美國阿貢國家實驗室拓展高強度X射線成像技術在高超聲速試驗領域的應用

2018年4月16日，美國《航空周刊與空間技術》網站報道稱，儘管高超聲速吸氣式超燃衝壓發動機技術已經取得了一系列重大進展，但研製未來用於武器、飛機和航天運載的高速推進系統仍然缺乏超燃衝壓發動機燃燒室內部的基本流體特性和燃燒化學等關鍵知識。然而，在不干預或改變高速流動特性的前提下在線實現高速氣流細節的可視化一直以來都面臨著巨大的挑戰。不過現在，美國能源部阿貢國家實驗室（ANL）由於長期致力於汽車發動機的研究，升級研製了一套能夠產生高能高亮度X射線束的加速器光源設備，可望用於解決這一問題——該實驗室的「先進光子源」（APS）升級後可產生世界上亮度最高的X射線；APS的X射線是由加速至接近光速的高速電子產生的；高強度X射線能夠實時捕獲超燃衝壓發動機內部油氣混合的動態圖像。

阿貢國家實驗室的「先進光子源」設施全景俯瞰（美國阿貢國家實驗室圖片）

APS設備能夠將大量高能光子在極短時間內聚焦在極小面積上。阿貢國家實驗室國家安全項目主管基斯?布萊德利（Keith Bradley）表示，「我們是西半球唯一一家能夠做到這一點的機構。美國國會最近批准我們升級APS，使之成為全球亮度最大的高強X射線源。」對於X射線來說，「亮度」是指X射線束的密度和方向性，它決定了光束能夠聚焦斑點的最小值。

阿貢國家實驗室在國家安全領域的貢獻最早可追溯到二戰時期曼哈頓計劃中物理學家恩里克?費米（Enrico Fermi）領導的團隊在核裂變上所做的大量基礎研究。阿貢國家實驗室現主要從事核能相關的科學與工程研究。在意識到APS對於高速推進技術的潛在價值後，布萊德利表示，「我們正在逐步加強在國家安全領域的研究，而高超聲速很可能是其中最有希望和前景我們能夠做出貢獻的重大方向。」

阿貢國家實驗室利用「先進光子源」（APS）在不到100毫秒的時間內，形成的高壓噴注器氣穴X設想成像圖像（美國阿貢國家實驗室圖片）

APS設備通過加速從1100攝氏度的陰極管發射出來的電子來產生X射線。加速電子的是一個可產生4.5億伏高壓電場的直線加速器，該加速器可將電子加速到99.999%的光速。然後被加速的電子進入到環形磁場同步加速器，再次在0.5秒時間內加速到70億電子伏的能量。然後這些電子進入一個由1000多個電磁體構成、周長達1104米的環形磁場，聚焦成一個很窄的環形電子束。這些電子束將產生超過60個獨立的X射線束，供在環形磁場外的35個試驗段或實驗室使用。

阿貢國家實驗室此前已經驗證了X射線可用於定量測量液體火箭噴嘴的流場，目前正在於美空軍研究實驗室（AFRL）合作，旨在使用類似的診斷技術來研究液體射流與馬赫數2橫向氣流的摻混特性。阿貢國家實驗室的研究人員認為液體射流與橫向氣流的摻混特性數據將為驗證超燃衝壓發動機油氣混合計算模型提供一個參照基準。

布萊德利透露，「APS能夠在時間和空間具有非常高的分辨力，能夠透視內部細節。一般的風洞通常都可以對機身、機翼等結構外部表面的流場成像，但卻看不到結構內部的流場。當然你可以在內部也安裝感測器，但這又必然會幹預內部流場。」

阿貢國家實驗室利用「先進光子源」（APS）獲得的金屬噴注器內部氣體流動X射線圖像（美國阿貢國家實驗室圖片）

阿貢國家實驗室目前專門調撥了若干X射線束來研究燃燒、燃燒流動、燃氣動力學和其他高速推進相關的研究方向。實驗室大量調研走訪了航空航天防務或政府機構，以提升其知名度。「調研走訪的單位包括AFRL、海軍研究辦公室（ONR）、國防高級研究計劃局（DARPA）、航空噴氣－洛克達因公司、洛馬公司、軌道ATK公司、雷神公司等。我們正在努力進入高超聲速科研體系，我們目前還是一個新手，因此將盡量多地去開展調研和交流。」

由於APS不可移動，使用者必須帶著試驗件前來進行試驗，因此阿貢國家實驗室正在考慮引入外部投資在附近建設一個高速研究相關設施的綜合體。「我們已經討論了多種方式，希望建立起若干關鍵的一對一合作關係，並驗證APS的在這方面的效用。」

「我們希望成為某個團體的關鍵成員，整個團體都可以使用我們這個國家資源來開展試驗。」儘管布萊德利清楚這樣一個大計劃需要額外的聯邦資助，但他認為其他外部相關試驗設施也很重要。「我們正在考慮建造一個馬赫數2級的試驗設施，並且最好還能夠在尺度上放大。隨著業務擴展再慢慢研製更多專門用於高超聲速研究的試驗設施，例如風洞、下吹式試驗段以及燃燒試驗台等。隨著美國意識正在被中俄超越，高超聲速已經成為一個最緊迫的國家安全優先事務，我們希望阿貢國家實驗室能夠在裡面發揮作用。」

本條動向的提供者廖孟豪先生已為《空天防務觀察》提供28篇專欄文章，如下表：

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