保护发射场 - 重新设计发射台

2018年发射的Epsilon-3不仅仅是将有效载荷成功送入太阳同步轨道(SSO)。这次发射是重新设计发射台所做努力的结果,对有效载荷的压力因此而减小了。


2003年,太空和航空科学研究所(ISAS)、日本国家航空航天实验室(NAL)和日本国家空间发展局(NASDA)合并成为日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)。截至2015年,JAXA作为日本国家研究和发展机构的一部分,为政府利用太空改善社会的总体目标提供支持。


将有效载荷送入轨道是件成本巨大的事情,而不仅仅是发射本身,这一点不足为奇。有效载荷通常代表价值数百万美元的设计、组件、测试和工时。因此,在进行所有这些投资后,采取一切必要的预防措施以确保能够成功地送入轨道是非常重要的。最为公开的方法是对有效载荷本身进行压力测试,以确保它能够在未受损害的情况下承受发射的压力。但是,如果发射的总压力可以减少呢?

随着2013年新型Epsilon运载火箭的发射,JAXA成为整体振动的贡献者之一。在任何给定的结构中都有无数的贡献路径,结构越复杂,路径的数量就越多。其中一些路径比其他路径更明显,有些路径或多或少具有可塑性。在JAXA成立了Epsilon火箭项目所要求的特殊声学团队,以解决潜在的声学问题。在该团队中,由Tatsuya Ishii领导的声学测量团队与Brüel&Kjær的Yutaka Ishii和Hiroshi Komatsuzaki联手,专注于一个对于外行来说并不显而易见的领域:来自火箭发动机声学激励传递的振动从发射台反弹回来影响有效载荷。

站在JAXA发射台区前面的是(从左到右):JAXA研究和发展理事会Seiji Tsutsumi博士,JAXA空间技术理事会1 Kyoichi Ui博士,Brüel&Kjær客户经理Hiroshi Komatsuzaki,JAXA航空技术部发动机声学经理Tatsuya Ishii博士和Brüel&Kjær应用工程师Yutaka Ishii


Tatsuya Ishii在东京大学获得机械工程博士学位,于1994年在日本国家航空航天实验室开始他的职业生涯,日本国家航空航天实验室在2003年与JAXA合并。他现在是航空技术理事会推进研究部的发动机声学经理。Tatsuya目前从事有关飞机发动机噪声的声学研究,特别是喷射噪声降低、主动噪声控制、声源定位、吸声和运载火箭声学。


空气声激励的振动实际上贡献巨大。在升空过程中,来自火箭底座的羽流不仅仅是观众从远处看到的火焰和烟雾,它是一个非常高速的排气羽流,包含强大的冲击波向外辐射高强度的声功率,并从周围环境(如发射台)反射回来。这种极端恶劣环境的综合声学效应可能会损坏有效载荷。

为了准备这个项目,我们开展了计算和实验项目,以了解组件和声音贡献源,并验证运载火箭周围的声学环境。这两个预研项目的初步结果表明,发射台本身需要进行全面检修。

为了减轻这种贡献途径,JAXA开始重新设计发射台,以便使极端声压偏离有效载荷。要做到这一点,他们需要找到最有效的设计,以最有效地保护火箭及其有效载荷免受羽流及其包含的冲击波噪声源的影响。通过数值模型设计,CFD最终提出了几种优化的整体发射台模


Epsilon运载火箭是固体推进剂三级助推系统,旨在向近地轨道运送高达1.2吨有效载荷


Epsilon-1运载火箭准备在新的发射台上发射

为了确定模型的性能,包括排气管的形状,JAXA团队选择采用波束形成,因为它具有完善的噪声源识别能力。波束形成提供对阵列处测量的声压的贡献度角分辨率。

发射前后8103型水听器位于发射器侧壁上

点击这里了解水听器相关信息

缩比模型,便于分析
缩比模型周围的局部条件不像全尺寸系统那样极端,因此使用的设备无需满足像真实环境那么严格的要求。缩比模型的另一个好处是相关频率可以按比例放大,这意味着相比于分析全尺寸系统的阵列,可以使用更小、更易于管理的阵列来实现足够的分辨率。

M-V运载火箭准备在旧发射台上发射

预期排气管的计算机模型

阵列形式是从波束形成系统获得良好结果的关键因素。良好的阵列形式具有低的最大旁瓣电平(MSL)。对于单个小声源的测量,MSL是波束形成图中真实噪声源和最强虚源之间的分贝差。然而,由于虚源图案是已知的(由阵列形式确定),因此可以通过所谓的反卷积算法对其进行计算去除。

为了确定有效载荷处声压的贡献,理想情况下,阵列应放置在有效载荷上并聚焦于主要噪声源(换句话说,羽流)。然而,由于模型周围的支撑结构的干扰以及避免火箭喷射火焰的需要,阵列被偏移并且以垂直方向可能的最小角度放置。

分析了缩比模型的测量过程和获取的数据,并根据结果选择了最终的发射台设计。下一个阶段就是建设阶段,然后应用到全尺寸系统并进行测试,确认小型缩比模型和全尺寸系统之间的相关性。

缩比模型测试设置

小型波束形成系统由Brüel&Kjær优化的不规则2.5米直径九臂阵列、前端系统和用于数据采集和波束形成计算的软件组成。

1型:

2型(63hz、125 Hz和250Hz):

缩比模型试验的噪声源识别图

解决全尺寸系统问题
全尺寸测量需要额外的缓解措施。由于发射台附近的极端环境,阵列需要距离发射台70米远。这解决了温度问题,但带来了其他问题。因为首要关注的是甚低频,并且由于距发射台的距离,需要非常大的阵列来提供有用的分辨率。

幸运的是,我们关心的最重要的分辨率仅沿着通过火箭喷嘴和偏转器出口的水平面,假设两个主要源全向辐射,则无需将阵列放在有效载荷的附近。这意味着任务可以通过地面上的水平线性阵列来执行。

T在全尺寸测量中遇到的另外两个问题是流动噪声(来自火箭发动机排气吹动阵列方向上的空气和碎屑),其声压级非常高。可以使用可能听起来不太容易理解的方案解决这两个问题:水听器。在第一次Epsilon发射期间,使用两个Brüel & Kjær 8103型水听器进行测量,以确保与传声器时间数据的相关性。由于它们在测量空气中的高声压级时所具有的优势及其提供优质数据的能力,水听器被选择用于测量Epsilon-2和Epsilon-3发射的阵列。

通过水听器的设计可以获得非常高的声压级,因为它们可以处理极高的声压级。由于水听器的空气动力学形状,干扰测量和破坏数据的流动噪声被最小化。

Epsilon-3在升空期间

有效载荷更安全
在整个过程中,JAXA团队专注于唯一的目标:让有效载荷更安全。通过发现问题、测试解决方案到验证结果这一成熟的过程,他们取得了成功。在进行最终发射台设计的小规模测试期间收集的数据得到了验证,并且在实际应用中证明可大大减少声致振动,从而减少影响有效载荷的整体振动。