Высокоскоростное инфракрасное излучение показывает более безопасное гиперголическое топливо

Когда в августе капсула SpaceX Crew Dragon приводнилась у побережья Флориды после своей первой пилотируемой миссии, два астронавта внутри не смогли сразу покинуть капсулу. Технические специалисты снаружи должны были подтвердить, что в воздухе не было паров гидразина, высокотоксичного топлива, используемого гиперголическими двигателями корабля. Теперь исследователи горения из Университета Пердью изучают более безопасное и менее токсичное гиперголическое топливо, изучая его взрывную реакцию с помощью новой техники, включающей как видимые, так и инфракрасные высокоскоростные камеры. Гиперголики — это вещества, которые мгновенно воспламеняются при контакте друг с другом.

«Гиперголики использовались еще в эпоху Аполлона и раньше», — сказал Стивен Сон, профессор машиностроения Университета Пердью имени Альфреда Дж. Макаллистера и эксперт в области энергетических материалов, таких как топливо, взрывчатые вещества и пиротехника. «Их можно хранить при комнатной температуре, и они мгновенно воспламеняются при смешивании, что делает их более универсальными и надежными, чем криогенное топливо».

Хотя их использование в ракетной технике хорошо задокументировано, современное гиперголическое топливо также, как известно, опасно для человека и вредно для окружающей среды. В отличие от большинства других гиперголических топлив, боран аммиака (NH3BH3) представляет собой твердый материал, стабильный в типичных атмосферных условиях. Из-за плотности водорода он был впервые разработан как твердотельный носитель для хранения водорода. Но исследователи горения недавно обнаружили его гиперголические свойства, которые можно использовать как часть гибридного топлива.

«Прежде чем это можно будет использовать в реальном мире, мы должны понять фундаментальную науку о горении, управляющую его поведением», — сказал Крис Голденстайн, доцент кафедры машиностроения Университета Пердью. «Мы используем новый подход, сочетающий видимые и инфракрасные изображения для описания процесса горения».

Инфракрасное изображение позволяет исследователям видеть химический состав пламени на протяжении всего процесса горения. «Каждая молекула имеет уникальный спектральный отпечаток», — сказал Гольденштейн. «Исследуя определенные длины волн света, мы можем определить, где в пространстве распределены определенные молекулы, и узнать, насколько завершен процесс горения. Многие желаемые длины волн невидимы невооруженным глазом, и инфракрасное изображение — единственный способ их увидеть».

Поскольку реакция происходит всего за несколько миллисекунд, исследователи используют специальные камеры, способные снимать не менее 2000 кадров в секунду. На высокоскоростном видео видна замечательная и быстро распространяющаяся зеленая вспышка, демонстрирующая силу гиперголических веществ.

«Обычно мы начинаем с очень маленьких образцов», — сказал Майкл Байер, доктор философии. студент Школы аэронавтики и астронавтики Purdue, который проводит эксперименты в Zucrow Labs. «Мы используем немного порошка борана аммиака, а над ним находится шприц, который дозирует микролитровую каплю окислителя, в данном случае это белая дымящаяся азотная кислота. Даже тогда получается довольно большой взрыв. Эти несколько миллисекунд дают нам все данные, необходимые для характеристики воспламенения».

Сон сказал:«Благодаря инфракрасному изображению мы увидели много сигналов BO2, что нас удивило. Это указывает на то, что аммиакоборан обеспечивает полное сгорание даже лучше, чем обычное борсодержащее топливо».

Хотя боран аммиака может быть менее токсичным, чем традиционные гиперголы на основе гидразина, работать с ним все же довольно опасно, как и со всеми энергетическими материалами. Но Zucrow Labs занимается исследованиями двигателей с 1948 года и является одной из немногих лабораторий в академических кругах, полностью оборудованных для изучения энергетических материалов.