presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), è un esperto di flussi complessi che ha raccolto la sfida della combustione ipersonica.

Utilizzando le potenti risorse a raggi X presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, spera di ottenere un'immagine più accurata delle dinamiche che si verificano all'interno delle nuvole di goccioline di carburante generate dalla geometria minuta e dettagliata degli ugelli di spruzzatura del combustore supersonico, il tipo utilizzato nel ramjet a combustione supersonica, o "scramjet, "motori per il volo ipersonico.

"I raggi X sono in grado di penetrare attraverso quella nuvola e misurare cosa sta succedendo in modo molto quantitativo, " ha detto Kastengren. "Possiamo farlo ad alta velocità e possiamo farlo con alta precisione perché abbiamo una delle sorgenti di raggi X duri più grandi e luminose del mondo."

Rispettare il limite di velocità

Negli ultimi 12 anni, Kastengren è stato impegnato a prendere dettagliate misurazioni a raggi X dei sistemi di iniezione del carburante per autoveicoli, principalmente per auto e camion, veicoli che il più delle volte devono obbedire a un limite di velocità ben definito, se a volte ignorato. Man mano che le sue ricerche avanzavano, così anche i veicoli, con limiti di velocità definiti solo da termini ingegneristici come Mach, supersonico e ipersonico.

Nel 2008, il suo capogruppo, il fisico anziano Jin Wang, ha ricevuto finanziamenti per costruire una linea di luce separata sul sincrotrone presso l'APS, principalmente per osservare l'assorbimento dei raggi X nei combustibili. Parte del lavoro di Kastengren consisteva nel garantire nuovi utenti al di fuori di Argonne, i cui progetti sono andati ben oltre la tradizionale iniezione di carburante.

Questi includevano membri della comunità aerospaziale, che studiavano iniettori a razzo liquido e scramjet, così come le applicazioni di miscelazione aria-carburante.

Inavvertitamente, il suo lavoro precedente ha preparato Kastengren per questo progetto più recente che studia la combustione supersonica nei veicoli ipersonici.

A metà 2016, Kastengren ha ricevuto finanziamenti Argonne per perseguire lo sviluppo di un portfolio scientifico in questo settore, lavoro per il quale stava già attirando l'attenzione di potenziali sponsor come l'Air Force Research Laboratory (AFRL) e l'Air Force Office of Scientific Research, entrambi stanno studiando flussi complessi nella propulsione a razzo ipersonico e liquido.

Poiché il concetto ha una serie di applicazioni uniche per la comunità della sicurezza nazionale, Il progetto di Kastengren è entrato a far parte dei programmi di sicurezza nazionale (NSP) di Argonne, il cui scopo è applicare le risorse di livello mondiale di Argonne per risolvere i problemi di sicurezza più difficili della nazione.

"Ci sono molte strutture in tutto il paese che fanno questo tipo di ricerca, ma nessuno può effettuare i tipi di misurazioni effettuate presso l'APS, " ha affermato il direttore della NSP Keith Bradley. "Portiamo capacità sperimentali uniche a questo problema, e pensiamo che il lavoro di Alan potrebbe essere una prima opportunità di crescita".

Accendere un fiammifero in un uragano

L'APS, considerato il sincrotrone a raggi X duri più brillante dell'emisfero occidentale, può condurre la scienza in regioni difficili da osservare e misurare, che è particolarmente strumentale per capire come funzionano i processi di combustione. Un vantaggio chiave, Per esempio, è la capacità di scrutare all'interno di oggetti metallici altrimenti opachi, come gli iniettori.

E poiché i suoi raggi X sono così luminosi, l'APS consente una contabilità più accurata dei processi dinamici che richiedono velocità e risoluzioni molto più elevate per l'acquisizione. Ha anche come un grande vantaggio, la sua associazione con Argonne, un laboratorio ben noto per il suo lavoro integrativo sulla scienza dei materiali fondamentali e sulla chimica della combustione, oltre a problemi pratici nella combustione.

L'interesse per il progetto di Kastengren è in linea con la recente spinta del Dipartimento della Difesa a rendere l'ipersonico una priorità assoluta, sia come meccanismo offensivo che come strategia difensiva. In jet e missili, questo significa la capacità di volare a Mach 5, cinque volte la velocità del suono, o più veloce, permettendo loro di superare gli avversari e sfidare le difese aeree nemiche.

Tali aerei usano scramjet, 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."

Ma per ora, 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.