"A menos que estés intentando llegar al espacio o hacer estallar algo, no hay nada que se mueva a velocidades hipersónicas, "dijo Alan Kastengren.

No mucho por el momento de todas formas. Pero los ejércitos más grandes del mundo están ocupados desarrollando aviones y armas que alcanzan o superan velocidades de Mach 5, el extremo inferior del límite hipersónico.

El programa hipersónico de Estados Unidos, por ejemplo, recientemente fue revitalizado, tanto por la amenaza de ser superado por naciones rivales como por una mayor inversión por parte del Departamento de Defensa de EE. UU. para acelerar nuevas innovaciones, incluida la tecnología hipersónica.

Entre las principales dificultades para lograr un vuelo hipersónico exitoso se encuentra obtener la mezcla correcta de combustible y aire necesaria para una combustión eficaz. Kastengren, un físico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), es un experto en flujo complejo que ha asumido el desafío de la combustión hipersónica.

Usando los poderosos recursos de rayos X en Advanced Photon Source (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, espera obtener una imagen más precisa de la dinámica que ocurre dentro de las nubes de gotas de combustible generadas por la geometría minuciosa y detallada de las boquillas de pulverización de combustor supersónico, el tipo utilizado en estatorreactor de combustión supersónica, o "scramjet, "Motores para vuelo hipersónico.

"Los rayos X pueden penetrar a través de esa nube y medir lo que está sucediendo de manera muy cuantitativa, ", dijo Kastengren." Podemos hacerlo a altas velocidades y podemos hacerlo con alta precisión porque tenemos una de las fuentes de rayos X duros más grandes y brillantes del mundo ".

Obedecer el límite de velocidad

Durante los últimos 12 años, Kastengren ha estado ocupado tomando medidas detalladas de rayos X de los sistemas de inyección de combustible de automóviles, principalmente para automóviles y camiones, vehículos que la mayoría de las veces deben obedecer un límite de velocidad bien definido, aunque a veces se ignore. A medida que avanza su investigación, también lo han hecho los vehículos, con límites de velocidad definidos solo por términos de ingeniería como Mach, supersónico e hipersónico.

En 2008, su líder de grupo, el físico senior Jin Wang, recibió fondos para construir una línea de luz separada en el sincrotrón en el APS, principalmente para observar la absorción de rayos X en combustibles. Parte del trabajo de Kastengren implicaba asegurar nuevos usuarios desde fuera de Argonne, cuyos proyectos iban mucho más allá de la inyección de combustible tradicional.

Estos incluían miembros de la comunidad aeroespacial, que estaban estudiando cohetes líquidos y inyectores scramjet, así como aplicaciones de mezcla de aire y combustible.

Por inadvertencia, su trabajo anterior preparó a Kastengren para este proyecto más reciente que estudia la combustión supersónica en vehículos hipersónicos.

A mediados de 2016, Kastengren recibió financiación de Argonne para perseguir el desarrollo de una cartera científica en esta área, trabajo para el cual ya estaba atrayendo la atención de patrocinadores potenciales como el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, ambos están investigando flujos complejos en propulsión de cohetes hipersónicos y líquidos.

Debido a que el concepto tiene una serie de aplicaciones únicas para la comunidad de seguridad nacional, El proyecto de Kastengren se convirtió en parte de los Programas de Seguridad Nacional (NSP) de Argonne, cuyo propósito es aplicar los recursos de clase mundial de Argonne para resolver los problemas de seguridad más difíciles de la nación.

"Hay muchas instalaciones en todo el país que realizan este tipo de investigación, pero ninguno puede realizar los tipos de medidas que se realizan en el APS, ", dijo el director de NSP, Keith Bradley." Aportamos capacidades experimentales únicas a este problema, y creemos que el trabajo de Alan podría ser una oportunidad de crecimiento inicial ".

Encendiendo un fósforo en un huracán

El APS, considerado el sincrotrón de rayos X duros más brillante del hemisferio occidental, puede realizar ciencia en regiones que son difíciles de observar y medir, lo cual es particularmente fundamental para comprender cómo funcionan los procesos de combustión. Una ventaja clave, por ejemplo, es la capacidad de mirar dentro de objetos metálicos que de otro modo serían opacos, como inyectores.

Y debido a que sus rayos X son tan brillantes, el APS permite una contabilidad más precisa de los procesos dinámicos que requieren velocidades y resoluciones mucho más altas para capturar. También tiene como gran ventaja, su asociación con Argonne, un laboratorio conocido por su trabajo integrador en ciencia de materiales fundamentales y química de combustión, así como problemas prácticos en la combustión.

El interés en el proyecto de Kastengren coincide con el reciente impulso del Departamento de Defensa de hacer de los hipersónicos una prioridad máxima. como mecanismo ofensivo y estrategia defensiva. En jets y misiles, esto significa la capacidad de volar a Mach 5 (cinco veces la velocidad del sonido) o más rápido, permitiéndoles superar a los adversarios y desafiar las defensas aéreas enemigas.

Tales aviones usan 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."

But for now, 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.