"A menos que você esteja tentando chegar ao espaço ou explodir algo, não há nada se movendo em velocidades hipersônicas, "disse Alan Kastengren.

Não muito no momento, qualquer forma. Mas os maiores militares do mundo estão ocupados desenvolvendo aeronaves e armas que atendam ou excedam velocidades de Mach 5, a extremidade inferior do limite hipersônico.

O programa hipersônico dos Estados Unidos, por exemplo, recentemente foi revigorado, pela ameaça de ser ultrapassado por nações rivais e pelo aumento do investimento do Departamento de Defesa dos EUA para acelerar novas inovações, incluindo tecnologia hipersônica.

Entre as principais dificuldades para alcançar um voo hipersônico bem-sucedido está a obtenção da mistura correta de ar e combustível necessária para uma combustão eficaz. Kastengren, um físico do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), é um especialista em fluxos complexos que aceitou o desafio da combustão hipersônica.

Usando os poderosos recursos de raios-X na Fonte Avançada de Fótons (APS) de Argonne, um DOE Office of Science User Facility, ele espera obter uma imagem mais precisa da dinâmica que ocorre dentro das nuvens de gotículas de combustível geradas pela geometria minuciosa e detalhada dos bicos de pulverização do combustor supersônico, o tipo usado em ramjet de combustão supersônica, ou "scramjet, "motores para vôo hipersônico.

"Os raios X são capazes de penetrar naquela nuvem e medir o que está acontecendo de maneira muito quantitativa, "disse Kastengren." Podemos fazer isso em altas velocidades e com alta precisão porque temos uma das maiores e mais brilhantes fontes de raios-X rígidos do mundo. "

Obedecendo ao limite de velocidade

Nos últimos 12 anos, Kastengren tem estado ocupado fazendo medições detalhadas de raios-X de sistemas de injeção de combustível automotivos, principalmente para carros e caminhões, veículos que, na maioria das vezes, devem obedecer a um limite de velocidade bem definido - se às vezes ignorado. Conforme sua pesquisa avançou, os veículos também, com limites de velocidade definidos apenas por termos de engenharia como Mach, supersônico e hipersônico.

Em 2008, seu líder de grupo, físico sênior Jin Wang, recebeu financiamento para construir uma linha de luz separada no síncrotron no APS, principalmente para observar a absorção de raios-X em combustíveis. Parte do trabalho de Kastengren envolvia proteger novos usuários de fora de Argonne, cujos projetos foram muito além da injeção de combustível tradicional.

Estes incluíam membros da comunidade aeroespacial, que estavam estudando injetores de foguete líquido e jato de scram, bem como aplicações de mistura de combustível-ar.

Inadvertidamente, seu trabalho anterior preparou Kastengren para o projeto mais recente de estudo da combustão supersônica em veículos hipersônicos.

Em meados de 2016, Kastengren recebeu financiamento da Argonne para prosseguir com o desenvolvimento de um portfólio de ciências nesta área, trabalho para o qual ele já estava atraindo a atenção de patrocinadores potenciais como o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, ambos estão investigando fluxos complexos em propulsão de foguete hipersônica e líquida.

Como o conceito tem uma série de aplicações exclusivas para a comunidade de segurança nacional, O projeto de Kastengren tornou-se parte dos Programas de Segurança Nacional (NSP) de Argonne, cujo objetivo é aplicar os recursos de classe mundial de Argonne para resolver os problemas de segurança mais difíceis do país.

“Existem muitas instalações em todo o país fazendo esse tipo de pesquisa, mas ninguém pode fazer os tipos de medições realizadas no APS, "disse o diretor da NSP, Keith Bradley." Oferecemos recursos experimentais exclusivos para esse problema, e achamos que o trabalho de Alan pode ser uma oportunidade de crescimento inicial. "

Acendendo um fósforo em um furacão

O APS, considerado o síncrotron de raios-X mais brilhante do Hemisfério Ocidental, pode conduzir ciência em regiões que são difíceis de observar e medir, o que é particularmente útil para a compreensão de como funcionam os processos de combustão. Uma vantagem importante, por exemplo, é a capacidade de espiar dentro de objetos de metal que de outra forma seriam opacos, como injetores.

E porque seus feixes de raios-X são tão brilhantes, o APS permite uma contabilização mais precisa dos processos dinâmicos que requerem velocidades e resoluções muito mais altas para a captura. Também tem como uma grande vantagem, sua associação com Argonne, um laboratório conhecido por seu trabalho integrador em ciência de materiais fundamentais e química de combustão, bem como problemas práticos de combustão.

O interesse no projeto de Kastengren está de acordo com o recente impulso do Departamento de Defesa de tornar a hipersônica uma prioridade, como um mecanismo ofensivo e uma estratégia defensiva. Em jatos e mísseis, isso significa a capacidade de voar a Mach 5 - cinco vezes a velocidade do som - ou mais rápido, permitindo que eles manobrem os adversários e desafiem as defesas aéreas inimigas.

Essas aeronaves usam scramjets, que dependem do oxigênio extraído da atmosfera em vez do tradicional, volumosos tanques de oxigênio a bordo. Isso torna um isqueiro, veículo mais rápido, mas uma imagem de fluxo muito mais intensa.

A palavra "notório" costuma aparecer em propostas relacionadas a estudos de fluxos hipersônicos, como se fossem notoriamente difíceis de estudar. 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."

Mas para agora, 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.