微小的振动如何摧毁大型火箭

深入了解可怕的“弹跳效应”

1968年4月4日早晨7点,阿波罗6号从发射台呼啸而出。一切看起来都很完美,直到火箭在飞行中开始剧烈震动,几乎上下弹跳。所谓的“弹跳效应”(就像火箭在弹跳杆上弹跳一样)增加了航天器内的过载,并使火箭结构剧烈摇晃,导致月球舱适配器部分的松散结构面板脱落。这次不规则的发射还破坏了飞行路径,使航天器进入一个高度椭圆的轨道,而不是计划中的圆形轨道。幸运的是,阿波罗6号是无人任务,但这个问题比一次任务更大。NASA花费了数年时间解决弹跳问题,却发现它又回来了,这次威胁到了载人登月任务。

NASA's Apollo 6 rocket in flight
美国国家航空航天局 (NASA)

弹跳效应,严格来说,是在液体燃料火箭中出现的推力轴振动响应,它可能对航天器的整个结构以及乘员产生毁灭性的影响。

想象一下火箭竖直地立在发射台上。火箭要起飞,推进剂和氧化剂必须以足够高的压力流向燃烧室,燃烧产生足够的动力将整个火箭推离地面。这种持续的反应,通常分多个阶段,维持动量,将火箭送入轨道,然后发动机关闭。

随着火箭上升,过载开始向下施加;这类似于电梯向上移动时你感觉体重略有增加。这种向上的运动会迫使更多推进剂进入涡轮泵,增加压力并引起浪涌。这会略微增加火箭的速度,增加对其结构的向下力,但也会增加反压,阻碍燃料进入。这会降低发动机压力,进而导致更多燃料流入涡轮泵,从而引起另一次浪涌。

这种自激振动变成了一个循环。发动机随着火箭的运动方向上下振动,如果这些振动与火箭结构的共振频率匹配(随着油箱排空而变化),整个航天器就会“弹跳”。这种弹跳不仅会损坏硬件,还会导致驾驶舱内交替的过载。再加上名义发射引起的过载,宇航员可能会经历一次痛苦且危险的旅程。

Gemini 5 being launched from the rocket launch pad
美国国家航空航天局 (NASA)

弹跳问题最早出现在1962年3月16日,当时美国空军首次测试了其泰坦II导弹,NASA打算改装这枚导弹来发射双子座任务。这枚导弹在飞行中以10到13赫兹的频率振动了半分钟,幅度相当于大约2.5倍的正负重力(+/-2.5 g)。NASA的研究表明,这种过载不仅会给宇航员带来痛苦——特别是对眼睛、睾丸和大脑——还会削弱其应对紧急情况的能力。双子座任务无法承受这一点;这些任务中的宇航员将比水星任务承担更积极的角色,因此需要保持清醒和警觉。NASA将可接受的弹跳过载限制设定为+/-0.25 g,即重力的四分之一。显然,在双子座任务能够飞行之前,弹跳问题必须得到解决。

作为泰坦II导弹的所有者,空军着手进行故障排除,首先要弄清楚泰坦II导弹中引发弹跳效应的确切原因。

同年7月的发射提供了第一个线索。燃料箱压力的增加略微减小了弹跳幅度,这表明问题出在进料管路上。这提出了一个潜在的解决方案:在推进剂和氧化剂进料管路上各添加一个部分充有氮气的立管,以减缓振动。但事与愿违。12月发射的一枚进行了此项改装的泰坦II导弹,其弹跳幅度翻倍。

未解决的弹跳问题给双子座计划带来了延误,这是不可避免的,因为没有替代火箭。但持续的故障排除最终找到了解决方案:增加燃料箱压力,在氧化剂进料管路上增加一个立管,并在燃料管路上增加机械蓄压器。

泰坦导弹N-25号装备了这些改进装置,并于1963年11月1日发射,问题似乎得到了解决。泰坦II导弹记录到的弹跳振动是最低的,峰值仅为重力的九分之一,远在NASA的安全范围内。这使得航天机构可以继续进行双子座任务发射,在10次载人任务中,只有少数任务经历了轻微但可察觉的弹跳。

NASA认为弹跳问题(在此阶段已相当清楚)已经解决,并且解决方案已纳入土星V号火箭的设计。因此,当阿波罗6号发射时出现弹跳效应时,着实令人震惊。这次任务中的振动在无人驾驶的阿波罗指令舱中转化为+/-0.3 g,这超出了NASA的安全限制。再次,在载人发射之前,弹跳问题必须得到解决。

Space Shuttle Challenger Launches into Orbit
美国国家航空航天局 (NASA)

对于土星V号,为第一级提供动力的F-1发动机的燃烧室已知会在火箭结构质量减轻时以相同的频率振动,这导致了使弹跳效应恶化的闭环反馈。由于没有时间对发动机设计进行任何更改,解决方案是使用油箱加压系统中的氦气来填充发动机液氧预阀中的腔室,将它们变成可以减缓振动的代理蓄压器。

该解决方案在下一次土星V号发射——载人阿波罗8号任务中奏效。但意想不到的惊喜还在后头。在第二级燃烧结束前约50秒,发动机群组开始振动。第二级S-II级出现了弹跳问题。乘员没有强烈感觉到振动,也没有影响任务——阿波罗8号于1968年12月成功绕月飞行后返回地球——但工程师们看到了这是一个需要解决的关键问题。

第一次通过增加氧化剂箱压力进行的修复无效;阿波罗9号的S-II级出现了弹跳振动,峰值高达+/-12 g,幸运的是乘员没有感觉到。随着人们越来越担心弹跳问题可能会延迟登月——当时是1969年3月,NASA距离实现肯尼迪总统对国家的承诺只有几个月的时间——工程师们开发了一个变通方案并改变了发射程序。现在,中央J-2发动机将在60到75秒关闭,以避开最严重的弹跳。其余四台发动机将燃烧稍长的时间来补偿推力损失。顺带一提,这正是阿波罗6号发生的情况,尽管中央发动机的失效与弹跳无关。

解决方案奏效了,剩余的土星V号发射没有出现足以导致中止的严重弹跳。尽管有过惊险时刻,尤其是在阿波罗13号任务上。第二级中央发动机的振动如此剧烈和快速,可能会严重损坏航天器并伤害乘员,但由于一个不相关的原因,它提前关闭了,任务得以继续。

当NASA设计航天运输系统(STS)的发射系统时,它从一开始就解决了弹跳问题。航天飞机的“弹跳抑制系统”安装在航天飞机主发动机上,在氧化剂涡轮泵的进气管上通过法兰连接了一个部分填充的气体蓄压器。因此,整个计划中没有出现严重的弹跳不稳定现象。

资料来源:NASANSSDC关于阿波罗6号NASANASAUniverse TodayRocketdyne Magazine (Internet Archive); Curtis E. Larsen的NASA与弹跳效应的经验;David Woods的《阿波罗如何飞向月球》。

 

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我的学术背景是科学史,但我从小就对太空飞行感兴趣,那是在我小学时,我看到了一张两个宇航员在月球上的卡通画。我把七岁时对阿波罗计划的好奇心转化为一名太空飞行历史学家和自由撰稿人的职业生涯。

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