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晶鉆儀器的空天一體化數采設備將用于NASA超音速飛機測試

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對于南加州的沙漠來說,獨特的飛行景象和聲音往往標志著航空事業的重大里程碑。從1947年已故的查克·耶格爾打破音障,到如今航天飛機著陸在位于愛德華茲的美國國家航空航天局?(NASA)阿姆斯特朗飛行研究中心,當一架超音速飛機飛過頭頂,人們在地面上都能聽到一種可識別的響亮的聲音——音爆,這一直是讓人吃驚也難以接受的物理現象。

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幾十年來,NASA一直致力于降低飛行器的音爆的研究,這種聲音的響度被認為是未來陸上商用超音速飛機的關鍵壁壘。在2022年NASA的X-59靜音超音速飛機在天空試飛之前,首先要將音爆降低到一個明顯更低的水平。

NASA計劃最早于2024年在美國各地上空試驗X-59,以分析公眾對靜音超音速飛行的看法和接受程度,但該機構首先需要驗證X?-59飛機像它設計的那樣安靜。

NASA?與洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin Corporation)聯合設計的這種飛機的巡航速度將達每小時1500公里以上。如果NASA研發的低噪聲高超音速飛機得到商業化,從舊金山飛到上海,僅僅需要五六個小時。

為了做到這一點,首先NASA將在莫哈韋沙漠采用尖端技術測量聲音——一種全新的、最先進的地面采集系統,用于研發一架全新的、最先進的飛機。

NASA的X-59靜音超音速技術飛機(簡稱QueSST)的設計飛行速度高于音速,并且不會產生響亮的、破壞性的音爆。在以這種速度飛行的飛機下方的地面上通常能聽到這種音爆,?然而在X-59飛行時,地面上的人最多只能聽到一種像關門這樣輕微的重音。X-59將飛過美國各地來展示這項技術,但在這之前,NASA需要使用地面記錄系統來驗證X-59飛機的聲音特征。

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作為地毯測量飛行試驗的一部分,NASA將在F/A-18超音速飛行中用CI?– GRS采集音爆。這些測試將為NASA捕捉X-59超音速飛機安靜音爆的任務提供經驗。

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NASA將使用晶鉆儀器地面記錄系統(簡稱CI-GRS)來收集與音爆相關的數據,未來還將收集X-59相對安靜的音爆信號。CI-GRS的一個特點是能夠為NASA安裝定制算法的軟件,以執行實時聲信號分析等各種專業操作。

NASA已經與加州圣克拉拉的晶鉆儀器公司(Crystal Instruments)簽訂了合同,由晶鉆儀器提供一種記錄飛機音爆研究的高保真數據記錄系統,該系統能夠為該機構提供必要的數據,以驗證X-59超音速飛機的聲學特征。

“這是我們第一次在NASA研究這個完整的系統,為了完成這個項目將采用很多新技術。” NASA負責飛行演示任務聲驗證的技術領導?Larry Cliatt說,“我認為下一代音爆很快將是更安靜的音爆。”

根據數年來準備好的計劃,NASA將同時采用上百個晶鉆儀器地面記錄系統(簡稱CI-GRS)來收集與音爆、音擊相關的時域波形和頻譜數據。CI-GRS還將為NASA安裝定制算法的軟件,以執行實時聲信號分析等各種專業操作。

有了這項技術,NASA將有能力從記錄的信號中提取、查看和分析聲學和物理數據。例如,CI-GRS將具有信號調理功能,可以從夾雜其他環境聲音的數據中提取出X-59超音速飛機的低振幅聲波。該軟件還將能夠計算許多不同類型的聲學指標,包括聲級,這是目前公認的音爆響度測量方法。

“我們正在構建的是一個數據采集系統,這是世界上第一臺全面集成太空衛星技術和飛機通信技術的數采設備,它將使用最新的電子元器件技術,具有尖端的硬件和軟件功能,這樣NASA就可以捕獲他們需要的高質量音爆數據。”晶鉆儀器公司銷售副總裁Darren Fraser說。

首次交付的CI-GRS預計將在位于加州的NASA阿姆斯特朗基地進行現場測試,之后,一些將部署在愛德華茲空軍基地外。這些數采設備將組成一個數百平方公里的地面麥克風陣列,無數臺數采設備需要在極其精微的時間段上同步運行指令,這將是下一輪飛行試驗中“地毯式測量”工作的一部分。

作為飛行試驗,在某個特定時刻將部署一架來自NASA阿姆斯特朗的飛機,該飛機以超音速高速飛過麥克風陣列, 驗證X-59飛機的聲學特性。在捕捉X-59安靜的聲爆的剎那,多個測試設備同時啟用記錄聲爆數據的功能。

“地毯式測量”的經驗將有助于對CI-GRS的最終設計做任何必要修改,然后將以相同的方法部署在X-59多達70個地面記錄站。

NASA需要CI-GRS滿足的另一個功能是其遠程操作的能力。在之前類似的超音速聲學研究中,NASA在現場部署了音爆記錄儀,并在每個測試日結束時收集傳感器。然而,在莫哈韋沙漠,對于一個30英里長的麥克風陣列,這在后勤和服務上是個挑戰。

Cliatt說:“這種地面記錄系統在使用時必須可靠和堅固,這是我們所預期的,一次部署可以工作幾天甚至幾個月。還將包括雙向通信,因此從2024年開始,當X-59在美國各地上空飛行時,它們可以在大范圍部署,最終可以從一個遠程主機上控制總共175個數采記錄系統。”

晶鉆儀器的Darren Fraser說:“CI-GRS將是第一個這類空天一體化的記錄儀。第一個,就像X-59飛機一樣也是第一個,我認為在潛在的商業超音速旅行的新時代將會有很多的第一個。這將為未來人們的超音速飛行奠定基礎,我認為這是每個人都希望看到的。”

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