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220分贝噪声如何克服?原来火箭发射台上喷水是为了这个

2019-10-31  七侠荡寇志

我们经常会看到巨大的火箭发射台在火箭发射升空的时候会喷出大量的水,有人可以回答这是为了什么吗?


△火箭发射台上喷出大量的水△

有人可能说:“这是灭火系统”,这个答案是不对的。有人也会说:“喷水是为了防止火箭的尾焰烧坏发射台的”,这个答案只对了一半,喷水的另一半作用还没有说出来。

行了,就不卖关子了,这个系统在美国那里全称为“点火过压保护/噪声抑制系统”(Ignition Overpressure/Sound Suppression system),也就是说,在火箭发射台上喷水除了可以降温、防止火箭的尾焰烧坏发射台之外,最重要的一个功能就是抑制火箭燃烧产生的巨大噪声。

喷水降温这一点大家可能很容易理解,毕竟火箭发射的过程中尾焰会产生高速、高温气流猛烈冲击发射台,而喷水可以利用水分蒸发吸热保护这些设施不受气流损害。那么为什么火箭发射还要用这么复杂的系统防止“噪音”呢?

△尾焰猛烈冲击火箭发射台△
火箭产生的噪音会产生恶劣影响
有人会说,
声音大点儿就大点儿呗,
能有什么影响?

可是实际上,火箭发射产生的噪音已经远远不是“大一点儿的声音”那么简单的事情了。根据科学家的计算,巨大的土星五号火箭在发射的时候噪音高达220分贝。


△土星五号发射会产生高达220分贝的噪音△
这个声音是个什么概念呢?

我们日常生活中能够听到的最大的声音大概是飞机起飞时的噪音,当你贴着飞机站的时候大概噪音有140分贝。

看到这么一对比,有人就说了,飞机是140分贝,火箭是220分贝,也就是说火箭噪音是飞机的220/140=1.57倍。如果你这么计算就错了。

声音分贝的提高代表了声音能量按照指数增长,所以火箭噪音比飞机噪音高80分贝,代表火箭噪音的能量是飞机的10^8倍——也就是一亿倍。显然,220分贝的声音已经不是声音了,而是剧烈的能量波,远远不是击碎你的耳膜那么简单,而是会击碎你的全身。


△分贝的定义表示了能量的几何级数变化△

这么强烈的能量不仅对身处运载火箭中的宇航员来说是致命的,就算是在设计的时候已经充分考虑了各种恶劣环境的运载火箭本身也要小心这剧烈的噪音。

比如说美国航天飞机的处女航任务——STS-1,就因为这剧烈的噪音导致机身表面的隔热瓦脱落,虽然最后航天飞机在降落过程中有惊无险,但是还是出现了飞行器局部过热的情况,足见这噪音的可怕。


△STS-1任务中航天飞机上脱落的隔热瓦△
发射架的噪音抑制系统有多强悍?

无论是为了宇航员的安全还是为了飞行器的安全,都需要抑制这些强烈的噪音。于是有科学家就提出了“喷水”的方式来吸收这些噪音。其中的原理也很简单,就是利用空气中的水分子吸收声波的能量,把空气的振动转化成水分子的热运动,自然就化噪音与无形了。

那么超过飞机启动噪音一亿倍能量的超级噪音需要多强悍的噪音抑制系统呢?

比如说针对航天飞机的发射,美国就改进了肯尼迪航天中心的航天飞机发射台的噪音抑制系统。改造后的系统可以在短短41秒钟之内喷射出高达1300吨水,从而将作用在航天飞机上的声压减小了50%。


△一次喷射1300吨水不亚于一场洪水△

中国也采用了类似的噪音抑制系统,不过目前中国还没有发射诸如航天飞机这样大的航天器,所以目前的记录可以查到的是海南文昌卫星发射中心的20秒钟内喷射出400吨水。


△文昌卫星发射中心发射台进行喷水实验△

而美国为了下一代SLS火箭,还专门设计了新的点火过压/噪声抑制系统,这个系统比老系统更加刺激,可以将1700吨水喷射到30米高的空中,这次不只是洪水了,简直就是海啸。

△针对SLS火箭的噪声抑制系统△

另外,不只是喷水装置,美国在航天飞机发射台上还设计了其他噪声抑制措施,比如说航天飞机推进器下方的红色方块,其实里面是一个一个的红色尼龙袋,每个袋子里面都装满了水,也是为了在航天飞机点火的时候抑制噪声的。


△航天飞机下方装满水的尼龙袋△
有不用这套系统的吗?

按理来说,这套系统非常管用,是不是每个国家都会用呢?还真不是。而且其实大家应该猜到了,如此刚烈的汉子必定是战斗民族了。

当然了,俄罗斯的同志们不是不怕火箭产生的噪音,而是俄罗斯(苏联)使用的位于阿萨克斯坦的拜科努尔航天发射场经常会遇到零下十多度的气温,所以这个时候搞一个喷水系统,估计一次喷水下来整个发射台就要变成冰棍了。

所以为了抑制噪音,俄罗斯的工程师们想了另外一个办法:在火箭的下方挖出来一个巨大的空洞,洞里面还有一个用来反射噪音的斜面。这样一来虽然没有喷水,但是也可以保证噪音不会伤害到火箭本身。


△百科努尔发射场的发射台△

△发射台下方的斜面可以把噪音反射走△

总结一下


火箭在发射的时候会产生巨大的噪音,这些噪音不仅会威胁宇航员的生命安全,同样也会造成火箭本身的损伤。因此为了抑制噪音,各个国家使用了包括喷水、反射噪音等一系列的方法,从而保证了火箭发射任务的安全进行

当然,最壮观的还是喷水系统喷出千余吨水的场面,实在是让人感叹发射一次火箭有多么浪费水资源

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