太空梭發射平臺的冷卻系統

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太空梭發射平臺的冷卻系統

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7 g0 m' |2 e+ j9 D) s6 ^. ]Vol, 42, No. 11, November 2000 (Cooling System For Space Shuttle Launch Pad；pp.48~51)
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- s7 K* X. b# A) z" N+ \3 [完全新鮮空氣自然冷卻
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) [" d: q* E  H7 S　　想像一下：在太空梭發射升空的倒數時刻，倒數動作因為空氣冷凍機組故障而停止。由於地面冷卻系統提供太空梭中，包括航空電子設備以及太空人生存條件的溫度控制，因此此種故障是很令人不快的。從1985年，因為對地面冷卻裝置故障的深入研究，提昇了新式地面冷卻系統的發展，13年後，發射哥倫比亞號太空梭的發射平臺即是使用新型的地面冷卻系統。
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　　從人造衛星安裝在活動發射器的第一天，一直到它升空為止，地面冷卻系統就開始提供所有太空梭在發射平臺上時所有的冷卻需求。因為冷凍劑R-124對臭氧層危害較小以及與人造衛星溫度保護系統的相容性，所以使用冷凍劑R-124為熱傳介質。在發射倒數計時期間，冷凍機組運轉對發射所產生的熱負載，以及最大的廢熱值，提供額外的溫度控制，在發射前幾個小時內，太空梭艙內的冷卻迴路一直保持在39oF (4oC)。

2 L! q6 V' J/ }+ P' F　　環境控制和維生系統(ECLSS)循環/控制裝置，提供太空梭中在固定溫度及壓力下的熱溫調整流體 (如圖一)，室溫的致冷劑從循環裝置的儲存槽中被加壓送至ECLSS冷卻水熱交換器，流體由冷卻水熱交換器流出，繞過人造衛星冷卻的冷凍裝置或是經過冷凍機運轉時的三個冷卻模組，被調溫後的流體流回循環/控制模組，進入溫度混合閥及流量控制閥，然後越過發射臺上的流體配置系統，流入MLP中(如圖二)。當進入MLP後，流體被導入氫氣tail service mast(TSM)中，往上送到太空梭介面面板T-zero，位於人造衛星的左後方。當流體流經主傳輸線承載平板後，被導入艙內的地面支撐設備(ground support equipment, GSE)熱交換器，人造衛星的廢熱經由艙內的R-21迴路傳到GSE熱交換器，較高溫的R-124液體流經T-zero主傳輸線，並回到循環/控制裝置。

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　　早期的地面冷卻系統包含兩種循環模組，兩個冷凍模組以及液體配置系統。每一組設備都置放於發射臺外靠近高塔基底，在每一次發射期間，由於固態火箭排出高熱的腐蝕性氣體造成此設備毀損。火箭的排出氣體、發射所造成的振動以及鹹性的霧狀海水，在在都是維修及保養工作的惡夢。由於發射振動以及凝結線圈因鹹性空氣而惡化，都會造成冷凍設備易於洩漏。電纜在太空梭發射時也會受到損害，在下一次發射前須先沖洗掉附著其上，具有腐蝕性的固態火箭燃料灰塵，因此也需經常更換。冷凍設備中的溫度控制系統包含球形閥門上方的電動制動器，由於一旦調節量太多，少部份的冷凍劑會被輸送到人造衛星上，因此溫度控制最好是循環式的。在早期的發射過程，冷凍系統經常故障，而且都在太空人登上太空梭準備發射時需要更換。新的地面冷卻系統的設計目標就是提供一個簡單、故障率低、能在大範圍熱負載下運轉的冷凍系統，以確保系統隨時準備就續，而且提供可靠度及可維修性。設計目標包含供應設計條件下的R-124維持在10oF至60oF (-12oC至16oC)，接受140,000 Btu/h (41 MW)以下的熱負載，提供2~19 gpm (0.13 ~ 1.2 L/s)的流率，以及供應不超過250 psig (1826 kPa)的壓力，在人造衛星的GSE熱交換器上。這些設計需求必須
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　　符合或超過嚴格的人造衛星介面控制文件要求(ICD)，文件需求中定義了人造衛星所需要的初始的冷卻需求。因為新的地面冷卻系統遠超過20多年來的ICD需求，它支援未來的負載(例如多功的邏輯模組)，此負載須提供太空站的冷卻需求量，此值遠比1970年中期所預估的量高出甚多。

: B0 U" t5 |3 v' R　　早期的地面冷卻系統經驗提供了很多有關元件可靠度、可修護性及耐用度的資訊。新的冷凍系統是一個簡單的系統，不論是在操作、校正以及偵錯等方面都設計得非常容易。儲存架皆為可移動式的，使得維修較為便利，內建的校正接頭和系統隔離閥，提供保養維修人員更佳的便利性。另外，因為發射平台的環境條件相當嚴苛，所以新式的地面系統安裝於固定式設施的內部。實際上，原先新式的地面冷凍系統是要裝置在每個可移動式發射器平臺內部的，不過最後仍決定在每一個發射臺表面建立新的建物，來安裝冷凍系統。

: Z; ?2 ~) |% y0 t　　溫度控制是主要的設計考量，安裝三種適當能力的冷凍裝置組，可以配合具有大範圍熱負載能力的需求，每一個裝置裝置有電子加熱器，當成是輔助負載，以保持系統負載固定不變，因此一組冷凍系統只需一個設定點，免除了對複雜次系統的需求。系統利用可程式化的邏輯控制器(programmable logic controllers, PLCs)控制過剩的主要的及次要的溫度混合閥，閥門為線性主動控制閥。溫度變化量可由三哩遠的燃燒室提供，如果需要的話也可由局部的電腦控制，溫度變化可以由電腦控制在0.1oF內(0.5oC)，但是當太空梭發射程序系統(Launch processing system, LPS)開始動作時，一般的溫度誤差會達到1.5oF(0.8oC)。
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/ f5 R3 X' T& H# T. {# U' D& A　　新型的地面冷卻系統融合了很多創新的觀念，因為冷凍裝置的壓縮機組位於新建物內部，因此選用水冷式冷凝器。因為發射平臺位於對環境條件較為敏感的區域，所以需嚴格的限制冷凝水的排放。在發射臺則選擇最為可靠的設備冷卻水系統，每一個冷凍裝置冷凝器由管路與設備冷卻水連接，由PLC控制並且具有線性的流量控制閥。PLC也使用在循環/控制設備來調節出入的溫度，並且利用廢棄流體控制閥控制冷凍劑。當PLC設定為自動時，出口溫度由溫度混合閥控制，入口溫度則由冷凍劑流率調整以達到溫度設定點。此一新型的自動控制法可在發射期間將人力介面減到最低。

　　能源效率並不是設計觀念的重點，在設計之初就將最大的系統過剩量列為設計條件，建物內具有三部分離的480 VAC 輸送裝置，其中兩部相連接可以自動切換，可由不同的來源傳送多餘的120VAC，每一個具有28VDC控制電壓的元件有過剩的電力供應。此系統在能源使用效率上並不經濟，而且也不適用於商業化的用途，然而對使用於太空梭系統上，在倒數計時的發射過程要求高可靠度，再加上最短停工期要求，此系統就是非常的經濟。因為太空人的性命以此為賭注，而且每一次的發射過程最少需要花費1,000,000美金。
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5 u$ L+ J+ u" i8 h+ s( {/ g1 a, o　　以此新系統與早期位於發射台外的地面冷卻系統相比，操作和維修的過程都較令人滿意。主要的維修項目都是在有環境控制的建築物內進行，使得作業較為舒適。另外，局部電腦介面也使得操作者易於選擇運轉模式，比起早期的系統更易於操作。舉例來說，如果欲進入在早期循環艙的電力房中，需移動34個螺栓，但在新系統中，只需旋轉把手，就可以開門。冷凍劑的補充可在任何氣候條件下進行，因為維修接頭位於室內。在32B發射台運轉的第一年，有26個問題及一個部件故障被提報，其中25個問題與新系統的安裝、測試方式有關。早期的地面冷卻系統在10年內，每年平均有150個問題發生。與舊系統比較，新系統的投資報酬週期為18至19年。