抓住并放手:将我们带入太空的爆炸螺栓

英雄紧固件的故事将让我们登上月球

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美国国家航空航天局副局长Dava Newman在休斯敦约翰逊航天中心与Orion项目经理Mark Geyer一起参观了Orion中型保真模型。照片:美国宇航局

作者:瑞恩布拉德利

从隔壁的房间穿过一个 厚厚的花岗岩墙,来到一个 突突 - 一个突突 - 一个 ,就像一个老蒸汽火车关闭。在拐角处,我看到球拍的来源:桌子,摇晃。长长的金属板很快地来回晃动。在它上面,有两个整齐的行,是六个矩形棱镜,里面装有测量压力和运动的传感器。每个人都拿着一个钛合金螺栓,大小与成年男子的前臂一样,重约10磅。由于复杂的装配可能暗示,这些螺栓是特殊的。

最终,这个非凡的硬件将进入太空。这些螺栓或类似的螺栓将猎户座宇宙飞船的各个部分组合在一起,这是一种新的飞行器,在未来十年的某个时间里,自1972年以来首次将人类带出低地球轨道 - 最初是月球后来去火星旅行。但在此之前,紧固件必须能够在他们旅程的模拟版本中存活下来。只会更糟。

他们持久的震动仅仅是开始,旨在模拟发射的暴力。这些零件还可以进行锤击,烘烤和冷冻 - 共计24次测试。所有这一切都在任何金属甚至到达发射台之前。这种滥用不仅可以确保螺栓将大型空间机器固定在一起,而且在恰当的时刻,它们会完全分开。更具体地说,他们会爆炸,战略性地抛弃猎户座的火箭部分。

这种可燃硬件的设计,制造和大部分测试都发生在康涅狄格州东部的一家古老的石材工厂,在那里,工程师们在一个多世纪的时间里挤满了各种烟火材料。占地200英亩的校园里有19世纪的褐砂石,花岗岩和砖块 - 看上去属于工厂城,部分学院---是Ensign-Bickford航空航天和国防公司 (或EBAD,因为什么是防御)的家园承包商没有一个含糊不清的首字母缩略词?)。 EBAD是美国宇航局主要承包商洛克希德马丁公司制造猎户座螺母和螺栓(以及陶瓷,织物和弹簧)的2000多家公司之一。

EBAD的组成部分在这部太空史诗中占有一席之地,但该公司的任务关键角色使其具有超大的引力。在550万磅的火箭(统称为NASA的太空发射系统)和其他将使猎户座冲出大气层的设备中,只有20,500 ---不到0.38%---将回到地球。 "我们要做的最后一件事就是把所有的东西都发射到月球和后面,"洛克希德的猎户座太空舱副驾驶(宇航员乘坐的地方)Carolyn Overmyer解释道。 "我们在月球上不需要爆炸系统。所以它在哪里?它分开。这是一个'sep事件'。"用简单的英语:Stuff脱落。

爆炸螺栓是该过程中的催化剂,"我们的使命的核心,"Overmyer说。

在完整的猎户座月球之旅中,有八次分离。其中一个在发射后三分钟发生:螺栓与爆炸性粉末拉链裂缝一起分裂,称为易碎接头,以丢弃使猎户座离地的负荷。三个近两层的面板,称为整流罩,保护船只免受升空热量的影响。 "一只15英尺高的咖啡可以 飙升 !只是飞走了,"Overmyer说,回想起她第一次看到测试飞行过程中面板从飞船上分离出来。 "我知道这听起来很傻,但我发现它非常非常漂亮。"
2014年12月5日---在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的太空发射中心37号升空Delta IV重型火箭后,一个车载摄像头捕获了三个13英尺14英尺猎户座服务模块整流罩的分离。照片:美国宇航局

随着任务的进展,更多的系统变得无关紧要和中断。最后要做的是服务模块,一个垃圾桶形的吊舱,可容纳所有液体和气体,用于任务;它在整个130万英里的旅程中坚持使用猎户座舱,四个紧固件的强度是为这个确切的任务而制造的。当载有船员的船只开始向地球潜水时,紧固件会分裂并释放吊舱,然后吊舱会燃烧。

准备这些螺栓作为他们的关键时刻 - 他们的完美失败 - 呈现为一种禅宗公案。如何完全测试一次只能运行一次的东西?你如何设计一些东西,为了完成它的工作,必须失败?

部分答案显示在螺纹紧固件上,称为释放和固定螺栓,在桌子上摇晃和发出嘎嘎声。在猎户座硬件EBAD构建的所有变体中,这些必须遭受地球和太空中最强烈的折磨。 "我们击败了他们的地狱,"EBAD的测试服务经理史蒂夫瑟斯顿说,他看着英雄的灯具愤怒地对着桌子的动作隆隆作响。瑟斯顿转身走向一个安静的地方,轻轻地,几乎庄严地说道:"对于这些部件真的不公平。但重点是找到他们的极限,推动信封。"

在外面,早晨的雨水让位于秋日的明亮绿色开始。一条曾经为EBAD工作提供动力的河流蜿蜒穿过校园;一个水獭家庭已经入住。很难将设置与老化的石墙背后的东西对齐:太空时代的螺栓被拉伸(并且被捣碎,捣碎和嘎嘎作响)到极限。

康涅狄格州的 辛斯伯里自内战以来一直是EBAD的所在地。当时,整个地区都有铁矿和铜矿以及花岗岩采石场,这意味着需要进行大量挖掘和大量繁荣。这些方法很粗糙:挖一个洞,用火药填充,插上它除了一小块空间以运行保险丝(通常是绳子或布),轻便,运行。数百人死于男人,往往是因为事情不应该发生 - 大多数情况下太早了。

1831年,这些技术开始发生变化 - 变得更加精致,可预测,安全。在旧英格兰的康沃尔市,那里的矿业比新英格兰还要多,一位名叫威廉·比克福德的发明家为第一个安全保险丝申请了专利。比克福德把火药装进一根空心的黄麻绳子里,然后以每英尺大约30秒的可预测剪辑进行甩尾。 1839年,他与一家康涅狄格州的矿业公司合作,在美国制造并销售他的燃烧器。 Ralph Hart Ensign于1870年加入。他的继承人后来将该公司的爆炸物业务扩展到了保险丝之外,开发了一个银行家的包,当一个骗子篡改它时吸烟。

业务发展主管戴夫·诺沃特尼(Dave Novotney)迅速带领我度过了这个世纪以及历史,当他走到关键时刻。他从办公桌上推了出去,说:"我们把事情搞得一团糟。我们非常擅长。我们已经做了很长很长时间了。"但即使在比克福德时代,关键还在于时机。时间安排 - 而且仍然是 - 一切。

因为没有人比一小块金属里面的宇航员更加真实,它以每小时20,000英里的速度穿越太空。这就是为什么,几乎矛盾的是,在与人类的任务中,在整个船上的几十个地方都种植了爆炸性粉末。它可以根据您的需要执行您希望它执行的操作。

美国宇航局并未将这些推进剂称为"爆炸物"。相反,它们是烟火系统或火焰系统,其中所谓的分离螺栓是中心部分。称为致动器的电子开关将电荷输送到通向紧固件的螺纹燃烧线。事件已经过去了几分之一毫秒 - 大约是人眼眨眼的百万分之一。

航天局从一开始就依赖于这种类型的快速行动,这种行动在喷射器座椅和武器部署中也很常见。 20世纪50年代末和60年代初期的水星任务试验了火焰,虽然并不总是具有出色的结果;在水星4飞行期间飞溅时的逃生舱失火淹没了太空舱并几乎淹死了一名宇航员。美国宇航局在60年代中期的双子座计划中更好地控制了动臂,增加了新的结构,如烟火式起落架。通过60年代末和70年代早期的阿波罗任务,210比特的爆炸性技术承担了24种机械功能 - 从分离月球着陆器到释放下降降落伞 - 首先将人类送上月球的工艺品。 EBAD为许多这些小而强大的点火提供了火焰。

然而,在航天飞机计划期间,爆炸发生了逆转。太空飞机更多地依赖于机动的,可重复使用的系统 - 那些停靠和脱离附件的系统,包括太空行走的宇航员。然而,马达并不完美,Stu McClung是一名美国宇航局工程师,他在Orion的火焰上工作并在航天飞机上度过了近二十年,后来向我解释道。它们比pyro慢几秒,可能是磅重,最差,它们也可以分解。所以他仍然赞成引爆作为失败保障。 "如果出现问题,我们可能会破坏它,然后回家。"

今天,电动行动对卫星和无人系统的需求越来越大,例如詹姆斯韦伯望远镜和OSIRIS-REx小行星采样器 ,它们的太阳能电池阵列需要轻轻展开。 "好消息是火系统行动非常迅速,"诺沃特尼打趣道。 "坏消息是他们的行动非常迅速。"对于我们的孤独朋友来说也很难过:SpaceX创始人埃隆马斯克(Elon Musk),他的精神以可重用性为中心,并不是爆炸的粉丝。

EBAD在航天飞机上只有很少的工具包,几年前,Novotney注意到大多数航天业务都完全脱离了火焰。然而,猎户座是对航天飞机前时代的回归 - 依赖于控制爆炸的时间 - 以及该公司利用其真正爆炸性真相的机会。所以Novotney竞标,渴望在它飞过之前捕捉一代一代的飞行器。

现在他和一个工程师团队对螺栓制造的反复试验有点痴迷。他们工作的最终结果偶尔会在Novotney的办公室里结束,在一个黄色的水桶里,深深地插着他喜欢向游客炫耀的碎片。盯着这个垃圾看,它看起来更像废弃的填充管道,而不是过度工程和无休止地测试爆炸空间的东西。他们的任务很简单但需要数年才能完美:保持团结,分裂,帮助将船员送回地球。 "这并不是说你可以突然改变主意,让布鲁斯威利斯出去执行救援任务,"诺沃特尼说。 "你回家了,就是这样。"
2014年12月5日,美国宇航局的猎户座宇宙飞船在其三个巨大的降落伞下滑过云层,朝向太平洋上的飞溅。照片:美国国家航空航天局

自2009年以来, EBAD一直在交替 制造和破坏Orion硬件。当它开始时,洛克希德提供了大量的文件规格,首先是几百页,然后是几千页。尽管如此,EBAD还没有从头开始。该公司于1965年建立了一个空间军械部门,专门生产专用保险丝,自50年代以来,其他几家公司 - 甚至是美国宇航局 - 一直在制造分离螺栓。因此,在早期的时候,广泛的中风已经出现了。

为了完善一个螺栓,当被要求时,它必须完全不像螺栓一样,EBAD工程师花费大量时间来担心硬件的最弱点:断裂面,最终断裂的震中。洛克希德的Overmyer将它比作折叠的纸张:"当你弯曲它时,你会使折痕变得非常强,所以它会在那条线上断裂,"她解释道。如果硬件太快拆分,就像在发布期间一样,它就会发生在这里。在一个螺栓上,飞机是一个很薄的凹口,环绕着钛表面,从一端约三分之二。在EBAD早期的猎户座测试日,设计师们摆弄了位置,深度。最重要的是,他们仔细地将它与内部结构和爆炸物配对,以确保每次都能在正确的时间进行彻底的休息。

随着他们的改进工作,规则不断变化。在开发过程中 - 经过十多次螺栓迭代和几次车辆测试 - 美国宇航局确定猎户座服务模块需要认真对待能够为最终两个系统支撑人类生命的系统腾出空间 - 红色星球之旅和回来。当时49,000磅的车辆不得不消耗大约3,000磅。对于EBAD而言,这意味着更少的螺栓。而不是六个紧固件需要持续几乎整个旅程,他们有四个,节省约25磅。 "这引起了一些令人头疼的问题,"负责设计的EBAD工程师Sean Keon说。他们重新制作了螺栓,增加了一些周长和大约四分之一英寸的长度。调整允许每个超过10万吨,所以猎户座可能会失去两个毫无顾虑。

该团队根据具体规格加工螺栓;如果它们的测量值超过1/1,000英寸,它们就不好了。但是建造这些Herculean紧固件的真正诀窍并不是建造它们。经过测试后的测试。除振动台外,所有部件都经过试验,模拟任务极端的版本。 EBAD将它们冷却到零下100度并将它们加热到210度,这确保它们的保险丝不会在太阳的眩光下自发地点燃中途飞行。为了证明螺栓可以通过火箭点火的冲击波保持紧密,他们遭受了三个6,000-G的雷神钢锤。

在整个过程中,工程师检查并重新检查螺栓。他们重新测量它们以确保它们的形式没有在压力下屈服。 X射线确保其所有内部部件都存在 - 并且在正确的位置 - 并且荧光染料突出了0.03英寸长的裂缝。一旦EBAD满意,每个制造批次中的九个紧固件将转向洛克希德和美国国家航空航天局,这使得这些部件更加难以控制。如果任何硬件有不良测试或裂缝,EBAD会拉动整个批次,并且该过程将重新开始。

监视 爆炸性太空螺栓 成功另一种方法 是观察它的爆炸。这种情况发生得如此之快,以至于观察繁荣的情况非常糟糕。几乎没有什么可看的。喜欢魔法。只有它不是。

真正"看到"爆炸的唯一方法是慢动作视频,人眼可以自然瞥见的速度的一小部分 - 每秒至少100,000帧。即便如此,仍然隐藏着大量的电荷,包括引发一系列微小爆炸的电荷,这些爆炸最终会点燃压力盒内的有机推进剂。推进剂产生足够的能量来驱动两个内部活塞。然后两人以足够的力量相互猛击,使最重要的断裂面最终,完美,一劳永逸地失败。从外面看,它似乎是螺栓拉开自己。

航天器到处都有裁员,包括螺栓内部。有两个压力盒,彼此相邻。如果主要的一个没有发射,则电荷继续,点击并点燃第二个。如果两者同时发射(有时会发生),那么外壳仍然可以包含力。

但是,一旦你完成爆炸,工作就没有完成。休息本身可能会导致问题,因为在太空中,碎片是一种杀手。一小部分螺栓,以每小时数千英里的速度在猎户座周围飞奔,很容易砸碎太阳能电池板或刺穿一块重要的电子设备,结束任务。这就是为什么当紧固件紧挨着他们的测试传感器并最终咬合成两个时,下面有一个小袋子悬挂以捕获碎片。洛克希德分析了垃圾,以确保没有足够大的碎片引起问题。他们也审查了慢转弯带,检查了从裂缝和船上射出的任何东西的速度。

确定破碎部位的最终位置对于最英勇的螺栓来说是非常重要的,这些螺栓将船员舱固定在垃圾桶形状的生命支撑上,直到任务的近乎最后的时刻。这些硬件必须留在工艺上,并为另一项重要功能做出贡献。在螺栓分裂后,残留在胶囊上的碎片会轻微融化并成为挡热板的一部分,从而在4000度推回地球大气层时释放多余的热量并帮助保护宇航员。当它们融化时,它们会随着它们散热 - 就像在炎热的天气里,大块的冰块坐在柏油路上。

当Keon和一群EBAD工程师描述这些最后的阵痛时,我抓住他们盯着我身后的会议室墙。隐藏在天花板附近的是一个卷起的投影仪屏幕。测试飞行是螺栓证明其勇气的唯一真正机会,因此当它们发生时,EBAD工作人员挤在这个房间里观看。现在,美国国家航空航天局正在迎接两大事件:今年春天将有四分钟的车程进行紧急降落;并且,在2020年,探索任务1将围绕月球和回家鞭打无人舱。

他们最后一次进入这个房间是在2014年,当时探险飞行测试1在地球上围绕猎户座旋转两次然后飞溅下来。这个未命名的任务是对关键系统的试验,例如隔热罩,降落伞,计算机,以及最常关注EBAD的所有这些分离。那个12月中旬的下午,团队点了披萨,等到深夜,看看他们的螺栓是怎么出的。他们节奏起伏,然后发出欢呼声和长时间的疲惫叹息。然而,庆祝活动受到了工作的影响 - 测试,精炼 - 他们将回到第二天早上。 "任务尚未结束,"基恩说。

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