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Was hat es mit Raketenvibrationen auf sich?
In meiner Berichterstattung über den Nachfolger des Space Shuttles der NASA, die Ares-Rakete, und die nächste Besatzungskapsel Orion bin ich auf ein gemeinsames Thema gestoßen: Vibrationen.
Obwohl es wie ein einfaches Konzept erscheinen mag, können Vibrationen oder Erschütterungen einen sehr starken Einfluss auf die Avionik, Hardware und alle Menschen an Bord haben. Sie stammen aus solchen Quellen wie dem Schub der Feststoffraketenmotoren oder -Booster beim Abheben und sogar während des Fluges, dem Verbrennen von Raketentreibstoff und der schieren Geschwindigkeit, mit der sich die Rakete fortbewegt – mehr als viermal die Schallgeschwindigkeit.
Dan Kanigan von der NASA leistet hervorragende Arbeit bei der Erklärung von Vibrationen und deren Auswirkungen auf die Testflugrakete Ares I-X in dieser Blogbeitrag . Außerdem spricht er über die Lösung des Problems durch die NASA.
Die Schwingung, die durch das Verbrennen des Feststoffraketentreibstoffs im Booster der ersten Stufe erzeugt wird, wird als Schubschwingung bezeichnet. Diese Schwingungen – oder Schwingungen – treten in Form von Wellen auf, die sich wie eine Musiknote durch eine Orgelpfeife entlang der Rakete auf und ab bewegen. Eine der größten Herausforderungen bei jedem Raketendesign ist die Entwicklung von Avionik (Luftfahrtelektronik), die in dieser vibrierenden Umgebung funktionieren kann.
Vibrationen sind jedoch nicht nur ein Raketenproblem. Die gesamte elektronische Hardware wird auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen und Vibrationen getestet. Ein MP3-Player zum Beispiel muss auf seine Fähigkeit getestet werden, die Vibrationen von jemandem zu verarbeiten, der ihn hält oder joggt, während er auf einer Arbeitsplatte steht oder versehentlich auf den Boden fällt. Im Vergleich zu dem Training, das die Avionik von Ares I-X erhält, hat es Ihr MP3-Player jedoch leicht. Stellen Sie sich vor, Sie schütteln den MP3-Player in einem automatischen Farbdosierer zwei Minuten lang, während Sie weiterhin Ihre Lieblingsmusik spielen. Damit ist die Elektronik des I-X konfrontiert.
Jon Cowart, der stellvertretende Projektmanager für Ares IX am Kennedy Space Center, sagte Anfang des Jahres in einem Interview, dass das Sammeln von Daten wie aerodynamischen Daten, Spannungen, Dehnungen, Drücken, Temperaturen und Vibrationen der wichtigste Teil der Mission der Rakete ist , und es wird verwendet, um den Ares I noch besser zu machen.
Der Ares I-X ist jedoch nur ein Beispiel. Die NASA kämpft seit Apollo gegen das Vibrationsproblem. Dann wurden solche Längsschwingungen, die durch das Ausbrennen des Boosters der ersten Stufe verursacht wurden, als Pogo-Effekt bezeichnet und waren für Saturn V besonders störend. Während eines unbemannten Apollo-6-Fluges, einem kritischen Test, bevor bemannte Flüge genehmigt werden konnten, verursachten Vibrationen tatsächlich die Hauptmotor zum Abschalten.
Die neuen Startabbruchsysteme, die für das Orion-Erkundungsfahrzeug der NASA gebaut werden, stehen vor denselben Herausforderungen. Wenn die Kapsel und der Abbruchturm, der sich oben auf der Kapsel befindet, sich trennen, zündet ein Feststoffraketenmotor, der als Abbruchmotor bezeichnet wird und das Treibmittel sehr schnell verbrennt, um das Fahrzeug von der Rakete wegzustoßen. Die vom Motor abgegebene heiße Gaswolke ist die größte Geräusch- und Vibrationsquelle, die das Fahrzeug während des Flugs erfährt, sagt Henri Fuhrmann, Programmleiter des neuen Startabbruchsystems bei Orbitalwissenschaften , ein Luft- und Raumfahrtunternehmen, das mit der NASA zusammengearbeitet hat, um das Fluchtsystem zu entwerfen und zu entwickeln. So haben die Ingenieure Gegenstromdüsen entwickelt, die den Gasstrom um 155 Grad von der Kapsel wegdrehen. Dadurch werden Akustik, Vibrationen und Belastungen der Kapsel reduziert, die die Elektronik und Hardware beschädigen könnten. Dies sei das erste Mal, dass die Technologie in dieser Größenordnung entwickelt werde, sagt Fuhrmann. Das Startfluchtsystem auf Apollo hatte Direktstrommotoren und musste daher zusätzliche Stahlkonstruktionen hinzufügen, um den Abstand zwischen dem Motor und der Besatzungskapsel zu vergrößern. Das Start-Flucht-System des Russen auf der Sojus-Sonde verwendet ebenfalls Direktstromdüsen.
Kanigan sagt, dass die nächste Herausforderung darin besteht, sicherzustellen, dass Sie die Rakete bei solchen Vibrationen kontrollieren können. Für das neue Abbruchsystem der NASA bauten die Ingenieure einen einzigartigen Motor namens Lagekontrollmotor, der die Kapsel lenkt und steuert. Es ist auch das erste seiner Art und kann das Fahrzeug vorwärts und rückwärts fliegen und die Kapsel umdrehen, um es so neu auszurichten, dass der Hitzeschild nach vorne zeigt.
Sowohl Ares I-X als auch das Erkundungsfahrzeug der Orion-Crew sind Teil der Aufstellungsprogramm , ein Plan, Menschen zum Mond und dann zum Mars zu schicken. Norm Augustine, der Vorsitzende eines Gremiums, das mit der Überprüfung dieses Plans beauftragt war, sagte in einer Pressekonferenz nach der ersten Sitzung des Ausschusses, in der Ideen zu alternativen Designs zu den Ares-Raketen gehört wurden, dass das Interessanteste die Diskussion darüber war, wie Vibrationen das Raketendesign beeinflussen.