När motorer avfyras, programvara skriven och hårdvara svetsad för att förbereda den första flygningen av NASA:s Space Launch System (SLS), ingenjörer kör redan tester i överljudsvindtunnlar för att utveckla nästa, kraftfullare version av världens mest avancerade bärraket som kan bära människor till destinationer i rymden.

"Aeronautics leder vägen i designen av en ny raket, sa Jeff Bland, SLS-disciplinens ledande ingenjör för integrerade fordonsstrukturer och miljöer vid NASA:s Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama. "Den första delen av varje resa för rymdfarkoster som skjuts upp från jorden är en flygning genom vår atmosfär."

Tillverkningen är väl igång med den initiala konfigurationen av SLS. Den är 322 fot hög och kan lyfta 70 ton (77 ton). För den första testflygningen av SLS, raketen kommer att bära en obemannad Orion-rymdfarkost bortom månen och sedan återvända till jorden, utplacering av 13 små vetenskaps- och tekniksatelliter i rymden under resan.

De nya vindtunneltesterna är för andra generationens SLS. Den kommer att leverera en lyftkapacitet på 105 metriska ton (115 ton) och kommer att vara 364 fot hög i besättningskonfigurationen - högre än Saturn V som lanserade astronauter på uppdrag till månen. Raketens kärnsteg kommer att vara detsamma, men den nyare raketen kommer att ha ett kraftfullt utforskningssteg. På SLS andra flygning med Orion, raketen kommer att bära upp till fyra astronauter på ett uppdrag runt månen, i den djupa rymden som prövar den teknik och kapacitet som behövs på NASA:s resa till Mars.

Skalmodeller av den uppgraderade raketen i besättnings- och lastkonfigurationer placeras noggrant i vindtunnlar för testprogram för att erhålla data som behövs för att förfina designen av raketen och dess styr- och kontrollsystem, sa Dr John Blevins, SLS ledande ingenjör för aerodynamik och akustik på Marshall. Under hundratals testkörningar på NASA:s Langley Research Center i Hampton, Virginia, och Ames Research Center i Silicon Valley, Kalifornien, ingenjörer mäter de krafter och belastningar som luften inducerar på bärraketen under varje fas av dess uppdrag.

"Alla kritiska aerodynamiska miljöer, från när den uppgraderade raketen lämnar fordonsbyggnaden vid Cape Canaveral för att avfyras, acceleration genom ljudbarriären och boosterseparation vid större än Mach 4 utvärderas i dessa fyra tester, sa Blevins.

Uppstigningstester som slutfördes vid Ames i november fastställde raketens beteende när den klättrar efter uppskjutning, och den typ av instruktioner som ska programmeras in i raketflygdatorn för vägledning och kontroll när raketen passerar genom transonisk flygning. Till exempel, testerna kommer att avgöra vilka kommandon autopiloten kommer att skicka till raketens munstycken för att korrigera för vind eller andra faktorer och hålla kursen.

Buffettestning på Langley i november fokuserade främst på hur lastversionen av den uppgraderade raketen beter sig när den rör sig genom atmosfären med strax under ljudets hastighet, närmar sig cirka 800 miles per timme, övergår sedan till överljudsflykt. När raketen närmar sig ljudets hastighet, stötvågor byggs upp och rör sig längs olika punkter i bärraketen. Dessa stötvågor kan orsaka stötar, skakning, vibrationer och ostadiga belastningar som kan resultera i skador eller kursändringar som måste korrigeras, sa Blevins.

Lastversionen av den uppgraderade raketen har en jämn kåpa ovanför utforskningens övre skede istället för Orion-rymdskeppet och uppskjutningsabortsystemet, så separata vindtunneltester behövs. Liknande tester som planeras för hösten 2017 vid Langley kommer att inkludera observation av denna transoniska chockoscillation och skjutning på besättningsversionen av raketen, vid både subsoniska hastigheter och högre Mach-tal. Vid 1,5 eller 2 Mach, vågorna slutar, eller stanna kvar på samma punkter på raketen under resten av flygningen, men de fortsätter att ändra vinkel och styrka.

Dessa vindtunneltester är kritiska, Blevins sa, eftersom platsen och det temporala beteendet för dessa stötvågor är svåra att förutsäga med beräkningsvätskedynamik - måste de observeras och mätas.

Två andra testserier planeras på Langley. Den första i början av 2017 kommer att tillhandahålla data för att säkerställa att eftersom SLS:s två solida raketboosters skiljer sig från raketen under uppstigning, de kommer inte i kontakt med fordonet igen. Dessa tester är komplexa, Blevins sa, eftersom modellerna av raketens kärnsteg och var och en av de två boosters är separat instrumenterade, och till och med dynamiken hos de små raketmotorerna som kastar ut boosterna simuleras.

Nästa kommer att bli upplyftande övergångstest, planerad till sommaren. Dessa tester kommer att inkludera utvärdering av effekterna av vindar på raketen medan den väntar på plattan, och närvaron av den mobila bärraketen och tornet under lyftet. Avdrift av fordonet när det rör sig förbi tornet måste kontrolleras för att undvika skador och eftersom ljudet som studsar tillbaka från dynan kan orsaka skadliga vibrationer.

"Vi förväntar oss att vi i slutet av denna testserie kommer att ha all aerodynamisk flygdata som behövs för den uppgraderade raketen, " sa han. "Vi kommer att vara redo för den första flygningen med besättning, mål så tidigt som 2021, och efterföljande flygningar."

NASA-ingenjörer har också samarbetat med CUBRC Inc. i Buffalo, New York, att använda en speciell typ av vindtunnel för att bättre förstå och analysera hur SLS värms upp när den stiger upp i rymden. En modell av raketen användes i den första fasen av aerodynamiska uppvärmningstester i CUBRC:s Large Energy National Shock Tunnel (LENS-II) i september. En andra testfas är planerad för modeller av SLS i besättnings- och lastversioner, i början av 2017.

SLS-vindtunneltestningen är i hög grad en byråövergripande ansträngning som resulterar i information och nya testtekniker som också gynnar andra raket- och flygprogram, sa Dr Patrick Shea. Han är baserad på Langley, men fungerade som SLS aerodynamisk testledare för transonisk uppstigningstestning som nyligen avslutades vid Ames-anläggningarna.

Till exempel, Ames aerodynamikteam utvecklar en optisk mätmetod som involverar Unsteady Pressure-Sensitive Paint. Under ett test, speciella lampor och kameror kommer att observera förändringar i färgens fluorescens, som indikerar styrkan hos aerodynamiska krafter som verkar längs olika områden av raketen eller testartikeln. Ames kunde dra fördel av närvaron av SLS-raketmodellen för att genomföra sina egna tester med färgen.

"För mycket aero-akustik och bufféarbete, vi instrumenterar modellerna med hundratals trycksensorer. Om vi ​​kan börja gå över till mer av en optisk teknik som den dynamiska tryckkänsliga färgen, det kommer verkligen att ta bra kliv framåt, "Shea sa. "Det slutade med att bli en riktigt trevlig integration av deras testteknik och vår testkampanj."