Pogo -svängningar är farliga självsvängningar av raketer med flytande drivmedel med en frekvens på cirka 5-20 Hz, orsakade av lågfrekvent instabilitet i en raketmotors arbetsprocess. Uppstår från kopplingen av bränsleförbränningsprocesser i motorn och hydrodynamiska processer i bränsleförsörjningssystemet [1] [2] .
Lågfrekvent instabilitet i arbetsprocessen observeras oftast i kraftfulla raketmotorer med en dragkraft på mer än 100 kN (10 tf ). Instabilitet utvecklas i motorn inom tiondels sekund och orsakar tryckfluktuationer i förbränningskammaren med en frekvens från enheter till hundratals Hz . Vid frekvenser från enheter till 20 Hz kan fluktuationer i motorns dragkraft leda till fluktuationer i bränsletrycket , vilket i sin tur orsakar dragkraftsfluktuationer. Instabiliteten ökar kraftigt och övergår i självsvängningar [3] . Sådan skakning av motorn med samtidiga tryckstegringar i förbränningskammaren och bränsletrycket kallas " Pogo oscillations " ( engelska Pogo oscillation ).
Konsekvenserna kan vara väldigt olika, från mindre sådana som obehag till katastrofala sådana med explosioner och förstörelse under flygning. En raket, som upplever starka växlande belastningar som inte är designade eller, ännu värre, går in i resonans, kan helt enkelt falla isär, vilket hände upprepade gånger, för att inte tala om avstängningen av motorerna på grund av tryckstötar, skador på motorerna och deras fästelement, rörledningsbrott , bränder eller problem med automatisering. Wernher von Braun jämförde den resulterande longitudinella kompressionssträckningen av raketkroppen med en dragspelsconcertino . [4] [1] [5] [6]
Liksom alla självsvängningar kräver "pogo"-svängningar en energikälla och återkoppling som reglerar flödet av denna energi in i det oscillerande systemet. Orsaken till självsvängningar är en mycket komplex uppsättning faktorer och fenomen, av vilka de viktigaste är:
Situationen kompliceras av det faktum att många parametrar under flygning är variabla, till exempel förbrukas bränsle, motorkraften regleras, raketaccelerationer och atmosfäriska egenskaper förändras. Själva raketen, särskilt om den är stor och komplex, kan ha flera frekvenser där resonans är möjlig. Allt detta gör fenomenet ännu mer lömskt. [ett]
Kampen mot självsvängningar, deras minskning till en acceptabel nivå utförs i flera riktningar: [3] [1]
En kombination av åtgärder för att bekämpa självsvängningar och kompetent missildesign, baserat på ackumulerad erfarenhet, minskar risken för ett problem avsevärt. Men på grund av fenomenets extrema komplexitet är det bara flygtester och efterföljande drift som ger det slutgiltiga svaret. I raketvetenskapens historia fanns det fall då "pogo"-fluktuationerna inte uppträdde omedelbart, och de vidtagna åtgärderna tog inte alltid bort problemet helt. Samtidigt kan tester av enskilda motorer och till och med hela etapper på läktaren bli ganska framgångsrika. [1] För bemannade uppskjutningar är kraven på processstabilitet mycket strängare än för obemannade uppskjutningar. [1] [5] [6]
Flygfluktuationer orsakade av bränslerörelser sågs på de första V-2- raketerna och deras kloner, men de var inte farliga. De verkliga svårigheterna dök upp på de tidiga R-12 ballistiska missilerna , och särskilt R-16 och bärraketer baserade på den. Flera R-16 uppskjutningar var nödsituationer på grund av skakning av både första och andra steget med frekvenser i storleksordningen flera hertz , där kontrollsystemet förlorade kontrollen över raketen. Sovjetiska designers korrigerade designfelet genom att införa specialformade skiljeväggar i tankarna och förbättra kontrollsystemet. På missiler av R-7- familjen ledde longitudinella självsvängningar med en frekvens på 9-13 Hz och en tryckpulsation i motorerna på 4,5 atm till olyckor med förstörelse av bärraketen under uppskjutningar i september och oktober 1958. Detta problemet är på R- 7- [ett]
1962, under testerna av Titan-2 , under de sista minuterna av uppskjutningen, observerades fluktuationer med ökande frekvens, från 9-10 till 13-15 Hz, medan överbelastningen i raketens huvud från denna skakning nådde 2,5 g . [1] För att kunna använda denna raket för bemannade flygningar under Gemini - programmet krävdes en dyr modifiering med införandet av dämpare på rörledningarna för att minska vibrationsnivån under 0,25g. [5] Liknande problem på den sovjetiska UR-100N-missilen , som negativt påverkar skjutprecisionen, upptäcktes sent efter att missilen togs i bruk och löstes genom att införa speciella vikter på en elastisk upphängning. [ett]
Liknande problem i olika stadier av förfining upplevdes av Jupiter- , Thor- och Atlas -raketerna , och på Atlas observerades vibrationer med en frekvens på 12 Hz under en kort stund i det ögonblick som gasmotorn återställdes. [8] Franska raketforskare mötte också liknande problem i sitt eget raketprogram, särskilt på Émeraude -raketen. [9]
Fluktuationer var ett stort problem under månkapplöpningen , när motorernas kraft ökade och tunga raketer började byggas. [6] Särskilt behovet av motåtgärder försenade arbetet med Saturnus V med mer än ett halvt år. Den andra uppskjutningen, som föregick bemannade flygningar, Apollo 6 , var också problematisk. Det förekom motorhaverier och skador på kraftelement i det första skedet, vilket ledde till att uppdragsmålen endast delvis uppnåddes [6] . Fenomenet botades dock inte helt och yttrade sig farligt igen under lanseringen av Apollo 13 , då en av andrastegsmotorerna stängdes av på grund av tryckstötar. [1] [2] Den sovjetiska månraketen " N-1 ", också av denna anledning, [10] misslyckades i testerna och fördes inte till ett fungerande tillstånd alls. [ett]