Wie sollten Vibrationen in einem Ares I gehandhabt werden?

Die NASA war am meisten besorgt über die Schuboszillation, die in der Nähe und bei Erschöpfung des Treibstoffs der ersten Stufe auftrat, etwa 105-115 Sekunden nach dem Start und kurz vor der Trennung der ersten Stufe (siehe Ares IX-Missionsprofil unten), wie gezeigt wurde von die Computermodellierung und frühe Designanalysen der Ares 1-Rakete.

   

Diese sogenannte Schubschwingung tritt auf, wenn sich der feste Brennstoff in der ersten Stufe erschöpft und eine lange, leere Hülle zurücklässt, die die Eigenschaften einer Orgelpfeife annimmt und bei Frequenzen zwischen 12 und 14 Hertz mitschwingt. Die zweite Stufe der Rakete und das Orion-Raumschiff darauf würden natürlich die resultierenden Druckimpulse dämpfen, was die Astronauten im Wesentlichen mit einem Presslufthammer schlagen und es ihnen nahezu unmöglich machen würde, Konsolenanzeigen zu lesen und während dieser nur ungefähr 5 Sekunden lang, aber entscheidend, entsprechend zu reagieren Intervall der Aufstiegsphase.

Das war nicht ideal, also untersuchten die NASA-Ingenieure viele Möglichkeiten, um diese Schuboszillation zu dieser Zeit zu mildern (wahrscheinlich passend zu der Zeit , als Sie die Antwort "Wir arbeiten daran ..." erhalten haben). Einige der vorgeschlagenen Lösungen umfassten Dämpfer mit abgestimmter Masse um Fallschirme der ersten Stufe (aktive abgestimmte Masse oder harmonische Absorber / Dämpfer), Reaktionssteuerungssystem (ein Feder-Dämpfer-Ring, der die erste und zweite Stufe der Rakete trennt), aktive Impuls-RCS ( Reaction Control System, Aktuatoren, die wie Stoßdämpfer wirken und an der glockenförmigen Heckschürze am Boden der Rakete angebracht sind) und so weiter:

          

Die Ingenieure wollten auch eine passive „Nachgiebigkeitsstruktur“ verwenden , einen federbelasteten Ring, der den Stapel verstimmt, indem er die Schnittstelle zwischen der ersten und der oberen Stufe weicher macht, während die seitliche Stabilität im Designkonzept von Ares 1 erhalten bleibt. Vorschläge werden ausführlicher in dieser Ares I Thrust Oscillation Minderungsoptionen für den Einstieg in den Handel vom 29. April 2008 beschrieben.

                                                 

Dieses Konzept sollte die G-Kräfte durch Vibrationen auf die Astronauten von etwa 0,7 G auf 0,25 G reduzieren (zusätzlich zu den 4 G durch die Beschleunigung in dieser Phase des Aufstiegs). Unnötig zu erwähnen, dass all dies erhebliche Kosten für die Konstruktion und den Bau der ersten Stufe von Ares 1, des Triebwerks, der ersten und zweiten Zwischenstufe und des Adapters für das Besatzungsmodul (MPCV, Multi-Purpose Crew Vehicle) verursachen würde.

      

      ^{Das Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV). Das MPCV umfasst sowohl Besatzungs- als auch Servicemodule und einen MPCV-Adapter.}

All dies geschah zu Zeiten der angekündigten Budgetkürzungen für die nächsten Geschäftsjahre, sodass man sich nach anderen, billigeren Lösungen umsah. Und gut, dass sie es auch taten.

Die NASA wandte sich an die Human Factors Division, darunter deren Asst. Chief Human Performance, Brent R. Beutter und Leuten vom NASA Ames Vibration Lab . Sie haben schnell erkannt, dass die Vibrationen auf einen ziemlich schmalen Frequenzbereich zwischen 12 und 14 Hz beschränkt waren. Dies führte sie zu der Idee, Crew-Displays mit Stroboskopsignalen zu versehen, die auf die Frequenz der Vibrationen der Trägerrakete während des Fluges abgestimmt sind, wie sie von an den Stühlen angebrachten Beschleunigungsmessern erfasst werden.

    

      ^{Oszillierendes Display getestet mit Vibrationen von bis zu 0,5 G, von Brent R. Beutter, NASA asst. Chief Human Performance und Brent
      Rose, Gizmodo-Zeug. Ein Video dieser Demonstration ist auf YouTube verfügbar .}

Ein paar billige und fröhliche Runden später waren die Fluganzeigen selbst bei vorhergesagten Vibrationsbeschleunigungen bis zu 0,7 G perfekt lesbar.

Jeder Bediener wurde gebeten, das hervorgehobene (magentafarbene) Kästchen in einer Anzeige zu lokalisieren, die aus einer Sechs-mal-sechs-Matrix von Kästchen bestand, den Inhalt der mittleren Ziffernreihe zu lesen und zu verarbeiten und dann eine erzwungene Wahl zwischen zwei Alternativen zu treffen ( 2AFC) basierend auf dem Inhalt der Zeile.

                         

Die unten gezeigten Task-Fehlerraten im Hauptzustand deuten darauf hin, dass Vibrationspegel über 0,3 g (0 bis Spitze) die Verarbeitung alphanumerischer Symbole unter den derzeit erwarteten Betrachtungsbedingungen des Orion-Displays erheblich beeinträchtigen können, insbesondere wenn die Schriftgröße klein ist.

                           

Quelle: NASA Ames Human Vibration Laboratory Research

Und dies ist die Geschichte, wie die NASA ein mehrere hundert Millionen Dollar schweres Problem für vielleicht ein paar zehntausend Dollar gelöst hat.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die betrachteten Schwingungsdämpfer. In der vorherigen Antwort wurde der LOX-Dämpfer nicht erwähnt. Wie der verlinkte Artikel erwähnt, kanalisierte es Bewegungen im flüssigen Sauerstoff. Ich glaube, die Flüssigkeitsdämpfer in Wolkenkratzern wirken auf ähnliche Weise, um strukturelle Schwingungen zu reduzieren.

Ich arbeitete mit Belastungen an der Ares I, und mein Vorgesetzter sagte mir, dass das erwartete Unbehagen der Astronauten ein wesentlicher Grund dafür sei, Abhilfe zu schaffen.

Ingenieure finden Lösungen für potenzielle Schuboszillationsprobleme auf Ares