W locie hipersonicznym samolot lub statek kosmiczny porusza się co najmniej pięć razy szybciej niż prędkość dźwięku, wytwarzając przy tym ekstremalne ciepło, które może spowodować przekroczenie fizycznych ograniczeń. Trudności i znaczenie ochrony pojazdów przed takimi warunkami zostały tragicznie zilustrowane w 2003 roku, kiedy to niewielkie uszkodzenie płytek osłaniających ciepło spowodowało rozpad promu kosmicznego Columbia podczas ponownego wejścia w atmosferę ziemską.
Unikalny obiekt eksperymentalny na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign pomoże zapewnić, że taka tragedia nigdy się nie powtórzy – i umożliwi nowe, bezprecedensowe przygody w eksploracji kosmosu.
Plasmatron X jest największym tunelem aerodynamicznym z plazmą indukcyjnie sprzężoną w Stanach Zjednoczonych. Jego celem jest testowanie materiałów w celu określenia, czy mogą one wytrzymać warunki charakterystyczne dla ekstremalnego lotu hipersonicznego poprzez poddanie ich intensywnemu ogrzewaniu występującemu przy dużych prędkościach.
Plazmowy tunel aerodynamiczny jest urządzeniem, w którym energia jest dodawana do gazu do tego stopnia, że jonizuje się on i staje się plazmą, naśladując warunki atmosferyczne występujące podczas lotu hipersonicznego. W tunelu aerodynamicznym z plazmą indukcyjnie sprzężoną nie ma kontaktu pomiędzy wysokotemperaturową plazmą a elektrodami.
Francesco Panerai, adiunkt na Wydziale Inżynierii Lotniczej i Kosmicznej i jeden z liderów Plasmatronu X, powiedział, że czysty przepływ stworzony przez bezkontaktowe wytwarzanie plazmy jest dużą częścią tego, co czyni Plasmatron X doskonałym narzędziem badawczym. Brak kontaktu zapobiega zanieczyszczeniu, tworząc „nieskazitelne środowisko, takie samo, jakie znajduje się w pojazdach podróżujących wysoko w atmosferze” – powiedział. Rezultatem jest znacznie lepsze zrozumienie zachowania materiałów, co pozwala na przeprowadzenie „testów na poziomie nauki o materiałach”.
Profesor AE Greg Elliott, który również odgrywa wiodącą rolę z Plasmatronem X, zauważył, że jego rozmiar jest kolejną istotną cechą, ponieważ większe próbki i systemy mogą być badane.
„Może również wytwarzać więcej ciepła-entalpii-na większym obszarze, a my możemy pracować dłużej, w sposób ciągły, przez wiele godzin. Możemy więc zapewnić ekstremalne środowisko dla długich czasów testów, a następnie zmienić parametry, aby naśladować różne warunki lotu i ponownego wejścia na pokład” – powiedział Elliott.
Jak bardzo ekstremalny jest Plasmatron X? Wnętrze może osiągnąć temperaturę około 10 000 stopni Kelwina, w porównaniu z czym powierzchnia Słońca, przy zaledwie 5 778 stopniach K, wydaje się niemal chłodna. Surowy system chłodzenia, w połączeniu z brakiem kontaktu plazmy ze ścianami wnętrza, pozwala na bezpieczną pracę z tak wysokimi temperaturami.
Profesor lotnictwa i dyrektor Center for Hypersonics and Entry Systems Studies w Illinois Marco Panesi powiedział, że „misją CHESS jest podjęcie wszystkich wyzwań związanych z lotem hipersonicznym.” Plasmatron X będzie krytyczny dla tej misji, ponieważ ochrona termiczna jest „jednym z najsłabszych ogniw” w systemach hipersonicznych. „Ale zajmujemy się również wieloma modelami i symulacjami dotyczącymi przepływu i plazmy wokół pojazdu, promieniowania i detekcji” – powiedział. Niemożność bezpośredniego zmierzenia wszystkich wielkości interesujących dla projektowania systemów hipersonicznych sprawia, że modelowanie z wysoką wiernością takiego środowiska jest krytyczne dla działania tuneli aerodynamicznych o wysokiej energii.
Jednym z pierwszych projektów badawczych jest misja NASA Dragonfly, polegająca na wysłaniu drona w celu poszukiwania życia na największym księżycu Saturna, Tytanie. Atmosfera Tytana – około 95% azotu i 5% metanu – bardzo różni się od ziemskiej. Ale to nie problem dla Plasmatronu X, który, jak powiedział Elliott, może symulować warunki dla „każdej innej atmosfery planet lub księżyców, w których system re-entry chciałby przetrwać”.
