Высокоскоростной инфракрасный раскрывает более безопасный гиперголический 추진제

Когда капсула Crew Dragon SpaceX приземлилась у берега Флориды в августе после своего первого пилотируемого полета, двое астронавтов внутри не могли сразу покинуть капсулу. Техники снаружи должны были подтвердить отсутствие воздухонепроницаемых паров гидразина, высокотоксичного топлива, используемого гиперголическими двигателями аппарата. Теперь исследователи Пурдью по горению изучают более безопасный и менее токсичный гиперголический 추진제, изучая его взрывную реакцию с новой техникой, включающей как видимые, так и инфракрасные высокоскоростные камеры. Гиперголики — вещества, которые мгновенно воспламеняются при контакте друг с другом.

«Гиперголики использовались вплоть до эры Аполлона и раньше», — сказал Стивен Сон, профессор механической инженерии Альфреда Дж. МакАллистера в Пурдью, и эксперт по энергетическим материалам, таким как 추진제, взрывчатка 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 документировано, текущие гиперголические топлива также неоригинально опасны для людей при обращении и плохи для окружающей среды. В отличие от большинства других гиперголических топлив, аммиака боран (NH3BH3) — твердое вещество, стабильное в типичных атмосферных условиях. Благодаря своей водородной плотности оно было впервые разработано как твердотельное хранилище водорода. Но исследователи горения недавно открыли его гиперголические свойства, которые могут использоваться как часть гибридного 추진제.

«Прежде чем это можно будет использовать в реальном мире, мы должны понять фундаментальную науку горения, управляющую его поведением», — сказал Крис Голденстайн, помощник профессора механической инженерии в Пурдью. «Мы используем новый подход, объединяющий видимое и инфракрасное изображение для характеристики процесса горения».

Инфракрасное изображение позволяет исследователям видеть химический состав пламени на протяжении всего процесса горения. «У каждой молекулы уникальный спектральный отпечаток», — сказал Голденстайн. «Ища конкретные длины волн света, мы можем определить, где в пространстве распределены определенные молекулы и знать, насколько полным является процесс горения. Многие из желаемых длин волн невидимы невооруженным глазом, и инфракрасное изображение — единственный способ их увидеть».

Поскольку реакция происходит всего за несколько миллисекунд, исследователи используют специальные камеры, способные захватывать не менее 2000 кадров в секунду. Высокоскоростное видео раскрывает замечательный и быстро расширяющийся зеленый всплеск, демонстрирующий силу гиперголических веществ.

«Мы обычно начинаем с очень маленьких образцов», — сказал Майкл Байер, аспирант Школы аэронавтики и астронавтики Пурдью, который проводит эксперименты в лаборатории Зукроу. «Мы используем немного порошка аммиака борана, а над ним шприц, который дозирует каплю микролитра окислителя, который в данном случае — белая дымящаяся азотная кислота. Даже тогда это делает довольно большой бам. Эти несколько миллисекунд дают нам все данные, которые нам нужны для характеристики зажигания».

Сон сказал: «Благодаря инфракрасному изображению мы увидели много сигнала BO2, что удивило нас. Это указывает на то, что аммиак боран достигает полного горения даже лучше, чем конвенциональные борные топлива».

Хотя аммиак боран может быть менее токсичен, чем традиционные гидразин-основанные гиперголики, он все еще довольно опасен для работы, как и все энергетические материалы. Но лаборатория Зукроу исследует пропульсивные технологии с 1948 года и является одной из немногих лабораторий в академии, полностью оснащенных для изучения энергетических материалов.