NASAn tulevan uuden SLS-rakettijärjestelmän akustinen testaus on aloitettu SMAT-pienoismallin avulla. SMAT (Scale Model Acoustic Test) -malli on kuin pienoisversio täysikokoisesta SLS-kantoraketista. NASAn Marshallin keskuksessa on aloitettu akustiikkatestaus ja -mallinnus sen avulla. Testien avulla saadaan tärkeää tietoa insinööritiimeille, joiden tehtävänä on suunnitella rakettia laukaisun akustiselta energialta suojeleva äänenvaimennusjärjestelmä.
Avaruussukkulan ajoilta muistetaan kuinka muutama sekunti ennen laukaisua laukaisualustalle suihkutettiin suuri määrä vettä, reilusti yli miljoona litraa, vaiheittain juuri ennen kuin sukkulan päämoottorit asetettiin maksimiteholle ja apuraketit sytytettiin.
Vesi virtasi alas laukaisualustan vesitornista ja ulos kuudesta neljän metrin korkuisesta suurvirtaussadettimesta. Tällä tavoin vaimennettiin akustinen energia noin 142 desibelin tasolle, joka on 3 desibeliä vähemmän kuin sukkulan vaadittu 145 desibeliä. Ilman tätä järjestelmää moottorien pakokaasuvirrasta lähtevät voimakkaat ääniaallot olisivat kimmonneet laukaisualustasta takaisin ja osuneet itse sukkulaan ja mahdollisesti vaurioittaneet sitä pahimmalla mahdollisella hetkellä.
Myös SLS tarvitsee suojauksen liiallista äänienergiaa vastaan, jotta laukaisut voidaan suorittaa turvallisesti laukaisualustalta 39B. Järjestelmä täytyy mitoittaa ja räätälöidä tarkasti uudelle kantoraketille ja tätä varten pienen skaalan mallin avulla saadaan kriittistä tietoa mitoitusta varten. Testausjohtaja Doug Counterin mukaan tällä tavoin voidaan varmentaa SLS:n suunnittelussa huomioon otetut laukaisuympäristöparametrit ja määritellä kuinka tehokas suunniteltu äänienergian vaimennusjärjestelmä on. Hänen mukaansa avaruussukkulan ajan pienoismallitestaus vastasi varsin tarkkaan sitä mitä oikeastikin tapahtui laukaisun aikana. Siksi pienoismallitestaus on erittäin hyödyllistä.
Uuden SMAT-mallijärjestelmän testaus alkoi valmistelutöillä vuonna 2012 Marshall-keskuksen testialustalla 116. Ensimmäiseksi alettiin rakentaa juuri pienen skaalan äänienergian vaimennusjärjestelmää. Tätä vesijärjestelmää käytetään tulevissa moottoritesteissä, joissa käytetään pieniä kiinteää polttoainetta käyttäviä apuraketteja ja vety-happi hienosäätöraketteja. Käytyjen keskustelujen mukaan insinöörit ovat sitä mieltä että suunniteltu järjestelmä täyttää realistisesti testivaatimukset ja kuvaa riittävän tarkasti ja oikealla tavalla veden virtausmääriä ja sen leviämistä laukaisualustalla laukaisuolosuhteissa. Kuten enemminkin, saatava tieto luo hyvä pohjan silmällä pitäen tulevaa varsinaista SLS-laukaisua myöhemmin tällä vuosikymmenellä.
SMAT-malli itsessään on teknisesti edistyksellisin pienen skaalan testausväline jota on ikinä käytetty tällaiseen testaamiseen. Sen avulla insinöörit saavat ison määrän kriittisen tärkeää tietoa.
Sytytysylipaine on merkittävä matalataajuuspainetransientti joka syntyy nopeasta paineen noususta kiinteän polttoaineen apuraketin sytytyksessä. Laukaisuakustiikan muodostaa ääni, joka syntyy supersoonisen kaasuvirtauksen, ympäröivän ilmakehän ja laukaisukompleksin yhteisvaikutuksesta, sen kesto on 0-20 sekuntia kunnes raketti on noussut pois laukaisualustalta.
SMAT-testin tavoitteina on:
-varmentaa ennakoidut akustiikkaolosuhteet, tuottaa lisätietoa päivitettyyn laukaisuakustiikkamalliin.
-varmentaa ennakoidut sytytysylipaineolosuhteet, tuottaa tietoa sytytysylipaineen analysointimallin käyttöön ja mallin parannuksia varten.
-varmentaa SLS:n heijastuslevyn rakenne. Määritellä maa-akustiikkaympäristön luonne, tuottaa tietoa maa-akustiikkaympäristöä ennakoivaan malliin.
-tuottaa tilakorrelaatiotietoa värähtelyakustisia malleja varten.
-tuottaa dataa virtausdynamiikan tietokonemallinnusta ja validointia varten sekä arvioida vesiperusteista äänenvaimennusjärjestelmää. Määrittää veden vaimennuskyky.
Testit lisääntyvät ajan kuluessa, aloitustesti oli viiden sekunnin mittainen poltto mallilla jossa ei ollut apuraketteja. Sen sijaan alettiin testata pieneten hienosäätörakettien kanssa, jotka jäljittelevät avaruussukkulassakin käytettyjä RS-25D päämoottoreita joita tullaan käyttämään myös oikeassa SLS-raketissa. Nämä rakettimoottorit läpäisivät onnistuneesti viime vuonna Marshall-keskuksen testialustalla 115 suoritetut ykkösvaiheen skaalatun mallin akustiikkatestin vaatimukset.
Tämän jälkeen alettiin rakentaa neljän moottorin klusteria, joka kuvaa neljän RS-25 moottorin pakettia joka on käytössä kaikissa SLS-versioissa. Sen rakensi Aerojet Rocketdyne. Klusteri testattiin kokoonpanossa jossa sitä käytetään SMAT-mallissa. Testaus suoritettiin Marshall-keskuksen testialustalla 115. Ensimmäinen suoritettiin 7. maaliskuuta 2013. Kaksi matalan työntövoiman testiä suoritettiin 8. maaliskuuta 2013. Kaikki testilaitteet ovat erinomaisessa kunnossa ja testejä jatketaan keväällä. Testisarjan tavoitteena on mallintaa laukaisu ilman että skaalamalli varsinaisesti liikkuisi mihinkään. Skaalamalli on raskaasti instrumentoitu viidellä erilaisella instrumenttipaketilla ja antureita on kaikenkaikkiaan 325 kappaletta. Käytössä ovat B&K 4944-B mikroonit, paineanturit
laukaisutornissa ja alustassa, lisäksi käytetään kaukokenttämittauslaitteita, kiihtyvyysantureita, lämpöantureita ja rasitusantureita, virtausmittareita ja kammiopaineantureita.
Akustinen testaus
SMAT jatkaa tulevien laukaisujärjestelmien skaalamallitason testauksen perinnettä.
NASAn insinöörit ovat testanneet lukuisia erilaisia versioita skaalatuista raketeista saadakseen tietoa akustiikkaolosuhteista sytytyksen ja laukaisun hetkellä. Akustisen kentän pääasiallinen lähde on vaihteleva turbulenssi rakettimoottorin pakokaasuvirtauksen sekoitusalueessa. Se tunnetaan nimellä moottorin luoma akustiikka. Moottorin luoma ääni on pakokaasuvirtauksen parametrien, laukaisualustan kokoonpanon ja pieneltä osin ilmakehän olosuhteiden summa.
Alustavat arviot moottorin luomasta akustiikkaolosuhteista tietyssä kohdassa voidaan määrittää käyttämällä edellisten testiohjelmien mitattuja akustiikkatietoja ottaen samalla huomioon yllä mainitut virtaus-, kokoonpano- ja ilmakehäparametrit. Parempi määritelmä laukaisuakustiikkaoloista voidaan saavuttaa testaamalla skaalattuja kantoraketteja laukaisualustoineen.
Avaruussukkulan kehitysohjelman aikaan käytettiin 6,4% skaalamallia sukkulasta ja koko laukaisujärjestelmästä laukaisualustoineen ja äänenvaimennusjärjestelmineen määritettäessä
analyyttisiä ja skaalattuja arvioita laukaisuakustiikkaoloista. Saatu tieto tarjoaa hyvin käyttökelpoisen pohjan täysikokoista rakettia ajatellen, vaikka lopullinen varmistus olosuhteista saadaan vain testaamalla täysikokoista rakettia staattisilla käyttötesteillä tai laukaisemalla se matkaan.
Huomattavan selvästi tuli ilmi ensimmäisessä avaruussukkulaohjelman laukaisussa (Columbia STS-1) kuinka tärkeää on ymmärtää akustisia laukaisuolosuhteita. Sukkulan lämpökilpi vaurioitui kun kiinteän polttoaineen apuraketeista tullut paineisku sai RCS-järjestelmän hapetintankin tukikannattimen pettämään, se painui kasaan. Lisäksi paineisku siirsi sukkulan perän suojaläppää viisi astetta pois oikeasta asennosta.
Huoli akustiikkaolosuhteista heräsi myös sukkulalennon STS-129 laukaisuvalmiustarkastusta tehtäessä. Mahdollinen ongelma oli pieni alue sukkulan perässä olevien RCS- ja OMS-moottorien välissä, joka oli analyysien mukaan alttiina mahdollisesti syntyville materiaalin halkeamille päämoottorien käynnistyksessä esiintyvän akustisen rasituksen johdosta. Vaikkakin data oli peräisin hyvin vanhasta ja konservatiivisesta mallista, huoleen suhtauduttiin vakavasti ja lisätestejä suoritettiin sekä uusia mittauslaitteita käytettiin hälventämään huolia materiaalin väsymismurtumista.
Huomioitavaa on sekin että laukaisuvalmiusraporteissa huomioitiin tärkeän historiallisen datan puute koska sukkulan 6,4% skaalamallin 1970-luvun testaus jäljitteli pääasiassa apurakettien aiheuttamia akustiikkaolosuhteita eikä niinkään päämoottoreiden vastaavia olosuhteita. Lisäksi päämoottorien testausmallien data luokiteltiin jatkuvasti päivittyväksi 30-vuotisen ohjelman puitteissa, tällä tavoin edeten STS-129 huolet tulivat esille.
Sukkulan korvaajaksi ajateltu Ares I kävi myös läpi sytytysylipainetransienttitestauksen vuonna 2010. Lukuisia parametreiltaan erilaisia testejä suoritettiin Marshall-keskuksessa. Ares I skaalamallin akustisessa testauksessa se asetettiin staattisiin testeihin erilaisille korkeuksille maasta katsoen, käytettiin mm. maan tason, 2.5 jalan, 5.0 jalan, 7.5 jalan ja 10 jalan korkeuksia. Nämä korkeudet vastasivat täysikokoisen skaalan korkeuksia 0-200 jalkaa. Testitulokset osoittivat äänitasojen olevan ennalta arvioitujen rajojen sisällä ja data oli vertailukelpoista. Mutta Ares peruttiin pian testien jälkeen.
SLS-testit jatkuvat tulevien kuukausien aikana ja pian kuvioon saadaan mukaan myös apuraketit, ATK:n rakentamat RATO-moottorit jotka simuloivat SLS:n apuraketteja. Testivaatimuksena on mm. että moottorit voidaan sytyttää tismalleen samanaikaisesti kuten isot esikuvansakin. Testauksella saadaan tärkeä tieto siitä miten voimakas moottoreiden tuottama äänienergia voi vaikuttaa rakettiin ja miehistöön erityisesti laukaisun aikana, keskittyen siihen miten matala- ja korkeataajuiset ääniaallot vaikuttavat alukseen.
Lähde:
http://www.nasaspaceflight.com/2014/01/smat-fires-sls-acoustic-testing/
