Jeder Teil einer Trägerrakete, Startrampe und Bodenoperationsausrüstung ist der hohen akustischen Belastung ausgesetzt, die beim Abheben entsteht [1]. Daher werden viele extreme Maßnahmen ergriffen, um zu versuchen, diese akustische Umgebung zu unterdrücken, indem man sie mit einem Wasserüberflutungssystem dämpft und Motorfahnen über Flammengräben vom Fahrzeug fernhält. Schon eine Reduzierung des Schallpegels um ein Dezibel kann zu einer erheblichen Reduzierung der Schallbelastung, der Zertifizierungsanforderungen, der Betriebskosten und sogar des Fahrzeuggewichts führen. Daher ist die Reduzierung des Schallpegels durch verschiedene Maßnahmen zur Schadensminderung ein wichtiger Aspekt bei der Gestaltung einer Startrampe.
In den Jahren 2011 und 2012 förderte das NESC Untersuchungen zur Wirksamkeit eines Mikrofon-Phased-Arrays (MPA) zur Identifizierung von Lärmquellen und testete das Array während eines Antares-Starts von der Wallops Flight Facility aus [2]. Dieses einfache Prototyp-Array war in der Lage, aufprallbedingte Lärmquellen während des Starts zu identifizieren.
Heute wird, aufbauend auf dieser früheren Arbeit, eine neue MPA-Architektur mit offenem Fachwerk entwickelt und für den Einsatz beim Start von Artemis II getestet. Diese Fachwerkstruktur besteht aus einem Aluminiumrohrrahmen, der 70 Mikrofone trägt, die in optimierten Positionen über einer kuppelförmigen Oberfläche montiert sind (Abbildung 1). Die mittlere Kanisterstruktur enthält Sicht- und Infrarotkameras sowie die Verstärkerelektronik, die Mikrofonsignale überträgt und an Datenkabel weiterleitet, die Informationen an das am Boden montierte Datenerfassungssystem senden. Die gesammelten Daten werden mithilfe einer funktional-orthogonalen Strahlformungsroutine nachbearbeitet, die die Auswirkungen von Nebenkeulen und Reflexionen auf das akustische Signal minimiert [3]. Dies erzeugt ein viel klareres Bild der primären Lärmquellen, die von den Fahrzeug- und Startrampenstrukturen ausgehen.
Abbildung 1. Gesamtansicht des MPA, des Kabelbündels und des Datenerfassungsschranks.
Die NESC-Aktivität führt Verifizierungs- und Validierungstests durch, um die Überlebensfähigkeit des MPA in der Umwelt zu bestimmen und die Fähigkeit zur Strahlformung zu validieren. Dies geschieht mithilfe eines schrittweisen Testansatzes. Die bei ARC durchgeführten Phase-1-Tests erhöhten den MPA (Abbildung 2) und verwendeten Hörner und Lautsprecher mit bekannter Intensität, um sicherzustellen, dass Lärmquellen identifiziert und getrennt werden können (Abbildung 3).
Abbildung 2. Aufbau für den Außentest mit einem Zughorn und einem LRAD-Lautsprecher (Long Range Acoustic Device). Der MPA wurde mit einem Teleskoplader auf Testhöhe gehoben.
Abbildung 3. Vergleich zwischen verschiedenen Strahlformschemata bei einem festen f=1338 Hz und einer Array-Mitte von 100 Fuß. horizontal und 10 Fuß. über dem LRAD-Lautsprecher.
In Phase 2 wurde das System während eines statischen Brandtests bei SSC einer tatsächlichen Motorgeräuschumgebung ausgesetzt. Die MPA besichtigte den A-1-Triebwerksprüfstand während eines RS-25-Triebwerkstests aus einer Höhe von 460 Fuß, einer ähnlichen Entfernung vom KSC-Pad 39B bis zum Blitzturm, wo die MPA für Artemis II montiert wird (Abbildung 4). Die Ergebnisse konnten die transienten akustischen Motorquellen während des Tests erfolgreich identifizieren und lokalisieren (Abbildung 5).
Abbildung 4. Gerüstsystem zur Montage des MPA und Standort des Arrays in Bezug auf den SSC A-1-Teststand. Rechte Bildquelle: Google Maps
Geräuschquellen, die bei den angegebenen Mittenfrequenzen der Terz mithilfe der funktional-orthogonalen Strahlform identifiziert wurden.
Der letzte Test fand während des Starts der NG-19 Antares von der Wallops Flight Facility im Juli 2023 statt. Das MPA verfolgte die Wolke und die akustische Umgebung während des Starts und zeigte den Übergang vom anfänglichen Triebwerksschub zur Überdruckumgebung, die vom Flammengraben als Fahrzeug ausströmt abgehoben (Abbildung 6). Das Array war in der Lage, aussagekräftige Daten zu sammeln, während es draußen montiert war, unter akustischen Bedingungen, die denen ähnelten, die beim Start von Artemis II zu erwarten waren, und außerdem Hitze, Feuchtigkeit, salziger Luft und extremem Wetter ausgesetzt war.
Abbildung 6. Zeitliche Entwicklung der Geräuschquellenerzeugung während des NG-19-Starts. Die akustische Intensität der umgeleiteten Strömung aus der Flammengrabenöffnung entwickelt sich zu einer viel stärkeren Lärmquelle, während die Akustik der Wolke durch die Schallunterdrückung auf der Oberfläche der Startrampe wirksam abgeschwächt wird.
Als nächstes wird das MPA beim KSC für den Start von Artemis II eingesetzt, um die akustische Einwirkung zu messen und kritische Lärmquellen während dieses Ereignisses zu identifizieren. Die gesammelten Daten werden dazu beitragen, die Schallunterdrückungssysteme für Artemis III und zukünftige Starts weiter zu verfeinern und zu optimieren.
Verweise:
- Eldred, K.M. & Jones, G.W., Jr., „Vom Antriebssystem erzeugte akustische Belastung“, NASA SP-8072, 1971.
- Panda, J., Mosher, R.N. & Porter, B.J., „Noise Source Identification While Rocket Engine Test Firings and a Rocket Launch“, Journal of Spacecraft and Rockets, Bd. 51, Nr. 4, Juli-Aug. 2014. DOI: 10.2514 /1.A32863
- Dougherty, R.P., „Functional Beamforming for Aeroacoustic Source Distributions“, 20. AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 10.2514/6.2014-3066, 2014.
/Öffentliche Freigabe. Dieses Material der ursprünglichen Organisation/des/der ursprünglichen Autor(en) kann zeitpunktbezogenes Material sein und im Hinblick auf Klarheit, Stil und Länge bearbeitet werden. Mirage.News vertritt keine institutionellen Positionen oder Partei und alle hier geäußerten Ansichten, Positionen und Schlussfolgerungen sind ausschließlich die des Autors/der Autoren. Vollständig hier ansehen.
