¿Cómo se suponía que debían manejarse las vibraciones en un Ares I?

La NASA fue la que más se preocupó por la oscilación de empuje que ocurría cerca y al agotarse el combustible de la primera etapa, aproximadamente 105-115 segundos después del vuelo después del despegue y justo antes de la separación de la primera etapa (consulte el perfil de la misión Ares IX a continuación), como lo muestra el modelado por computadora y los primeros análisis de diseño del cohete Ares 1.

   

Esta llamada oscilación de empuje ocurre cuando el combustible sólido en la primera etapa se agota, dejando una capa larga y vacía que adquiere las características de un tubo de órgano y resuena a frecuencias entre 12 y 14 hercios. La segunda etapa del cohete y la nave espacial Orion encima amortiguarían de forma natural los pulsos de presión resultantes, lo que esencialmente martillaría a los astronautas y haría que les resultara casi imposible leer las pantallas de la consola y responder en consecuencia durante ese tiempo de aproximadamente 5 segundos, pero crucial. intervalo de la fase de ascenso.

Esto no era lo ideal, por lo que los ingenieros de la NASA buscaron muchas formas posibles de mitigar esta oscilación de empuje en ese momento (probablemente coincidiendo con el momento de la respuesta "Estamos trabajando en eso..." que recibiste). Algunas de las soluciones propuestas incluyeron un amortiguador de masa sintonizado alrededor de los paracaídas de la primera etapa (masa sintonizada activa o amortiguadores/amortiguadores armónicos), un sistema de control de reacción (un anillo de resorte y amortiguador que separa la primera y la segunda etapa del cohete), pulso activo RCS ( Sistema de control de reacción, actuadores que actúan como amortiguadores y se agregan a la falda de popa en forma de campana en la parte inferior del cohete), y así sucesivamente:

          

Los ingenieros también buscaban utilizar una "estructura de cumplimiento" pasiva , un anillo accionado por resorte que desafina la pila al suavizar la interfaz entre la primera etapa y la superior, al tiempo que preserva la estabilidad lateral en el concepto de diseño de Ares 1. Las propuestas se describen con más detalle en este estudio comercial del 29 de abril de 2008 sobre las opciones de mitigación de oscilación de empuje Ares I.

                                                 

Se esperaba que este concepto redujera las fuerzas G por vibraciones en los astronautas de aproximadamente 0,7 G a 0,25 G (además de los 4 G de la aceleración en esa etapa del ascenso). No hace falta decir que todo esto agregaría costos significativos al diseño y la construcción de la primera etapa, el motor de etapa, la primera y segunda interetapa del Ares 1 y el adaptador del módulo de tripulación (MPCV, Multi-Purpose Crew Vehicle).

      

      ^{El vehículo de tripulación multipropósito Orion (MPCV). El MPCV incluye módulos de tripulación y de servicio, y un adaptador MPCV.}

Todo esto sucedía en la época de los recortes presupuestarios anunciados para los próximos años fiscales, por lo que comenzaron a buscar otras soluciones más económicas. Y bueno que lo hicieron, también.

La NASA recurrió a la División de Factores Humanos, entre ellos su asistente. jefe de Rendimiento Humano, Brent R. Beutter y personas del Laboratorio de Vibraciones Ames de la NASA . Rápidamente se dieron cuenta de que las vibraciones estaban limitadas a un rango de frecuencia bastante estrecho entre 12 y 14 Hz. Esto los llevó a la idea de pantallas estroboscópicas de la tripulación, sintonizadas con la frecuencia de las vibraciones en vuelo del vehículo de lanzamiento detectadas por los acelerómetros conectados a las sillas.

    

      ^{Pantalla oscilante probada con vibraciones de hasta 0,5 G, por Brent R. Beutter, asistente de NASA. jefe Human Performance y Brent
      Rose, cosas de Gizmodo. El video de esta demostración está disponible en YouTube .}

Unos cuantos circuitos baratos y alegres más tarde, las pantallas de vuelo eran perfectamente legibles incluso con una aceleración de vibración prevista de hasta 0,7 G.

Se le pidió a cada operador que ubicara el cuadro resaltado (magenta) en una pantalla que consistía en una matriz de cuadros de seis por seis, leyera y procesara el contenido de la fila de dígitos del medio y luego hiciera una elección forzada de dos alternativas ( 2AFC) según el contenido de la fila.

                         

Las tasas de error de tarea en la condición principal, que se muestran a continuación, sugieren que los niveles de vibración superiores a 0,3 g (de 0 a pico) pueden comprometer significativamente el procesamiento de la simbología alfanumérica en las condiciones de visualización de la pantalla Orion previstas actualmente, especialmente si el tamaño de fuente es pequeño.

                           

Fuente: NASA Ames Human Vibration Laboratory Research

Y esta es la historia de cómo la NASA resolvió un problema de varios cientos de millones de dólares por unos diez mil dólares.

Este artículo revisa los amortiguadores de vibraciones considerados. La respuesta anterior no mencionó el amortiguador LOX. Como menciona el artículo vinculado, canalizó los movimientos en el oxígeno líquido. Creo que los amortiguadores de fluidos en los rascacielos funcionan de manera similar para reducir las oscilaciones estructurales.

Trabajé estresado en el Ares I, y mi supervisor me dijo que la incomodidad esperada de los astronautas era un factor importante para buscar mitigación.

Los ingenieros encuentran soluciones para el problema de oscilación de empuje potencial en Ares