"Om du inte försöker ta dig till rymden eller spränga något i luften, det finns inget som rör sig i hypersonisk hastighet, sa Alan Kastengren.

Inte mycket just nu, i alla fall. Men världens största militärer är upptagna med att utveckla flygplan och vapen som möter eller överstiger hastigheter på Mach 5, den nedre delen av den hypersoniska gränsen.

USA:s hypersonicprogram, till exempel, nyligen återupplivades, av både hotet om att bli överträffat av rivaliserande nationer och ökade investeringar från det amerikanska försvarsdepartementet för att påskynda nya innovationer, inklusive hypersonisk teknik.

Bland de stora svårigheterna med att uppnå en framgångsrik hypersonisk flygning är att få rätt bränsle-luftblandning som krävs för effektiv förbränning. Kastengren, en fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, är en expert på komplext flöde som har antagit utmaningen med hypersonisk förbränning.

Genom att använda de kraftfulla röntgenresurserna på Argonnes Advanced Photon Source (APS), en användaranläggning för DOE Office of Science, han hoppas få en mer exakt bild av dynamiken som sker i moln av bränsledroppar som genereras av minut och detaljerad geometri hos överljudssprejmunstycken för brännare, den typ som används i överljudsförbränningsramjet, eller "scramjet, "motorer för hypersonisk flygning.

"Röntgenstrålar kan penetrera genom det molnet och mäta vad som händer mycket kvantitativt, ", sa Kastengren. "Vi kan göra det i höga hastigheter och vi kan göra det med hög precision eftersom vi har en av världens största och ljusaste hårdröntgenkällor."

Håller hastighetsgränsen

De senaste 12 åren, Kastengren har varit upptagen med att göra detaljerade röntgenmätningar av bilbränsleinsprutningssystem, främst för personbilar och lastbilar, fordon som oftare än inte måste följa en väldefinierad – om den ibland ignoreras – hastighetsgräns. Allt eftersom hans forskning har utvecklats, så har fordonen också, med hastighetsbegränsningar definierade endast av tekniska termer som Mach, överljud och hypersonisk.

2008, hans gruppledare, senior fysiker Jin Wang, fick finansiering för att bygga en separat strållinje på synkrotronen vid APS, främst för att observera röntgenabsorption i bränslen. En del av Kastengrens jobb innebar att säkra nya användare utanför Argonne, vars projekt gick långt utöver traditionell bränsleinsprutning.

Dessa inkluderade medlemmar av flygindustrin, som studerade raket- och scramjet-injektorer, samt applikationer för blandning av bränsle och luft.

oavsiktligt, hans tidigare arbete förberedde Kastengren för detta senaste projekt som studerar överljudsförbränning i hypersoniska fordon.

I mitten av 2016 Kastengren fick Argonne-medel för att driva utvecklingen av en vetenskapsportfölj inom detta område, arbete för vilket han redan fick uppmärksamhet från potentiella sponsorer som Air Force Research Laboratory (AFRL) och Air Force Office of Scientific Research, som båda undersöker komplexa flöden i hypersonisk och flytande raketframdrivning.

Eftersom konceptet har ett antal unika tillämpningar för den nationella säkerhetsgemenskapen, Kastengrens projekt blev en del av Argonnes nationella säkerhetsprogram (NSP), vars syfte det är att använda Argonnes resurser i världsklass för att lösa landets tuffaste säkerhetsfrågor.

"Det finns många anläggningar runt om i landet som gör den här typen av forskning, men ingen kan göra de typer av mätningar som utförs vid APS, " sa NSP-direktör Keith Bradley. "Vi tar med unika experimentella möjligheter till detta problem, och vi tror att Alans arbete kan vara en möjlighet att växa tidigt."

Att tända en tändsticka i en orkan

APS, anses vara den ljusaste hårda röntgensynkrotronen på västra halvklotet, kan bedriva vetenskap i regioner som är svåra att observera och mäta, vilket är särskilt viktigt för att förstå hur förbränningsprocesser fungerar. En viktig fördel, till exempel, är förmågan att titta inuti metallföremål som annars är ogenomskinliga, såsom injektorer.

Och eftersom dess röntgenstrålar är så ljusa, APS möjliggör en mer exakt redovisning av dynamiska processer som kräver mycket högre hastigheter och upplösningar för att fånga. Det har också som en stor fördel, dess koppling till Argonne, ett laboratorium välkänt för sitt integrerande arbete med grundläggande materialvetenskap och förbränningskemi, samt praktiska problem vid förbränning.

Intresset för Kastengrens projekt ligger i linje med försvarsdepartementets senaste strävan att göra hypersonic till högsta prioritet, som både en offensiv mekanism och en defensiv strategi. I jetplan och missiler, detta innebär förmågan att flyga med Mach 5 – fem gånger ljudets hastighet – eller snabbare, tillåta dem att manövrera motståndare och trotsa fiendens luftförsvar.

Such aircraft use 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."

Men för nu, 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.