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EDN编辑在NASA:火箭发射坪是如何避雷、如何导焰的?

2017-09-14 Steve Taranovich 阅读:
已经五十岁的美国太空总署(NASA)位于佛罗里达州肯尼迪太空中心(Kennedy Space Center)的39B发射复合体 (LC-39B)准备迎接火星任务...本文是作者参访未来火箭发射现场的一手报导!

接续前文:EDN编辑在NASA:准备朝火星出发!NHPednc

为了避免雷击这种突发自然现象危及航天员以及火箭发射坪上的各种设备,美国太空总署(NASA)开发出一些巧妙的方法,最后在佛罗里达州肯尼迪太空中心(Kennedy Space Center)的39B发射复合体(LC-39B)的发射坪上设计了三座高大的钢塔,安装了下导体(down conductors),能让来自强烈雷击的浪涌电流改道,避开火箭而导向地面。NHPednc

在那些高塔上还装设了气象观测系统,以期在更好的时机进行火箭发射;如下图所见,在高塔的右侧有4支横向伸出的机械臂,上面就是放置气象仪器。从下往上A、B、C与D四个层级,每一支横臂上都有分别量测风速、风向、温度以及相对湿度的仪器。NHPednc

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位于NASA肯尼迪太空中心发射复合体的三座高塔,顶端以不锈钢缆相互链接成一个图案;这些高塔的基座包含了打入地下55英呎(约16公尺)深的216个混凝土桩(图片来源:Loretta Taranovich)NHPednc

为何需要这么多气象观测仪器?这是因为在不同海拔高度的风速会大不相同,而了解风力可能会如何影响火箭发射十分重要;此外还有其他的气象站,负责量测降雨以及累积降雨量。在这些高塔上也有闪电侦测器,以摄影机从各个角度监测并记录发射时以及发射前的状态,并以高速摄影机撷取闪电电击影像。NHPednc

NASA有超高的安全意识,对最微小的细节都十分注重。那些气象观测站能自行运作280天,因此如果有热带风暴袭击该区域,仪器也会以每秒一个样本的速度传送数据,储存在发射坪终端连结控制室(Pad Terminal Connection Room,PTCR)的计算机中,该控制室位于发射坪表面之下的地下室区域。NHPednc

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这是SLS (Space Launch System)火箭顶端搭载猎户座(Orion)宇宙飞船准备发射的模拟图,火箭将穿越紧密连结三座钢塔尖端的钢缆之间缺口(图片来源:Loretta Taranovich)NHPednc

在高度594英呎(181公尺)、由钢以及玻璃纤维建造的高塔顶端之巨大不锈钢绳,是相当新的设计,被称为悬吊线缆系统(catenary wire);根据防雷击技术供货商Alltec的相关资料,这种设计是最佳的避雷技术。NHPednc

发射坪周边还装设了9座下导体,以及4座B点(B-dot,感应磁场的时间导数,即dB/dt)站、5座D点(D-dot,电流密度的时间导数,即dD/dt)站,用以识别雷击的发生时间与地点,还有强度与导致的破坏程度。这些传感器以PTCT内的高速瞬时视讯(transient video)与数据纪录器进行监测,并且以高速运作;探测器输出数据的整合,将提供雷击造成的电场与磁场瞬间值。NHPednc

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LC-39B发射坪上的B点感测站;传感器本来有半圆形玻璃纤维外罩保护,这是移除了保护罩、能清楚看到传感器本身的影像(图片来源:NASA)NHPednc

在每座高塔D层横臂更上方,各有一支标为E层的桅杆,装设了6台高分辨率全彩摄影机,其中有2台摄影机位于桅杆的的底部,会在被触发后进行全程录像,撷取高速影像以提供工程师们关于雷击事件的完整数据集。NHPednc

瞬时纪录器的输出触发器,在透过光纤电缆传送至高速摄影机之前完全经过缓冲以及调节,此外摄影机的内存也经过分割;摄影机不太可能会错过任何一个雷击事件,因为B点感测站能被用来替一台以上的摄影机定位雷击,因为视野是有重迭的,触发器偏移(trigger offset)相当于无感时间(dead time)。NHPednc

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LC-39B发射坪上三座避雷塔顶端装设的高速摄影机机箱;在图中还可看到两套备援AC装置与摄影机箱左下方的电源机箱(图片来源:NASA)NHPednc

在PTCR内某个瞬时纪录器感知到合格的触发条件时,会送出触发讯号触发高速摄影机;瞬时纪录器是由仪器厂商HBM制造的GEN7t与GEN16t (这个型号已经被GEN17t取代)。该系统中还采用了隔离数字转换器(Isolated digitizers)。NHPednc

导焰槽NHPednc

LC-39B发射坪为NASA航天飞机任务打造的较旧款导焰槽(Flame Trench),需要为了能处理SLS火箭羽流(plume)排气的庞大热度而重新设计。旧的航天飞机任务导焰板是倒V型钢骨结构,外覆5英吋厚度的耐高温混凝土,横跨导焰槽中心位置;该V型设计是必要的,因为主引擎的排焰会在一侧偏转,而固态火箭推进器(Solid Rocket Boosters)排焰会在另一侧偏转。NHPednc

但SLS并没有以上的独特配置,因此需要以「通用型导焰板」来取代旧系统;现在的设计会与阿波罗号(Apollo)时代之系统的设计类似。接下来NASA的地面系统开发与营运(Ground Systems Development and Operations,GSDO)团队将指导更换导焰槽的衬里砖块。NHPednc

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施工技师正在更换导焰槽耐热砖(图片来源:NASA,Kim Shiflett )NHPednc

那些数量高达10万块的耐热砖有三种尺寸,以胶接沙浆(bonding mortar)与黏着锚栓(adhesive anchors)固定,以保护导焰槽壁;这种新设计能让导焰槽的北侧,在火箭发射时耐受高达华氏2,000度(约摄氏1,093度)的高温。在导焰槽中还使用了某些传感器来量测火箭羽流压力以及热度,包括热量计、压力换能计(pressure transducers)与加速度计。NHPednc

NASA在火箭发射环境中通常使用市面上的商用现货(COTS)传感器,为钨活塞热量计(Tungsten Piston Calorimeter,TPC)提供数据补偿;TPC利用了钨的硬度以及良好的热特性,该种金属有最佳抗腐蚀特性,也具备最高熔点可抵抗火箭的羽流高温。NHPednc

TPC是由三个弹簧加压(spring-loaded)钨-铼(rhenium)热电偶组成,与钢制活塞中的热套管(thermal wells)底部接触;该活塞藉由一根杆状物与荷重元(load cell)连结,因此也能量测火箭羽流的力道。NHPednc

继续阅读:EDN编辑在NASA:火箭发射坪上的水塔是做什么用的?

(原文发表于Aspencore旗下EDN美国版,Judith Cheng编译)NHPednc

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Steve Taranovich
EDN资深技术编辑。Steve Taranovich是EE Time姊妹网站Planet Analog的主编,也是EDN的高级技术编辑。 Steve在电子行业拥有40年的从业经验。 他在纽约布鲁克林理工大学获得电子工程硕士学位,在纽约布朗克斯纽约大学获得BEEE学位。 他还是IEEE长岛教育活动委员会主席。 他在Burr-Brown和德州仪器公司工作多年,在模拟设计方面有丰富的经验,并有着嵌入式处理的教育背景。 Steve做了16年的电路设计工程师,随后他成为Burr-Brown Corp的首批现场应用工程师之一,并成为他们首批前往欧洲、印度和中国的全球客户经理之一。
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