接續前文:探訪NASA太空中心發射坪:準備朝火星出發!  

為了避免雷擊這種突發自然現象危及太空人以及火箭發射坪上的各種設備,美國太空總署(NASA)開發出一些巧妙的方法,最後在佛羅里達州甘迺迪太空中心(Kennedy Space Center)的39B發射複合體(LC-39B)的發射坪上設計了三座高大的鋼塔,安裝了下導體(down conductors),能讓來自強烈雷擊的浪湧電流改道,避開火箭而導向地面。

在那些高塔上還裝設了氣象觀測系統,以期在更好的時機進行火箭發射;如下圖所見,在高塔的右側有4支橫向伸出的機械臂,上面就是放置氣象儀器。從下往上A、B、C與D四個層級,每一支橫臂上都有分別量測風速、風向、溫度以及相對濕度的儀器。

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位於NASA甘迺迪太空中心發射複合體的三座高塔,頂端以不銹鋼纜相互連結成一個圖案;這些高塔的基座包含了打入地下55英呎(約16公尺)深的216個混凝土樁
(圖片來源:Loretta Taranovich)

為何需要這麼多氣象觀測儀器?這是因為在不同海拔高度的風速會大不相同,而了解風力可能會如何影響火箭發射十分重要;此外還有其他的氣象站,負責量測降雨以及累積降雨量。在這些高塔上也有閃電偵測器,以攝影機從各個角度監測並記錄發射時以及發射前的狀態,並以高速攝影機擷取閃電電擊影像。

NASA有超高的安全意識,對最微小的細節都十分注重。那些氣象觀測站能自行運作280天,因此如果有熱帶風暴襲擊該區域,儀器也會以每秒一個樣本的速度傳送資料,儲存在發射坪終端連結控制室(Pad Terminal Connection Room,PTCR)的電腦中,該控制室位於發射坪表面之下的地下室區域。

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這是SLS (Space Launch System)火箭頂端搭載獵戶座(Orion)太空船準備發射的模擬圖,火箭將穿越緊密連結三座鋼塔尖端的鋼纜之間缺口
(圖片來源:Loretta Taranovich)

在高度594英呎(181公尺)、由鋼以及玻璃纖維建造的高塔頂端之巨大不銹鋼繩,是相當新的設計,被稱為懸吊線纜系統(catenary wire);根據防雷擊技術供應商Alltec的相關資料,這種設計是最佳的避雷技術。

發射坪周邊還裝設了9座下導體,以及4座B點(B-dot,感應磁場的時間導數,即dB/dt)站、5座D點(D-dot,電流密度的時間導數,即dD/dt)站,用以識別雷擊的發生時間與地點,還有強度與導致的破壞程度。這些感測器以PTCT內的高速瞬時視訊(transient video)與資料紀錄器進行監測,並且以高速運作;探測器輸出資料的整合,將提供雷擊造成的電場與磁場瞬間值。

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LC-39B發射坪上的B點感測站;感測器本來有半圓形玻璃纖維外罩保護,這是移除了保護罩、能清楚看到感測器本身的影像
(圖片來源:NASA)

在每座高塔D層橫臂更上方,各有一支標為E層的桅杆,裝設了6台高解析度全彩攝影機,其中有2台攝影機位於桅杆的的底部,會在被觸發後進行全程錄影,擷取高速影像以提供工程師們關於雷擊事件的完整資料集。

瞬時紀錄器的輸出觸發器,在透過光纖電纜傳送至高速攝影機之前完全經過緩衝以及調節,此外攝影機的記憶體也經過分割;攝影機不太可能會錯過任何一個雷擊事件,因為B點感測站能被用來替一台以上的攝影機定位雷擊,因為視野是有重疊的,觸發器偏移(trigger offset)相當於無感時間(dead time)。

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LC-39B發射坪上三座避雷塔頂端裝設的高速攝影機機箱;在圖中還可看到兩套備援AC裝置與攝影機箱左下方的電源機箱
(圖片來源:NASA)

在PTCR內某個瞬時紀錄器感知到合格的觸發條件時,會送出觸發訊號觸發高速攝影機;瞬時紀錄器是由儀器廠商HBM製造的GEN7t與GEN16t (這個型號已經被GEN17t取代)。該系統中還採用了隔離數位轉換器(Isolated digitizers)。

導焰槽

LC-39B發射坪為NASA太空梭任務打造的較舊款導焰槽(Flame Trench),需要為了能處理SLS火箭羽流(plume)排氣的龐大熱度而重新設計。舊的太空梭任務導焰板是倒V型鋼骨結構,外覆5英吋厚度的耐高溫混凝土,橫跨導焰槽中心位置;該V型設計是必要的,因為主引擎的排焰會在一側偏轉,而固態火箭推進器(Solid Rocket Boosters)排焰會在另一側偏轉。

但SLS並沒有以上的獨特配置,因此需要以「通用型導焰板」來取代舊系統;現在的設計會與阿波羅號(Apollo)時代之系統的設計類似。接下來NASA的地面系統開發與營運(Ground Systems Development and Operations,GSDO)團隊將指導更換導焰槽的襯裡磚塊。

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施工技師正在更換導焰槽耐熱磚
(圖片來源:NASA,Kim Shiflett )

那些數量高達10萬塊的耐熱磚有三種尺寸,以膠接沙漿(bonding mortar)與黏著錨栓(adhesive anchors)固定,以保護導焰槽壁;這種新設計能讓導焰槽的北側,在火箭發射時耐受高達華氏2,000度(約攝氏1,093度)的高溫。在導焰槽中還使用了某些感測器來量測火箭羽流壓力以及熱度,包括熱量計、壓力換能計(pressure transducers)與加速度計。

NASA在火箭發射環境中通常使用市面上的商用現貨(COTS)感測器,為鎢活塞熱量計(Tungsten Piston Calorimeter,TPC)提供資料補償;TPC利用了鎢的硬度以及良好的熱特性,該種金屬有最佳抗腐蝕特性,也具備最高熔點可抵抗火箭的羽流高溫。

TPC是由三個彈簧加壓(spring-loaded)鎢-錸(rhenium)熱電偶組成,與鋼製活塞中的熱套管(thermal wells)底部接觸;該活塞藉由一根桿狀物與荷重元(load cell)連結,因此也能量測火箭羽流的力道。

 
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編譯:Judith Cheng

(文章上方大圖為NASA甘迺迪太空中心的航空器組裝廠(Vehicle Assembly Building),圖片來源:NASA/Frank Michaux)