Chi guarda le stelle sogna anche di andare nello spazio. Trasformare questo sogno in realtà dipende da innumerevoli progressi tecnologici. Uno di questi sono i nuovi motori per razzi e aerei, che stanno diventando più facili ed economici da progettare e testare, grazie in parte agli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Razzi e motori a reazione migliori sposteranno il sogno dalle nostre teste più vicino alla realtà. Ma ancora più importante, renderanno inoltre il trasporto aereo più pulito ed efficiente, rafforzando nel contempo la nostra sicurezza nazionale.

Le aziende aerospaziali e della difesa spendono miliardi in molti anni per progettare e testare nuovi razzi e motori a turbina a gas. Fortunatamente, gli scienziati possono ridurre drasticamente questo sforzo quando costruiscono un circolo virtuoso di esperimenti e simulazioni al computer. Un team di scienziati di Argonne sta combinando esperimenti a raggi X unici nel loro genere con nuove simulazioni al computer per aiutare gli ingegneri delle aziende aerospaziali e della difesa a risparmiare tempo e denaro.

I raggi X possono aprire le porte

Il processo inizia all'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, che produce raggi X ultra luminosi; sono oltre un milione di volte più luminose di quelle in uno studio dentistico. Utilizzando la linea di luce a raggi X 7-BM presso l'APS, ingegneri Brandon Sforzo, Alan Kastengren e Chris Powell scrutano attraverso l'acciaio dell'iniettore di carburante di un motore utilizzando questo microscopio 3D di ultima generazione, che distingue le capacità di Argonne dalle altre.

"Visualizzare attraverso l'acciaio con questo dettaglio non è possibile con nessun'altra tecnica diagnostica, " disse Prithwish Kundu, un ingegnere aerospaziale ad Argonne che sviluppa modelli di computer predittivi derivati ​​da esperimenti presso l'APS, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Sforzo è d'accordo. "Se non hai la luminosità della luce che abbiamo qui, non puoi vedere cosa sta succedendo all'interno di questi dispositivi, " ha detto. "Nessun altro sta ricercando la fluidodinamica alle condizioni rilevanti con una sorgente di luce basata su acceleratore (i raggi X ad alta luminosità dell'APS) come noi".

Già nel 2019, il team ha studiato la fluidodinamica all'interno di un motore a turbina a gas e ha scoperto un comportamento che ha sorpreso Sforzo ei suoi colleghi. "Potevamo vedere lo spray liquido finire in posti inaspettati".

Questo tipo di rivelazioni, descritto in un nuovo documento, aiutare gli scienziati a comprendere la fisica fondamentale che, in definitiva, influenzare le prestazioni del motore, spinta, ed emissioni. Danno anche a scienziati come Kundu, che inseriscono queste informazioni nei supercomputer del laboratorio, elementi costitutivi, noti come condizioni al contorno, che consentono simulazioni ad alta fedeltà. Aprono molte porte di indagine.

Decolla una nuova era del design

Le condizioni al contorno sono parametri dettagliati che fungono da guard-rail; con le giuste condizioni al contorno, gli scienziati possono costruire modelli che prevedono una serie di comportamenti del motore, che comportano pressione, temperature, messa, velocità e così via, che potrebbe non essere misurabile durante gli esperimenti.

"Con i giusti modelli predittivi, possiamo ridurre i costi di test e sviluppo con un ampio margine, "disse Kudu.

La ricerca per ridurre tempi e costi ha acquisito slancio. Mentre l'ingegneria prospera su modelli 3D ad alta fedeltà, questi modelli funzionano spesso per mesi su supercomputer, una risorsa scarsa per la maggior parte delle aziende.

Per risolvere questa sfida, Kundu, insieme a Opeoluwa Owoyele e Pinaki Pal, stanno ora esplorando un tipo di intelligenza artificiale nota come reti neurali profonde, che aiutano i computer a trovare modelli all'interno di grandi, set di dati complessi. Hanno già sviluppato algoritmi di rete neurale che riducono significativamente il tempo necessario per ottimizzare i modelli; le equazioni aiutano anche gli scienziati a comprendere il caotico funzionamento interno dei motori a combustione.

"Ci sono così tanti parametri in un motore:la mente umana non può analizzare uno spazio a 10 dimensioni, " ha detto Kudu.

Utilizzando i computer ad alte prestazioni Blues e Bebop di Argonne, Kundu e Sibendu Som, responsabile del gruppo Multi-Physics Computation del laboratorio, ha recentemente creato un modello ad alta fedeltà che misura il comportamento di due diversi carburanti per jet nella sezione del combustore di un motore a turbina a gas.

La loro scoperta? I modelli computazionali sono stati in grado di prevedere le tendenze in "esplosione magra", una condizione in cui la fiamma di un motore a turbina a gas esplode in risposta a meno carburante, come mostrato in uno studio del 2018.

In un altro studio, Amico, in collaborazione con il Laboratorio di Ricerca dell'Aeronautica Militare, sviluppato simulazioni ad alta fedeltà per motori a detonazione rotazionale (RDE). Questi strumenti aiuteranno gli ingegneri ad accelerare la progettazione di RDE, che hanno il potenziale per consentire futuri voli supersonici e ipersonici.

Velocità di curvatura in avanti

Il team di Kundu e Som sta ora lavorando con la NASA Langley per simulare la combustione supersonica e aggiungere alcuni dei modelli del laboratorio al codice di fluidodinamica computazionale dell'agenzia spaziale, noto come VULCANO.

Oltre all'APS, Sforzo, Kastengren e Powell cercano di osservare come si comporta il carburante subito dopo aver lasciato l'ugello. "Speriamo di passare a condizioni del motore più rilevanti:pressioni più elevate, temperature più elevate, liquidi più rilevanti, " disse Sforzo.

Nel frattempo, Kundu attende quei risultati sperimentali. "Se possiamo caratterizzare il diametro e le velocità delle goccioline di carburante ancora più vicino all'ugello, l'accuratezza predittiva dei nostri modelli aumenterà in modo significativo, " Egli ha detto.

Ufficio del DOE per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili, L'Ufficio per le tecnologie dei veicoli finanzia il programma di ricerca sugli spruzzi di carburante relativo all'iniezione diretta di benzina e diesel.