个人
火箭落地时,地面有多热?
着陆器发动机的喷流冲到地面后怎么加热周围的结构,我们在一次喷流热环境试验里怎么测温度和气流,以及现场被烧断的网线。
电影里的登月舱落得很轻,可发动机下面其实是一股又快又热的燃气直接冲着地面。
在普渡读书时,我参加过和 Exos Aerospace 合作的一次试验。我们用一台火箭发动机模拟着陆器落地时喷流冲击地面的情况,为月球着陆支架的热环境评估收集数据。
喷流冲到地面以后
发动机喷出的燃气速度很快。它垂直冲到地面时,正中间那一点的气流要在很短的距离里停下来,这一点叫驻点。气流的动能在驻点转成压力和热,道理和打气筒越打越热差不多,所以驻点附近压力最高,加热也最厉害。
燃气撞到地面后只能贴着地面往四周散开,扫过着陆支架的脚,有一部分还会被地面弹回来加热飞行器底部。支架离喷流最近,落地那几秒必须扛得住,所以要单独研究它周围的温度。
月球上还要更复杂一些。没有大气,喷流散得更开,月面的细尘也会被吹起来。阿波罗 12 号降落在早先的勘测者 3 号探测器附近,宇航员从探测器上拆回来的部件,表面有被月尘打出来的麻点。
测温度和测气流
温度用了两种测法。测试件表面涂了温度变色油漆,颜色随温度变化,能直接看出整块表面哪里热;另外布置了温度传感器,点数少但读数准,可以用来校核油漆的结果。只看油漆,数字不够准,只看传感器又可能漏掉最热的地方,所以两种一起用。
气流用皮托管测。皮托管是一根开口正对气流的细管,测的是气流被堵停后的压力,从这个压力可以算出流速。我负责的是一排皮托管组成的皮托管耙,以及它的数据采集系统。
网线被烧断
数据要通过 300 多英尺(约 90 米)的以太网线,从试验台传回数据采集工位。线缆和设备外面都包了气凝胶隔热毯,测试中还是有一部分网线被烧断了。我们的办法很简单:每次测试结束后,把剩下的线缆再多包一层气凝胶毯,保证后面几次测试的数据能传回来。
这件事让我意识到,负责把数据送出来的网线离喷流和测试件一样近,防护也该按同样的标准来做。
试验窗口
点火试验的时间窗口很短,人员、场地和发动机都是提前排好的,出了问题没法重来。去现场之前,我写了测试就绪计划、风险矩阵和应急预案,把可能出错的环节、由谁处理、怎么处理先列清楚。
到了现场还是遇到了 3 个故障,涉及硬件通信和传感器标定。逐个排查修好之后,我们在窗口内完成了计划中的全部数据采集。
更多现场照片在项目页。