"A moins que vous n'essayiez d'aller dans l'espace ou de faire exploser quelque chose, rien ne bouge à des vitesses hypersoniques, ", a déclaré Alan Kastengren.

Pas grand chose en ce moment, De toute façon. Mais les plus grandes armées du monde sont occupées à développer des avions et des armes qui atteignent ou dépassent des vitesses de Mach 5, l'extrémité inférieure de la limite hypersonique.

Le programme hypersonique des États-Unis, par exemple, a récemment été revigoré, à la fois par la menace d'être dépassé par des nations rivales et par l'augmentation des investissements du département américain de la Défense pour accélérer les nouvelles innovations, y compris la technologie hypersonique.

L'une des principales difficultés pour réussir un vol hypersonique est d'obtenir le bon mélange air-carburant requis pour une combustion efficace. Kastengren, un physicien au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), est un expert des écoulements complexes qui a relevé le défi de la combustion hypersonique.

En utilisant les puissantes ressources de rayons X de la source avancée de photons (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, il espère obtenir une image plus précise de la dynamique se produisant au sein des nuages ​​de gouttelettes de carburant générés par la géométrie minutieuse et détaillée des buses de pulvérisation des chambres de combustion supersoniques, le type utilisé dans le statoréacteur à combustion supersonique, ou "scramjet, " moteurs pour le vol hypersonique.

"Les rayons X sont capables de pénétrer à travers ce nuage et de mesurer ce qui se passe de manière très quantitative, " a déclaré Kastengren. " Nous pouvons le faire à grande vitesse et avec une grande précision car nous avons l'une des sources de rayons X durs les plus grandes et les plus brillantes au monde. "

Respecter la limitation de vitesse

Depuis 12 ans, Kastengren a été occupé à prendre des mesures détaillées aux rayons X des systèmes d'injection de carburant automobile, principalement pour les voitures et les camions, des véhicules qui, le plus souvent, doivent obéir à une limite de vitesse bien définie, voire parfois ignorée. Au fur et à mesure que ses recherches avancent, les véhicules aussi, avec des limites de vitesse définies uniquement par des termes techniques comme Mach, supersonique et hypersonique.

En 2008, son chef de groupe, le physicien principal Jin Wang, a reçu un financement pour construire une ligne de lumière distincte sur le synchrotron de l'APS, principalement pour observer l'absorption des rayons X dans les carburants. Une partie du travail de Kastengren consistait à sécuriser de nouveaux utilisateurs en dehors de l'Argonne, dont les projets allaient bien au-delà de l'injection de carburant traditionnelle.

Ceux-ci comprenaient des membres de la communauté aérospatiale, qui étudiaient les injecteurs de fusée liquide et scramjet, ainsi que les applications de mélange air-carburant.

Par inadvertance, ses travaux antérieurs ont préparé Kastengren pour ce projet le plus récent étudiant la combustion supersonique dans les véhicules hypersoniques.

Mi-2016, Kastengren a reçu un financement Argonne pour poursuivre le développement d'un portefeuille scientifique dans ce domaine, travail pour lequel il attirait déjà l'attention de sponsors potentiels tels que l'Air Force Research Laboratory (AFRL) et l'Air Force Office of Scientific Research, tous deux étudient les écoulements complexes dans la propulsion hypersonique et liquide de fusée.

Parce que le concept a un certain nombre d'applications uniques pour la communauté de la sécurité nationale, Le projet de Kastengren est devenu une partie des programmes de sécurité nationale d'Argonne (NSP), dont le but est d'appliquer les ressources de classe mondiale d'Argonne à la résolution des problèmes de sécurité les plus difficiles du pays.

« Il existe de nombreuses installations à travers le pays qui font ce genre de recherche, mais aucun ne peut faire les types de mesures effectuées à l'APS, " a déclaré Keith Bradley, directeur du NSP. " Nous apportons des capacités expérimentales uniques à ce problème, et nous pensons que le travail d'Alan pourrait être une opportunité de croissance précoce."

Allumer une allumette dans un ouragan

L'APS, considéré comme le synchrotron à rayons X dur le plus brillant de l'hémisphère occidental, peut faire de la science dans des régions difficiles à observer et à mesurer, ce qui est particulièrement utile pour comprendre le fonctionnement des processus de combustion. Un avantage clé, par exemple, est la capacité de regarder à l'intérieur d'objets métalliques qui seraient autrement opaques, comme les injecteurs.

Et parce que ses faisceaux de rayons X sont si brillants, l'APS permet une comptabilisation plus précise des processus dynamiques qui nécessitent des vitesses et des résolutions beaucoup plus élevées pour la capture. Il a aussi comme avantage majeur, son association avec Argonne, un laboratoire bien connu pour ses travaux intégrateurs sur la science fondamentale des matériaux et la chimie de la combustion, ainsi que des problèmes pratiques de combustion.

L'intérêt pour le projet de Kastengren s'inscrit dans la tendance récente du ministère de la Défense à faire de l'hypersonique une priorité absolue, à la fois un mécanisme offensif et une stratégie défensive. Dans les jets et les missiles, cela signifie la capacité de voler à Mach 5 - cinq fois la vitesse du son - ou plus vite, leur permettant de déjouer leurs adversaires et de défier les défenses aériennes ennemies.

Ces avions utilisent des scramjets, qui dépendent de l'oxygène tiré de l'atmosphère plutôt que du traditionnel, volumineux réservoirs d'oxygène embarqués. Cela fait un briquet, véhicule plus rapide, mais une image de flux beaucoup plus intense.

Le mot « notoire » apparaît souvent dans les propositions liées aux études des écoulements hypersoniques, car ils sont notoirement difficiles à étudier. Ayant travaillé avec des chercheurs développant des moteurs Scramjet pour véhicules hypersoniques, Kastengren comprend certains des défis.

Parmi les plus gros problèmes, l'air circule de manière supersonique dans le moteur, par rapport au véhicule, et les chercheurs doivent déterminer avec précision comment le carburant et l'air peuvent se mélanger rapidement et en toute sécurité. Les diagnostics à proximité du point d'injection sont particulièrement épineux, 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."

Mais pour l'instant, 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.