Vindtunneltest for næste version af NASAs rumopsendelsessystem

Når motorer affyres, software skrevet og hardware svejset for at forberede den første flyvning af NASAs Space Launch System (SLS), ingeniører kører allerede test i supersoniske vindtunneller for at udvikle den næste, mere kraftfuld version af verdens mest avancerede løfteraket, der er i stand til at transportere mennesker til destinationer i det dybe rum.

"Aeronautics fører an i designet af en ny raket, " sagde Jeff Bland, SLS-disciplinens ledende ingeniør for integrerede køretøjsstrukturer og miljøer ved NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama. "Det første etape på enhver rejse for rumfartøjer opsendt fra Jorden er en flyvning gennem vores atmosfære."

Produktionen er godt i gang med den indledende konfiguration af SLS. Den er 322 fod høj og i stand til at løfte 70 tons (77 tons). Til den første testflyvning af SLS, raketten vil bære et ubemandet Orion-rumfartøj ud over månen og derefter vende tilbage til Jorden, indsættelse af 13 små videnskabs- og teknologisatellitter i det dybe rum under rejsen.

De nye vindtunneltests er for anden generation af SLS. Den vil levere en løftekapacitet på 105 tons (115 tons) og vil være 364 fod høj i besætningskonfigurationen - højere end Saturn V, der lancerede astronauter på missioner til månen. Rakettens kernetrin vil være det samme, men den nyere raket vil have en kraftig udforsknings-øverste fase. På SLS' anden flyvning med Orion, raketten vil bære op til fire astronauter på en mission rundt om månen, i det dybe rum, der afprøver jorden for de teknologier og kapaciteter, der er nødvendige på NASAs rejse til Mars.

Skalamodeller af den opgraderede raket i besætnings- og lastkonfigurationer bliver omhyggeligt placeret i vindtunneller til testprogrammer for at opnå data, der er nødvendige for at forfine rakettens design og dens styre- og kontrolsystemer, sagde Dr. John Blevins, SLS ledende ingeniør for aerodynamik og akustik hos Marshall. Under hundredvis af testkørsler på NASAs Langley Research Center i Hampton, Virginia, og Ames Research Center i Silicon Valley, Californien, ingeniører måler de kræfter og belastninger, som luft inducerer på løfteraketten i hver fase af dens mission.

"Alle de kritiske aerodynamiske miljøer, fra når den opgraderede raket forlader Vehicle Assembly Building ved Cape Canaveral for at affyre, acceleration gennem lydmuren og booster-separation på mere end Mach 4 evalueres i disse fire tests, " sagde Blevins.

Opstigningstest gennemført ved Ames i november bestemte rakettens adfærd, mens den klatrer efter opsendelsen, og den slags instruktioner, der skal programmeres ind i raketflyvecomputeren til vejledning og kontrol, når raketten passerer gennem transonisk flyvning. For eksempel, testene vil afgøre, hvilke kommandoer autopiloten vil sende til rakettens dyser for at korrigere for vind eller andre faktorer og forblive på kurs.

Buffettest på Langley i november fokuserede primært på, hvordan lastversionen af ​​den opgraderede raket opfører sig, når den bevæger sig gennem atmosfæren lige under lydens hastighed, nærmer sig omkring 800 miles i timen, bevæger sig derefter ind i supersonisk flugt. Når raketten nærmer sig lydens hastighed, chokbølger bygger og bevæger sig langs forskellige punkter på løfteraketten. Disse chokbølger kan forårsage stød, ryster, vibrationer og ustabile belastninger, der kan resultere i skader eller kursændringer, der skal korrigeres, sagde Blevins.

Fragtversionen af ​​den opgraderede raket har en glat kåbe over udforskningens øvre trin i stedet for Orion-rumfartøjet og opsendelsesafbrydelsessystemet, så separat vindtunneltest er nødvendig. Lignende test planlagt til efteråret 2017 ved Langley vil omfatte observation af denne transoniske stødoscillation og stød på besætningsversionen af ​​raketten, ved både subsoniske hastigheder og højere Mach-tal. Ved 1,5 eller 2 Mach, bølgerne slutter, eller forblive på de samme steder på raketten resten af ​​flyvningen, men de fortsætter med at ændre vinkel og styrke.

Disse vindtunneltests er kritiske, Blevins sagde, fordi placeringen og den tidsmæssige opførsel af disse chokbølger er svære at forudsige med beregningsmæssig væskedynamik - de skal observeres og måles.

To andre testserier er planlagt på Langley. Den første i begyndelsen af ​​2017 vil levere data for at sikre, at da SLS's to solide raketforstærkere adskilles fra raketten under opstigning, de kommer ikke i kontakt med køretøjet igen. Disse tests er komplekse, Blevins sagde, fordi modellerne af rakettens kernetrin og hver af de to boostere er separat instrumenterede, og selv dynamikken i de små raketmotorer, der udsender boosterne, er simuleret.

Det næste vil være startovergangstest, planlagt til sommeren. Disse tests vil omfatte evaluering af virkningerne af vind på raketten, mens den venter på puden, og tilstedeværelsen af ​​den mobile løfteraket og tårnet under affyring. Køretøjets drift, når det bevæger sig forbi tårnet, skal kontrolleres for at undgå skader, og fordi lyden, der hopper tilbage fra puden, kan forårsage skadelige vibrationer.

"Vi forventer, at vi i slutningen af ​​denne testserie vil have alle de aerodynamiske flyvedata, der er nødvendige for den opgraderede raket, " sagde han. "Vi vil være klar til den første flyvning med besætning, målrettet allerede i 2021, og efterfølgende flyvninger."

NASA-ingeniører har også samarbejdet med CUBRC Inc. fra Buffalo, New York, at bruge en speciel type vindtunnel til bedre at forstå og analysere, hvordan SLS'en varmes op, når den stiger op i rummet. En model af raketten blev brugt i den første fase af aerodynamiske opvarmningstests i CUBRC's Large Energy National Shock Tunnel (LENS-II) i september. En anden fase af test er planlagt for modeller af SLS i besætnings- og lastversioner, i begyndelsen af ​​2017.

SLS-vindtunneltestningen er i høj grad en indsats på tværs af agenturer, der resulterer i information og nye testteknikker, som også gavner andre raket- og rumfartsprogrammer, sagde Dr. Patrick Shea. Han er baseret på Langley, men tjente som SLS aerodynamik-testleder for den transoniske opstigningstest, der for nylig blev afsluttet på Ames-faciliteterne.

For eksempel, Ames aerodynamik-teamet er ved at udvikle en optisk målemetode, der involverer Unsteady Pressure-Sensitive Paint. Under en test, specielle lys og kameraer vil observere ændringer i malingens fluorescens, angiver styrken af ​​aerodynamiske kræfter, der virker langs forskellige områder af raketten eller testartiklen. Ames var i stand til at drage fordel af tilstedeværelsen af ​​SLS-raketmodellen til at udføre sine egne tests ved hjælp af malingen.

"For en masse aero-akustik og buffetarbejde, vi instrumenterer modellerne med hundredvis af tryksensorer. Hvis vi kan begynde at gå over til mere af en optisk teknik som den dynamiske trykfølsomme maling, det vil virkelig tage gode skridt fremad, " sagde Shea. "Det endte med at blive en rigtig fin integration af deres testteknik og vores testkampagne."