美战神火箭试射全揭秘:700传感器搜集海量数据

　　北京时间10月27日消息，据国外媒体报道，美宇航局新一代运载火箭“战神1号”(Ares I)的实验火箭“战神I-X”将在美国当地时间10月27日上午8时(北京时间27日晚上8点)进行试射，整个过程仅仅持续6分钟。美宇航局工程师把这次试射看作是一次绝佳的学习机会，他们将利用700多个高清晰传感器去搜集“战神1-X”火箭飞行中产生的海量数据。 视频：美国宇航局战神火箭试射模拟动画 媒体来源：新浪播客

　　对试射成功满怀信心

　　设计人员将对来自当天发射的几太字节(TB)的数据进行仔细筛选，但要到明年才能对“战神1-X”火箭的性能有全面的了解。“战神1-X”火箭测试任务经理鲍勃·伊斯(Bob Ess)说：“这次飞行任务一定会非常成功，即便有些事情可能无法按计划完成。无论发生什么事情，获得可靠数据确实并不难。”

　　“战神1号”火箭关键设计评审(目前定于2011年中进行)将在很大程度上依赖于工程师从27日的测试中获得怎样的结果。美宇航局“星座计划”经理杰夫·汉利(Jeff Hanley)说：“这次测试的数据可以帮助我们制作电脑模型，以便对‘战神1号’火箭设计做出改进，消除一切的不确定性。在我们制作这些电脑模型时，由于对准确的环境条件不了解，在模型制作中放不开手脚。所以，‘战神1-X’火箭会让我们对一切不确定性做出判断。”

　　“战神1-X”火箭高327英尺(约合100米)，发射升空以后，将要经历最大动态压力阶段，美宇航局官员们对这颗实验火箭在此期间以及多级分离和回收期间的性能尤为感兴趣。伊斯说：“这个庞然大物能否按计划运行？我们希望通过导航与控制、推力矢量控制、质量特性、风力和气候等方面的数据全面了解‘战神1-X’火箭的性能。”

　　“战神1-X”火箭是作为“战神1号”火箭的空气动力学模型建造的，只有第一级处于激活状态。第一级是从航天飞机项目借来的由四部分构成的固体燃料推进器，顶端将安装第五部分模型，在“战神1号”正式投入使用后，第五部分也将装满推进剂。

　　“战神1-X”火箭的上级(“战神1号”的上面级将使用氢燃料)已装上了钢板，以模拟满负荷火箭的质量。汉利说：“你如何在电脑中确定存在诸多不确定因素的火箭特征？噪音水平如何？压力水平又如何？火箭在满负荷穿越大气层时风力对它的影响，也就是说火箭的弯曲度？这些都将通过‘战神1-X’火箭试射带给我们答案。”

　　不同于航天飞机发射

　　试射将在倒计时钟为零的那一刻起正式开始，但发射前的最后几秒与大多数发射任务截然不同。据“战神1-X”火箭发射主管伊德·曼戈(Ed Mango)介绍，“航天飞机发射时，主发动机会在发射前大约6秒钟时启动，在发射前3秒钟推力达到满负荷，最后3秒钟蒸汽会出现。但在此次发射中，上述步骤一个都看不到。直到倒计时钟到了零，你才会看到像航天飞机固体火箭助推器(SRB)点火的一幕。”

　　“战神1-X”火箭会在点火指令下达后四分之一秒内发射，四个爆发压紧螺栓(explosive hold-down bolt)点火，将火箭从移动发射平台上释放出来。伊斯说：“我们点燃助推器之时，也是游戏开始之时。”

　　在不到半秒钟内，动力强大的发动机会产生300万磅(约合136万公斤)的推力，这是胡佛水坝功率输出的23倍。电脑模拟结果显示，火箭发射时的轰鸣声将响彻发射塔周围，给发射后头几秒钟的噪音环境更添震撼。除了火箭周围安装的测试仪器外，发射台和移动平台也将遍布49个传感器，测量地面系统的运行情况。

　　伊斯说：“‘战神1-X’火箭发射升空时的情况同航天飞机相似，也会发生震耳欲聋的声音，只是我们难以用更准确的词汇来描述这一切。直到五六秒钟以后，发射台才会归于平静。”伊斯表示，他对火箭在处理发射时的声音负载(acoustic load)的能力满怀信心，即便它们比航天飞机发射时产生的声音更大。

　　伊斯说：“归根结底，最重要的是震动。所以，在我们确定结构完整性时，震动数据将包含在电脑模型中，并且，我们要确保可以轻松应对发射环境。”航天飞机在发射时会从一侧远离发射台升空。与航天飞机不同，“战神1-X”火箭几乎是直接升空，为此，工程师计划在发射后瞬间采用轻微的操作机动，引导“战神1-X”火箭远离发射台。美宇航局官员并不担心火箭会撞上发射台，只是希望将发动机在离开发射塔时喷射的炽热气体烟柱对其的潜在危害降至最低程度。

　　实施四次测试机动

　　根据工程师的最佳预测，“战神1-X”火箭同发射台之间的距离约为15英尺(约合4.5米)，但也有可能只有9英尺(2.74米)。“战神1-X”火箭地面系统项目副经理比尔·斯托沃(Bill Stover)说：“由于‘战神1-X’火箭的升空状态可能与航天飞机大不相同，我们必须要对发射台进行加固，因为如果它以我们预料之外的某种方式升空，有些气体烟柱恐怕会对发射台造成破坏。”

　　滚转操纵系统(RoCS)会在发射6秒钟后激活，此时，火箭刚刚飞过发射台服务塔的顶部，开始向东飞行。RoCS推进器是从美军“和平卫士”(Peacekeeper)洲际导弹改进而来，在真空状态下可以产生2250磅(约合1020公斤)的推力，能立即让火箭做出90度转向。

　　据美宇航局官员介绍，滚转操纵系统将展示对火箭的可控性，使天线和地面站呈一条直线。工程师已将外形酷似理发店门前Z形条纹旋转柱的装置安装到“战神1-X”火箭第一级的外壳，从而可以通过目视追踪滚转操纵系统的方位。曼戈说：“从摄像机的角度，你可以获得转动率和俯仰率的数据。在实验性飞行测试中，你当然希望获取尽可能多的数据。”

　　技术人员会向“战神1-X”火箭机载电脑输入四套指令，以判断火箭对手动操作负载的反应。伊斯说：“如果知道了喷嘴的输入数据，测量了火箭对人工操作的反应，我们就能更为准确地了解火箭自身及其飞行状况。”头两次指令输入将在火箭发射升空后不到一分钟时进行，届时会把第一级发动机喷嘴移动十分之一度。

　　据伊斯介绍，输入的指令“基本上是命令火箭向一侧移动，向中心移动，向另一侧移动，以及向后移动。这种正弦信号输入应该会使得火箭稍微移动起来，我们会从传感器收到这方面的数据。”第三次测试机动是在发射75秒钟后进行，目的是让喷嘴完成至少三分之一度的转向。最后一次测试激动则是让喷嘴完成1度转向，以检查火箭对飞行方向偏离时的反应。

　　伊斯表示，随着火箭完成这个承受最大动态压力的飞行阶段，额外的喷嘴移动将被降至最低。这是因为工程师希望测量火箭在面对最大受力情况下完成这一飞行阶段时将如何作出自然反应。根据模型得出的预测，“战神1-X”火箭每平方英尺(约合0.09平方米)承受的最大负荷将达到865磅(约合392公斤)左右，略高于航天飞机发射时承受的力。

　　伊斯说：“在一枚长火箭的高负荷区，如果我们获得的弯曲度超过预计，它便将影响我们的推力矢量控制以及自身影响飞行的方式，最后只能让事情变得更糟而不是更好。空气动力学可能足以被排除在外，让我们迎来一些奇怪的动力学现象。所有这些都是测试的一部分。”

　　振动不是问题

　　负责“战神1-X”火箭的官员并不认为振动会在发射过程中引发任何问题，但工程师还是希望了解负荷如何贯穿包括人员舱在内的火箭上部组件。“战神1-X”火箭的飞行轨道不同于“战神1号”火箭，以匹配这枚运载火箭将要承受的最大动态压力。这也就意味着，进行试射的火箭将在与“战神1号”相比较低的大气层与上级模拟器分离。

　　伊斯说：“由于采用的是一个4节推进器并试图与一个5节推进器的轨道相匹配，我们不得不做一些不同的事情。通过匹配动力学压力分布，燃料很快就会耗尽，以至于无法将‘战神1-X’送至与携带额外节的‘战神1号’相同的高度。”

　　“战神1-X”火箭的速度将提升到4.7马赫，在第一级推进器燃料耗尽时上升至大约13万英尺(约合39624米)的高度，此时的飞行时间刚过两分钟。在燃料耗尽前的最后几秒钟，压力传感器将寻找有关推力振荡这一火箭特征的迹象。

　　推力振荡是在固体火箭发动机内出现的一种现象，能够引发强烈而具有破坏性的振动。在最后几次航天飞机发射过程中，工程师对固体火箭推进器进行仪表化，但并没有探测到推力振荡引发的任何显著负荷，这一现象也被称之为“谐振燃烧”。

　　ATK公司(“战神1-X”火箭第一级的主承包商)“战神1-X”火箭项目经理乔·奥利瓦表示：“一种可能性是我们不会在此次飞行中发现任何值得注意的东西。在这一项目中，我并不认为推力振荡能够成为我们的一个重要关注对象，真正引起我们关注的应该是振动声学。”

　　在级分离过程中，第一级与第二级之间的圆锥形连接点底部将进行点火。8个减速发动机将同时点燃，让第一级脱离“战神1-X”火箭的模拟部分。几秒钟之后，另外4个发动机将点火，让第一级发生偏转滚摆，就像航天飞机发射过程中固体火箭推进器被抛离之后所经历的那样。

　　“战神1-X”火箭项目副经理乔恩·科沃特表示：“我们希望这种事情发生，因此需要合理地使用降落伞。如果我们无法使其发生足够旋转，它们经常会对火箭产生不利影响。”包括发射时不活动的组件在内的“战神1-X”火箭上部分将沿着一条无法控制的轨迹飞行，最后坠入大西洋，并且不会被收回。

　　只为积累技术与经验

　　前部组件仪器获取的数据将储存在第一级内的记录器内，第一级将在大西洋被收回。此外，这些信息还将传回卡纳维拉尔角附近以及佛罗里达州朱庇特的跟踪站。在打开降落伞坠入卡纳维拉尔角东部不到150英里(约合241公里)的海洋前，第一级将上升至15.3万英尺(约合46634米)的高度。

　　“战神1-X”火箭将示范3个被可回收的“战神1号”第一级使用的主降落伞。降落伞覆盖面积超过两英亩(约合8094平方米)，宽度达到150英尺(约合46米)，由凯夫拉尔纤维制成，强度超过当前使用的尼龙降落伞，同时重量也更轻。

　　推进器内部的高速摄影机将记录降落伞打开过程。位于回收区附近的一架小型赛斯纳Skymaster飞机将观察溅落过程。美国宇航局的推进器回收船——Liberty Star和 Freedom Star将被部署到预计中的降落地点附近，回收火箭并将其运回港口。汉利表示：“它将让我们获得有关第一级回收系统的真实测试数据，同时允许我们测试导航系统。‘战神1-X’的计算机采用了‘战神1号’的导航算法，负责为火箭提供导航。从‘战神1-X’身上，我们将获得一些在工程学上有价值的东西。”

　　美国宇航局官员们表示，他们希望能够从27日的发射中获得一系列经验，尤其是在事情并未按计划进行的情况下。科沃特说：“任何人都知道，在意外情况下学到的东西要远远超过在正常情况下学到的东西。”伊斯说：“对于此次飞行，唯一的失败就是无法获得任何经验。不管发生什么，我们都能从中了解到很多东西。”(孝文)