大型火箭的噪音如何摧毁建筑物

设计和制造土星五号火箭的工程师知道它是个庞然大物，但没有人完全准备好亲眼目睹它离开地球会是什么感觉。1967 年 11 月 9 日早晨，当阿波罗 4 号的五个 F-1 发动机轰鸣启动时，地面震动，几英里外的窗户也震得震颤不已。旁观者可以感受到土星五号的发射，尽管他们已经为此做好了准备，但这种实实在在的感觉仍然让工程师们感到惊讶。

声音的力量

每次火箭发射都会发出噪音，这种噪音是一种能量形式；我们不一定经常考虑它，但声音是一种机械波，我们之所以能听到它，是因为它使传播介质的分子振动。正确的说法是“声功率”，在火箭发射的情况下，这是排气羽流的机械能，定义为火箭推力乘以出口速度。这种噪音分布在一系列频率范围内，集中在低频到中频范围内，正是在这个范围内，声波可能会损坏建筑物或伤害人类。

火箭发射的声学环境分为两个阶段。第一阶段是保持阶段，此时所有第一级发动机都在点火，但臂架将火箭保持在原位，以便产生推力。第二阶段是升空阶段，此时火箭实际上开始飞行。具体情况各不相同，但两种情况都会对发射塔、地面支持设备等暴露设施甚至发射室等附近建筑物产生动态负载。压力波波动，产生结构振动，这些振动可以通过结构甚至大气增强或传播。

火箭发射时，声波往往处于低频至中频范围内，这正好适合传输能量和功率造成损害。基本上所有东西都会震动，如果震动的强度足够大或震动频率合适，就很有可能造成损害。

早在土星五号建造之前，工程师们就知道，大型火箭发射所产生的强烈声学环境将非常显著，不容忽视。尤其是当火箭直接从地球飞向月球时。

新星

在 NASA 确定为阿波罗采用熟悉的月球轨道会合任务模式（即将一个模块化航天器送上月球，以便将重型指挥服务舱留在地球轨道上）之前，该机构曾考虑过直接上升的强力方法。顾名思义，这种模式让火箭直接从地球飞向月球，而无需在绕地球或月球轨道上停留。整个航天器将降落在月球表面，然后在机组人员完成表面操作后沿着相同的直接路径返回。

支持这次任务的火箭是一个名为 Nova 的概念火箭，它比土星五号火箭要小很多。土星五号火箭第一级有五台 F-1 发动机，发射时可产生 750 万磅的推力。Nova 火箭的设计推力为八台 F-1 发动机，总推力为 1200 万磅。它如此庞大和强大，以至于当这个概念首次被提出时，工程师们非常担心其发射时的声学特性。

从陆地或从海上

20 世纪 50 年代末，土星系列火箭刚刚诞生，工程师们就开始研究如何最好地处理大型火箭发射的声学环境。

工程师们从早期 Atlas 火箭发射中获取数据，然后将其放大，估算出土星火箭的声功率。结果非常惊人。看起来，相对较小的土星 C-1 火箭的声功率足以在距离发射台 1,000 英尺处产生高达 205 分贝的声级，在距离发射台 10,000 英尺的范围内产生高达 140 分贝的峰值声级，这已经是疼痛的阈值。也有人担心，土星火箭产生的冲击波会低至地面，从而破坏周围的居民区。

陆军测试办公室设施部门的工程师利文斯顿·韦弗想出了一个新奇的解决方案。多年来，火箭一直在卡纳维拉尔角发射，但火箭体积较小。如果从卡纳维拉尔角发射更大的火箭会成为问题，那么为什么不将发射场移到近海，利用海洋来减弱发射的声学特性呢？

韦弗提议使用经过改造的德克萨斯塔作为土星火箭和其他大型火箭的海上发射平台，发射地点位于卡纳维拉尔角东南 105 英里处，大巴哈马岛以北不到 35 英里处。其他想法包括建造一个垃圾填埋场，一个孤立的岛屿作为发射场。

这个想法最终在一份提交给库尔特·德布斯的报告中得到了研究，德布斯曾指挥卡纳维拉尔角的发射行动，并成为肯尼迪航天中心的第一任主任。调查结果支持德克萨斯塔。这种结构可以建在深水中，发射声学不会成为问题。它也足够偏远，设施可以轻松扩展，以容纳未来其他更大的火箭。将燃料储存在驳船上比将设施放在陆地上更具成本效益。

有人质疑排放到海里的废气会造成什么后果，是否会掀起足以损坏发射台的大浪。但最终，更大的担忧是海上建设的高成本、海上发射支持的后勤问题，以及发射前安装和处理精密火箭级的稳定性问题。风暴也会带来危险。1961 年，一场风暴摧毁了位于德克萨斯州塔楼的美国空军预警系统，造成 28 人死亡。

尽管有诸多好处，但离岸发射场的想法并没有持续下去。当 NASA 选择较小的 Saturn 火箭而不是 Nova 火箭执行月球任务时，数据表明，只要有足够的空间，这枚火箭的声学特性就不会太糟糕，因此不需要离岸发射场。于是妥协方案是使用梅里特岛作为声学缓冲区。

但事情并没有那么简单。发射台上和附近的一些建筑在设计时仍需考虑发射时的声学效果。例如，火箭装配大楼。工程师必须考虑土星五号发射时产生的声压和振动，因为尽管发射场距离火箭装配大楼三英里，但预计约 145 分贝的声能可能会损坏该建筑。解决方案是使用固定在钢梁上的绝缘铝板建造火箭装配大楼，以保护它和里面的任何物体免受发射声学的影响。

重新审视海上发射

海上发射设施的想法并没有完全消失。1989 年太空大会论文集的一份报告认为，在未来火箭可能会变得更大、更响的情况下，海上发射设施可能是一项值得的投资。该论点特别指出，肯尼迪航天中心/卡纳维拉尔角空军基地以及范登堡空军基地的扩建空间有限。深水移动发射平台可以支持不同尺寸的火箭以不同的频率发射，而不会对现有发射场造成负担、影响周围的自然环境或对附近居民构成威胁。当然，这仍然是一个技术挑战，但报告认为，随着海上石油钻探的成熟，海上发射平台的潜在技术也将成熟。

但海上发射平台的问题一直没有得到解决，因为自 1973 年土星五号火箭最后一次飞行以来，还没有发射过类似火箭大小的火箭。但现在 SpaceX 提议从 39 号发射台发射星际运输系统，土星五号也是从这里发射阿波罗登月任务的。这意味着当这枚更大、噪音更大、声学影响更大的火箭离开地球时，VAB 仍将在三英里之外。我们将不得不拭目以待，看看对这枚火箭声学特性的研究是否会迫使人们选择新的发射场，也许是海上发射场。

资料来源：Space.com；NASA；NASA；1989 年太空大会报告；NASA；Motherboard；Benson 和 Faherty 著《Moonport》；Debus 在 NASA 的传记。