用RFID技术追踪火箭发射过程中的声波振动

    在佛罗里达州的肯尼迪航天中心和位于帕特里克空军基地的卡纳维拉尔角空军站，国家航空和航天局（NASA）采用RFID技术获取航天飞机和火箭发射过程中的振动数据，同时计量（gauge的意思是设置规范，就是说确定振动模式和声源的对应关系，以便在日常分析中通过测量振动快速确定声源）导致振动产生的声源。由无线传感器公司MicroStrain提供的这套解决方案，用的是内置传感器的2.4GHz有源RFID标签，它们安装在发射台周围的不同位置，以测量火箭发射期间产生的振动水平。美国宇航局通过对数据的分析，更深入地了解发射过程产生的声波，并预测声波振动对发射中心的设备和建筑带来的潜在损害。今后航天局计划将内置压力传感器的RFID标签应用到燃料仓或负责运送火箭到发射台的巨型牵引机的履带上。 

    今年初，肯尼迪航天中心最后一次航天飞机发射中，NASA航天工程师鲁迪（RudyWerlink）和拉维（RaviMargasahayam）首次测试该无线系统。现在，这两人负责在卡纳维拉尔角（美国国防部火箭发射集中地）继续将该系统付诸应用。 

    系统使用背景：几十年来，美国航空航天局一直在研究可能由火箭发射产生的声音、振动和累积压力水平。Margasahayam说：很难预测火箭排气与周围空气相互作用产生的声波，同时声音振动产生的累积应力可能会对周围的建筑物产生潜在的破坏。该项研究的目标是确保火箭发射地的设备以及周围建筑安全、可靠、易于操作。然而，研究涉及几英亩的土地上的大量设备和建筑物，非常复杂，要想实现以上目标确有难度。 

    由于火箭发射有危险性，研究人员使用传感器代替人工测试。使用有线传感器的限制：其一，NASA能够安装有线传感器的工程师有限；其二，有线传感器的安装位置受限。其三，火箭发射的恶劣环境会对电缆造成破坏；另外，长距离的线路传输会影响数据的质量。佛罗里达州发射中心不仅存在发射本身造成的机械破坏，而且存在来自自然环境的破坏。例如，有线连接的新闻摄像设备易受美洲鳄的攻击。  

    系统介绍及使用过程：由于MicroStrain公司无线解决方案的安装，传感器可置于任何合理位置，然后将数据传送到数据收集基站，基站的位置定位在视野广阔的地带，以最大限度地提高系统的读取范围。虽然每个传感器都拥有一个内置电池，工程师还配备外接电池，增加其使用寿命。与安装有MicroStrain软件的计算机相连接的阅读器负责收集和储存信息。通过以太网连接，将数据转发到称为传感云（SensorCloud）的Web服务器。目前美国宇航局还没有使用以太网连接，而是利用MicroStrain软件将数据存储，一旦发射完成，安全区重新开放，人们就可以取出数据并作分析。 

    MicroStrain传感器包括一个2.4GHz有源RFID标签，符合IEEE802.15.4空中接口协议（与ZigBee的标准相同），传输距离可达2公里（1.2英里）。标签接收传感数据并发送数据信息，传输率为256次/每秒。 

    今年5月和7月，美国宇航局在肯尼迪航天中心分别执行奋进号STS–134和特兰蒂斯号STS-135航天飞机的发射任务时，首次部署该系统。在这两种发射任务中，美国航空航天局将3个MicroStrain传感器安装在距离发射台39A约7，000英尺的铝板上。Margasahayam说：在该系统的基础上，研究人员可对远场振动声学对建筑产生的影响进行研究。MicroStrain公司的应用专家ToddNordblom说：阅读器安装在距离传感器约200英尺的外围建筑内。 

    传感器会在火箭发射后的三至五天内继续收集数据（由于发射完成后的几天内不可能移动传感装置），约3GB的数据传送到计算机。计算机一旦检索到数据，便将信息转发给SensorCloud服务器。然后利用MicroStrain工程师和美国宇航局的研究人员开发的过滤算法获取关键数据，如发射过程中振动达到某特定水平的时间。 

    美国宇航局的研究人员根据测得的振动水平来计算声波峰值。然后与以前的远场声波估计数相比较，以确定其准确性。测试数据与美国航空航天局的分析具有良好的相关性，表明两者均是可靠的。 

    应用远景：据Margasahayam说，下一步将压力传感标签用来衡量复合材料压力管（compositeoverwrappedpressurevessels，简称COPV，用于存储加压液体）的变形程度。另外，压力传感标签也可应用于负责转运火箭的履带式牵引机上。 

    此外，该传感器可用于近发射台的操作。但是，人们担心，在发射倒数计时，传感器标签的射频信号会干扰宇航员和地面控制中心之间的通信。然而，Margasahayam说可以改进该项技术，使得发射倒计数一开始就立即远程操作停止该RFID系统的信号发射。