美国国家航空航天局成为私人太空企业的服务提供商

自从航天飞机计划被取消后，美国宇航局和肯尼迪航天中心一直在重塑自己的形象。虽然他们将继续为探索和其他政府项目建造和发射航天器，但早先对航天飞机计划的一心一意已经扩大了。美国国家航空航天局现在已经将其庞大的综合设施租给租户，基本上是将空间和功能出租给租户。虽然这些租户主要是NASA在航空航天不同领域的分支机构，但有两家是私营公司:SpaceX和联合发射联盟(United Launch Alliance)。

SpaceX设计、制造和发射先进的火箭和航天器。该公司于2002年由以支付宝闻名的埃隆·马斯克(Elon Musk)创立，旨在彻底改革太空运输，最终目标是让人类能够在其他星球上生活。如今，SpaceX通过其猎鹰运载火箭和龙飞船专注于太空技术。

SpaceX是唯一一家成功从近地轨道发射和返回航天器的私营公司。最近，中国的“龙”飞船与国际空间站(ISS)对接，交换了货物有效载荷，并安全返回地球。这一技术上具有挑战性的壮举导致与美国宇航局签订了一份价值16亿美元的合同，向国际空间站运送至少11次货物供应任务。在不久的将来，SpaceX也计划搭载宇航员。

联合发射联盟(ULA)是洛克希德·马丁公司和波音公司各持股50%的合资企业。联合发射联盟汇集了来自Atlas和Delta火箭项目的两个发射行业最有经验的团队。他们为美国政府提供太空发射服务，包括国防部、美国国家航空航天局、国家侦察局等。

50多年来，阿特拉斯和德尔塔一次性运载火箭一直支持美国在太空的存在，携带各种有效载荷，包括保护和改善地球生命的气象、电信和国家安全卫星，以及深空和行星际探索任务，进一步加深我们对宇宙的认识。

计量的必要性

“过去，我们唯一的客户就是航天飞机项目，”URS公司的持续系统工程师丹·蒂尔尼(Dan Tierney)说，该公司是与美国宇航局在肯尼迪航天中心合作的承包商。“因为这是所有供应的唯一用户，所以没有必要监控使用情况。现在航天飞机项目已经结束，NASA有各种各样的客户，我们需要为我们提供给他们的每件东西分别开出账单。对于液体和气体，这意味着我们必须安装计量装置。”

“由于种种原因，最难以测量的两种流动是气态氮和氦气，”蒂尔尼补充道。“两者在火箭和航天器的使用中都是至关重要的。氮气是推进剂，氦气有三种用途。”首先是去除洁净室设施中的大气水分。其次，由于氦是一种非常小的分子，可以通过最小的开口，所以它作为航天器上的泄漏探测器是很有价值的。第三，它被大量用于发射支持。由于氦不像大多数气体那样在膨胀时冻结，所以它被用作净化气体，在一个称为“净化”的过程中，从火箭发动机和发动机舱室中清除可燃蒸汽断．

“计量的需要也是鼓励节约的一种手段，”蒂尔尼解释说。“氦气非常昂贵，是氮气的10倍。氦也是一种有限的商品，所以我们必须设法节约它。最近的价格是每1000立方英尺120美元。我们希望鼓励我们的客户不要过度使用它，所以现在每个人都要对自己的使用量负责。他们必须为商品使用转移资金，他们必须重新考虑出于保护原因使用了多少资金。”

选择合适的仪表

NASA以对细节的一丝不苟而著称，所以当确定氦气和氮气管道需要什么样的流量计量时，它将蒂尔尼与URS公司的机械设计工程师迈克尔·卡茨(Michael Katz)组成团队，并指派他们确定理想的流量计。它必须能够在极端压力下通过超厚的XXS管测量液态和气态氦和氮的流量。它必须测量直径小于一英寸的管道中的气体流量。

首先，他们确定了研究的目标:

•通过市场调查确定主要需求并确定行业制造商满足NASA标准的能力
确定流量测量的技术类型和/或方法
•进行技术文献调查以验证技术类型的适用性和可靠性
•通过比较分析评估各种技术类型的差异
•提供正在考虑的候选流量计的大致数量级(ROM)成本研究
•建议选择流量计作为管道运输到发射台和固定处理设施的固定安装。

挑战是相当大的。经过测试的流量计必须能够在各种压力和流量下对各种管道和管道尺寸进行精确测量。用于测试的三个地点是旧的航天飞机发射台，氦设备和氮设备。它们都有不同的要求，并提供了一系列挑战。

测试需求

在LC-39(旧的航天飞机发射台)，这些仪表将在气体氮(GN2)和气体氦(GHe)管道上进行测试。虽然大型工厂周围的具体情况有所不同，但大多数都超出了典型的工业范围:

额定最大允许工作压力(MAWP)为6000 psig
•测量精度为±1.0%或更好
•流量范围为每分钟10 - 20,000标准立方英尺(SCFM)的自量程刻度
•能够测量高纯度压缩GN2 (2.5 in。管道)和GHe (1.5 in。管)
•外部仪表，夹紧型必须能够通过厚壁管道读取，时间表XXS
•必须支持就地校准。

该研究基于满足这些标准的能力，调查了所有潜在流量计的可行性，无论是可插入式流量计还是非侵入式流量计。

选择仪表

“我们的研究是从互联网开始的，”卡茨回忆道。“我们已经了解了一些仪表，但还有很多流量计。有一件事让他们失去了资格，那就是他们无法测量粗管道中的流量。因为我们在非常高的压力下移动氮气和氦气，所以我们使用粗管道。”

当他们的研究完成后，蒂尔尼和卡茨邀请了那些看起来最有资格进行上述测量的人。该团队评估的流速流量计包括电磁流量计、涡流流量计、涡流流量计、涡轮流量计和超声波流量计。

“虽然许多仪表提供了可接受的精度，但操作和维护成本是一个很大的因素，”蒂尔尼说。“除了一种仪表外，其他仪表都是侵入式的，必须直接暴露在流体中。这意味着安装费用昂贵。然后是维护。由于仪表直接暴露在水流中，它们会受到磨损。这意味着，在这条路上，我们将不得不关闭，拆除仪表，清洁或更换零件，然后重新启动。这大大增加了长期成本。剩下的一种仪表是超声波，而NASA过去在超声波方面有过一些糟糕的经历，所以NASA的管理层有一种消极的心态。”

卡茨补充说:“我们对所有审查过的电表都做了大量研究。对于超声波，我们只邀请了一家制造商，因为它是唯一一家在其网站上表示可以对厚壁管进行精确测量的制造商。”

Flexim Americas东南区域经理约翰·范·诺斯特兰德(John Van Norstrand)了解这种情况。他说:“美国宇航局在之前使用超声波流量计时遇到的问题是，它们无法准确测量厚壁管道上的流量。”“Flexim同时使用兰姆波和剪切波传感器技术。兰姆波换能器通过在管壁的谐波处振动产生宽声束。这产生了一个非常有效的信号，这是在较低压力下气体测量所需要的。对于非常高压、管壁很厚的气体测量，采用剪切波窄波束传感器更为有效。重要的是提供不同的换能器设计，以涵盖我们遇到的各种流量应用。在我们的演示套件中有这两种传感器类型，使我们能够在NASA遇到的所有管道上很好地工作。”

尽管如此，由于之前在超声波方面的经验，美国宇航局的管理部门仍然不情愿。蒂尔尼说:“约翰为NASA的各个部门做过演讲，主要是管理、工程，尤其是流体管理部门。”“其中包括一个便携式仪表的演示，证明了他的说法是可信的。”

NASA随后购买了两个便携式超声波流量计，并在每条需要永久性流量计的线路上进行了测试。通过采取这一额外的步骤，该团队克服了对钳式超声波仪测量NASA应用范围的能力的任何疑问。

超声波测量的原理

大多数超声波流量计使用的技术被称为传递时间差。它利用了这样一个事实，即超声波信号的传输速度取决于载体介质的流速，有点像鱼顺水或逆水游动。信号逆流移动的速度比顺流移动的速度慢。

在进行测量时，仪表通过介质发送超声波脉冲，一个在流动方向，一个反方向。(换能器交替充当发射器和接收器。)顺流信号的过境时间比逆流信号的过境时间短。该仪表测量传递时间差，并确定介质的平均流速。由于超声波信号通过固体传播，因此该仪表可以直接安装在管道上，无需穿透即可测量流量，无需切割管道。

安装超声波测定仪

蒂尔尼说:“在我们得到NASA的批准后，Flexim工作得非常好。”“我们从两个固定装置开始:旧航天飞机发射台的氦管道和氮管道，称为发射综合体39A。这是为美国宇航局的下一枚火箭保留的。由于仪表不与气体接触，因此安装快速简便，无需在安装过程中关闭系统。

“在早期使用便携式仪表测量小直径不锈钢管的流量时，只有一个问题。我们在测试通往租赁建筑的小管道，我们在租赁设施外使用压力容器，将管道送入建筑。由于这些测量值是我们向客户收费的依据，因此超声波必须在小油管上取得成功。它成为了主要焦点。即使它们是大型实验室，洁净室和处理舱，它们也不会使用发射台的数量，所以我们必须用小管道来证明成功。Flexim的解决方案正好与高压厚壁管道相反。他们改用羔羊波换能器，解决了问题。”

未来的计量需求

卡茨补充说:“超声波仪表的精度与我们测试过的任何其他仪表一样好，甚至更好，安装和维护成本几乎为零。”“NASA的管理层和工程部都参与了进来。因此，在接下来的几个月里，我们将在肯尼迪航天中心安装额外的22个永久性超声波流量计，并使用所得数据向我们的租赁客户收取天然气使用费。”

杰克·西因专门研究绿色建筑和室内空气质量问题。打电话给他。jack.sine@verizon.net。

上网:

www.flexim.com

www.spacex.com

www.ulalaunch.com

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