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¿Cuál es el problema con las vibraciones de cohetes?
En mi cobertura del sucesor del transbordador espacial de la NASA, el cohete Ares, y la próxima cápsula de la tripulación, Orion, me he encontrado con un tema común: las vibraciones.
Si bien puede parecer un concepto simple, las vibraciones o sacudidas pueden tener un efecto muy poderoso en la aviónica, el hardware y los humanos a bordo de un cohete. Provienen de fuentes tales como el empuje de los motores de cohetes sólidos o propulsores en el despegue e incluso durante el vuelo, la combustión del propulsor de cohetes y la gran velocidad a la que viaja el cohete, más de cuatro veces la velocidad del sonido.
Dan Kanigan de la NASA hace un gran trabajo al explicar las vibraciones y su efecto en el cohete de vuelo de prueba Ares I-X en esta publicación de blog . Además, habla de la solución de la NASA al problema.
La vibración que se produce por la combustión del propulsor de cohete sólido en el propulsor de la primera etapa se llama oscilación de empuje. Estas vibraciones, u oscilaciones, vienen en forma de ondas, que viajan hacia arriba y hacia abajo a lo largo del cohete como una nota musical a través de un tubo de órgano. Uno de los mayores desafíos en el diseño de cualquier cohete es desarrollar aviónica (electrónica de aviación) que pueda funcionar en este entorno vibrante.
Sin embargo, la vibración no es solo un problema de cohetes. Todo el hardware electrónico se prueba para determinar su capacidad para soportar golpes y vibraciones. Un reproductor MP3, por ejemplo, debe probarse para determinar su capacidad para manejar las vibraciones de alguien que camina o trota mientras lo sostiene, lo coloca en una encimera o lo deja caer accidentalmente al piso. Sin embargo, en comparación con el entrenamiento que recibe la aviónica de Ares I-X, su reproductor MP3 lo tiene fácil. Imagínese agitando ese reproductor MP3 dentro de un agitador automático de latas de pintura durante dos minutos mientras continúa tocando sus canciones favoritas. Eso es algo a lo que se enfrentan los componentes electrónicos del I-X.
Jon Cowart, subdirector de proyectos de Ares IX en el Centro Espacial Kennedy, dijo en una entrevista a principios de este año que recopilar datos como datos aerodinámicos, tensiones, tensiones, presiones, temperaturas y vibraciones es la parte más importante de la misión del cohete. , y se utilizará para mejorar aún más el Ares I.
Sin embargo, el Ares I-X es solo un ejemplo. La NASA ha estado luchando contra el problema de las vibraciones desde Apolo. Luego, tales oscilaciones longitudinales causadas por la combustión del propulsor de la primera etapa se denominaron efecto Pogo y fueron especialmente problemáticas para Saturno V.Durante un vuelo no tripulado del Apolo 6, una prueba crítica antes de que pudieran aprobarse los vuelos tripulados, las vibraciones en realidad causaron el motor principal para apagar.
Los nuevos sistemas de aborto de lanzamiento que se están construyendo para el vehículo de exploración de la tripulación Orion de la NASA enfrentan los mismos desafíos. Cuando la cápsula y la torre de aborto de lanzamiento, que se encuentra en la parte superior de la cápsula, se separan, un motor cohete sólido llamado motor de aborto se enciende, quemando el propulsor muy rápidamente para empujar el vehículo lejos del cohete. La columna de gases calientes emitida por el motor es la mayor fuente de ruido y vibraciones que experimentará el vehículo durante el vuelo, dice Henri Fuhrmann, gerente de programa del nuevo sistema de aborto de lanzamiento en Ciencias Orbitales , una empresa aeroespacial que se ha asociado con la NASA para diseñar y desarrollar el sistema de escape. Por lo tanto, los ingenieros han desarrollado boquillas de flujo inverso que giran el flujo de los gases 155 grados, alejándose de la cápsula. Esto reducirá la acústica, las vibraciones y las cargas en la cápsula que podrían dañar la electrónica y el hardware. Esta es la primera vez que la tecnología se desarrolla a esta escala, dice Fuhrmann. El sistema de escape de lanzamiento en Apollo tenía motores de flujo directo y, por lo tanto, tuvo que agregar estructuras de acero adicionales para aumentar la distancia entre el motor y la cápsula de la tripulación. El sistema de escape de lanzamiento del ruso en la nave espacial Soyuz también usa boquillas de flujo directo.
Kanigan dice que el próximo desafío es asegurarse de poder controlar el cohete con tales vibraciones. Para el nuevo sistema de aborto de lanzamiento de la NASA, los ingenieros construyeron un motor único llamado motor de control de actitud que dirige y controla la cápsula. También es el primero de su tipo y puede hacer volar el vehículo hacia adelante y hacia atrás, y voltear la cápsula para reorientarla de modo que el escudo térmico mire hacia adelante.
Tanto Ares I-X como el vehículo de exploración de la tripulación Orion son parte del Programa de constelaciones , un plan para enviar humanos a la luna y, luego, a Marte. Norm Augustine, presidente de un panel encargado de revisar este plan, dijo en una rueda de prensa después de la primera reunión del comité donde escuchó ideas sobre diseños alternativos a los cohetes Ares que lo más interesante fue la charla sobre cómo las vibraciones afectan el diseño de los cohetes.