211service.com
Hvad er problemet med raketvibrationer?
I min dækning af NASAs efterfølger til rumfærgen, Ares-raketten og den næste besætningskapsel, Orion, er jeg stødt på et fælles tema: vibrationer.
Selvom det kan virke som et simpelt koncept, kan vibrationer eller rystelser have en meget kraftig effekt på en rakets flyelektronik, hardware og alle mennesker ombord. De kommer fra sådanne kilder som drivkraften fra de solide raketmotorer eller boostere ved afløftning og endda under flyvning, afbrænding af raketdrivmiddel og den store hastighed, som raketten bevæger sig med - over fire gange lydens hastighed.
NASAs Dan Kanigan gør et godt stykke arbejde med at forklare vibrationer og deres effekt på Ares I-X testflyraketten i dette blogindlæg . Derudover fortæller han om NASAs løsning på problemet.
Den vibration, der frembringes ved afbrændingen af det faste raketdrivmiddel i det første trins booster, kaldes thrust oscillation. Disse vibrationer – eller oscillationer – kommer i form af bølger, der bevæger sig op og ned langs raketten som en musiktone gennem en orgelpibe. En af de største udfordringer i ethvert raketdesign er at udvikle avionik (flyelektronik), der kan fungere i dette vibrerende miljø.
Vibration er dog ikke kun et raketproblem. Alt elektronisk hardware er testet for dets evne til at håndtere stød og vibrationer. En MP3-afspiller skal for eksempel testes for dens evne til at håndtere vibrationerne fra nogen, der går eller jogger, mens de holder den, placerer den på en bordplade eller ved et uheld taber den på gulvet. Men sammenlignet med den træning, som Ares I-X's flyelektronik modtager, har din MP3-afspiller det nemt. Forestil dig at ryste den MP3-afspiller inde i en automatisk maling kan ryste i to minutter, mens du fortsætter med at spille dine yndlingssange. Det er sådan set, hvad elektronikken i I-X er oppe imod.
Jon Cowart, viceprojektleder for Ares IX ved Kennedy Space Center, sagde i et interview tidligere på året, at indsamling af data såsom aerodynamiske data, spændinger, belastninger, tryk, temperaturer og vibrationer er den vigtigste del af rakettens mission , og det vil blive brugt til at gøre Ares I endnu bedre.
Alligevel er Ares I-X blot ét eksempel. NASA har kæmpet med vibrationsproblemet siden Apollo. Så blev sådanne langsgående svingninger forårsaget af udbrændingen af første trins booster omtalt som Pogo-effekten og var især besværlige for Saturn V. Under en ubemandet Apollo 6-flyvning, en kritisk test før bemandede flyvninger kunne godkendes, forårsagede vibrationer faktisk hovedmotoren til at slukke.
De nye lanceringsafbrydelsessystemer, der bygges til NASAs Orion-besætningsudforskningskøretøj, står over for de samme udfordringer. Når kapslen og affyringsaborttårnet, som sidder på toppen af kapslen, adskilles, affyrer en solid raketmotor kaldet abortmotoren og brænder drivmidlet meget hurtigt for at skubbe køretøjet væk fra raketten. Pumpen af varme gasser, der udsendes af motoren, er den største kilde til støj og vibrationer, som køretøjet vil opleve under flyvningen, siger Henri Fuhrmann, programleder for det nye launch abort-system kl. Orbital videnskaber , et luftfartsfirma, der har indgået et samarbejde med NASA om at designe og udvikle flugtsystemet. Ingeniørerne har således udviklet reverse-flow dyser, der drejer strømmen af gasserne 155 grader væk fra kapslen. Dette vil reducere akustikken, vibrationerne og belastningerne på kapslen, der kan beskadige elektronikken og hardwaren. Det er første gang, teknologien er udviklet i denne skala, siger Fuhrmann. Lanceringsflugtsystemet på Apollo havde direkte flow-motorer og måtte derfor tilføje ekstra stålkonstruktioner for at øge afstanden mellem motoren og besætningskapslen. Russerens opsendelsesflugtsystem på Soyuz-rumfartøjet bruger også direkte flow-dyser.
Kanigan siger, at den næste udfordring er at sikre, at du kan kontrollere raketten ved sådanne vibrationer. Til NASAs nye opsendelse af abortersystem byggede ingeniører en unik motor kaldet holdningskontrolmotoren, der styrer og styrer kapslen. Det er også den første af sin slags og kan flyve køretøjet frem og tilbage og vende kapslen for at omorientere den, så varmeskjoldet vender fremad.
Både Ares I-X og Orion-besætningens efterforskningskøretøj er en del af Konstellationsprogram , en plan om at sende mennesker til månen og derefter til Mars. Norm Augustine, formanden for et panel, der har til opgave at gennemgå denne plan, sagde i en pressebriefing efter udvalgets første møde, hvor det hørte ideer om alternative designs til Ares-raketterne, at det mest interessante var snakken om, hvordan vibrationer påvirker raketdesign.