美国阿贡国家实验室拓展高强度X射线成像技术在高超声速试验领域的应用
【据美国《航空周刊》网站2018年4月16日报道】尽管高超声速吸气式超燃冲压发动机技术已经取得了一系列重大进展，但研制未来用于武器、飞机和航天运载的高速推进系统仍然缺乏超燃冲压发动机燃烧室内部的基本流体特性和燃烧化学等关键知识。然而，在不干预或改变高速流动特性的前提下在线实现高速气流细节的可视化一直以来都面临着巨大的挑战。但现在，美国能源部阿贡国家实验室（ANL）由于长期致力于汽车发动机的研究，升级研制了一套能够产生高能高亮度X射线束的加速器光源设备，可望用于解决这一问题。
阿贡国家实验室的“先进光子源”（APS）升级后可产生世界上亮度极高的X射线；APS X射线是由加速至接近光速的高速电子产生的；高强度X射线能够实时捕获超燃冲压发动机内部油气混合的动态图像；APS设备能够将大量高能光子在极短时间内聚焦在极小面积上。
阿贡国家实验室国家安全项目主管基斯•布莱德利（Keith Bradley）表示，“我们是西半球唯一一家能够做到这一点的机构。国会最近批准我们升级APS，使之成为全球亮度极大的高强X射线源。”对于X射线来说，“亮度”是指X射线束的密度和方向性，它决定了光束能够聚焦斑点的最小值。
阿贡国家实验室在国家安全领域的贡献最早可追溯到二战时期曼哈顿计划中物理学家恩里克•费米（Enrico Fermi）领导的团队在核裂变上所做的大量基础研究。阿贡国家实验室现主要从事核能相关的科学与工程研究。在意识到APS对于高速推进技术的潜在价值后，布莱德利表示，“我们正在逐步加强在国家安全领域的研究，而高超声速很可能是其中颇有希望和前景我们能够做出贡献的重大方向。
APS设备通过加速从1100摄氏度的阴极管发射出来的电子来产生X射线。加速电子的是一个可产生4.5亿伏高压电场的直线加速器，该加速器可将电子加速到99.999%的光速。然后被加速的电子进入到环形磁场同步加速器，再次在0.5秒时间内加速到70亿电子伏的能量。然后这些电子进入一个由1000多个电磁体构成、周长达1104米的环形磁场，聚焦成一个很窄的环形电子束。这些电子束将产生超过60个独立的X射线束，供在环形磁场外的35个试验段或实验室使用。
阿贡国家实验室此前已经验证了X射线可用于定量测量液体火箭喷嘴的流场，目前正在于美国空军研究实验室（AFRL）合作，旨在使用类似的诊断技术来研究液体射流与马赫数2横向气流的掺混特性。阿贡国家实验室的研究人员认为液体射流与横向气流的掺混特性数据将为验证超燃冲压发动机油气混合计算模型提供一个参照基准。布莱德利透露，“APS能够在时间和空间具有非常高的分辨力，能够透视内部细节。一般的风洞通常都可以对机身、机翼等结构外部表面的流场成像，但却看不到结构内部的流场。当然你可以在内部也安装传感器，但这又必然会干预内部流场。”
阿贡国家实验室目前专门调拨了若干X射线束来研究燃烧、燃烧流动、燃气动力学和其他高速推进相关的研究方向。实验室大量调研走访了航空航天防务或政府机构，以提升其知名度。“调研走访的单位包括AFRL、海军研究办公室（ONR）、国防高级研究计划局（DARPA）、航空喷气-洛克达因、洛马、轨道ATK、雷神等。我们正在努力进入高超声速科研体系，我们目前还是一个新手，因此将尽量多地去开展调研和交流。”由于APS不可移动，使用者必须带着试验件前来进行试验。因此阿贡国家实验室正在考虑引入外部投资在附近建设一个高速研究相关设施的综合体。“我们已经讨论了多种方式，希望建立起若干关键的一对一合作关系，并验证APS的在这方面的效用。
“我们希望成为某个团体的关键成员，整个团体都可以使用我们这个国家资源来开展试验。”尽管布莱德利清楚这样一个大计划需要额外的联邦资助，但他认为其他外部相关试验设施也很重要。“我们正在考虑建造一个马赫数2级的试验设施，并且最好还能够在尺度上放大。随着业务扩展再慢慢研制更多专门用于高超声速研究的试验设施，例如风洞、下吹式试验段以及燃烧试验台等。随着美国意识正在被中俄超越，高超声速已经成为一个极其紧迫的国家安全优先事务，我们希望阿贡国家实验室能够在里面发挥作用。”（中国航空工业发展研究中心 廖孟豪）
本文转自中国国防科技信息网
美国《航空周刊》原文题目与链接：Argonne National Lab High-energy X-ray Facility’s Hypersonic Test Role （订阅后可阅读全文）