Oscilațiile Pogo sunt auto-oscilații periculoase ale rachetelor cu combustibil lichid, cu o frecvență de aproximativ 5-20 Hz, cauzate de instabilitatea de joasă frecvență a procesului de lucru al unui motor de rachetă. Decurg din conectarea proceselor de ardere a combustibilului în motor și a proceselor hidrodinamice din sistemul de alimentare cu combustibil [1] [2] .
Instabilitatea de joasă frecvență a procesului de lucru este cel mai adesea observată la motoarele de rachetă puternice cu o tracțiune mai mare de 100 kN (10 tf ). Instabilitatea se dezvoltă în motor în zecimi de secundă și provoacă fluctuații de presiune în camera de ardere cu o frecvență de la unități la sute de Hz . La frecvențe care variază de la unități până la 20 Hz, fluctuațiile de tracțiune ale motorului pot duce la fluctuații ale presiunii combustibilului , care, la rândul lor, provoacă fluctuații de tracțiune. Instabilitatea crește foarte mult și se transformă în auto-oscilații [3] . O astfel de scuturare a motorului cu creșteri simultane de presiune în camera de ardere și presiunea combustibilului se numește „ oscilații Pogo ” ( în engleză Pogo oscillation ).
Consecințele pot fi foarte diferite, de la cele minore, cum ar fi disconfort, la unele catastrofale cu explozii și distrugeri în zbor. O rachetă, care se confruntă cu sarcini alternative puternice neconcepute sau, chiar mai rău, care intră în rezonanță, se poate destrama pur și simplu, ceea ce s-a întâmplat în mod repetat, ca să nu mai vorbim de oprirea motoarelor din cauza creșterilor de presiune, a deteriorării motoarelor și a elementelor de fixare ale acestora, a rupurilor conductei. , incendii sau probleme cu automatizarea. Wernher von Braun a comparat compresia-întinderea longitudinală rezultată a corpului rachetei cu un acordeon-concertino . [4] [1] [5] [6]
Ca orice auto-oscilație, oscilațiile „pogo” necesită o sursă de energie și feedback care reglează fluxul acestei energii în sistemul oscilator. Cauza auto-oscilațiilor este un set foarte complex de factori și fenomene, dintre care cei mai semnificativi sunt:
Situația este complicată de faptul că în zbor mulți parametri sunt variabili, de exemplu, se consumă combustibil, se reglează forța motorului, se modifică accelerațiile rachetei și proprietățile atmosferice. Racheta în sine, mai ales dacă este mare și complexă, poate avea mai multe frecvențe la care rezonanța este posibilă. Toate acestea fac fenomenul și mai insidios. [unu]
Lupta împotriva auto-oscilațiilor, reducerea lor la un nivel acceptabil se realizează în mai multe direcții: [3] [1]
O combinație de măsuri pentru combaterea auto-oscilațiilor și proiectarea competentă a rachetelor, bazată pe experiența acumulată, reduce semnificativ riscul unei probleme. Cu toate acestea, din cauza complexității extreme a fenomenului, doar testele de zbor și operarea ulterioară dau răspunsul final. În istoria științei rachetelor, au existat cazuri în care fluctuațiile „pogo” nu au apărut imediat, iar măsurile luate nu au înlăturat întotdeauna complet problema. În același timp, testele motoarelor individuale și chiar etape întregi pe tribune pot fi destul de reușite. [1] Pentru lansările cu echipaj, cerințele pentru stabilitatea procesului sunt mult mai stricte decât pentru lansările fără pilot. [1] [5] [6]
Fluctuațiile în zbor cauzate de mișcarea combustibilului au fost observate pe primele rachete V-2 și clonele acestora, dar nu erau periculoase. Adevăratele dificultăți au apărut la primele rachete balistice R-12 și în special la R-16 și vehiculele de lansare bazate pe acesta. Mai multe lansări R-16 au fost de urgență din cauza tremurării atât a primei, cât și a celei de-a doua etape cu frecvențe de ordinul mai multor herți , în care sistemul de control a pierdut controlul rachetei. Designerii sovietici au corectat defectul de proiectare introducând partiții cu forme speciale în tancuri și îmbunătățind sistemul de control. Pe rachetele din familia R-7 , auto-oscilațiile longitudinale cu o frecvență de 9-13 Hz și o pulsație de presiune în motoare de 4,5 atm au dus la accidente cu distrugerea vehiculului de lansare în timpul lansărilor din septembrie și octombrie 1958. Acest lucru problema este pe familia R -7 [unu]
În 1962, în timpul testelor Titan-2 , în ultimele minute de lansare, s-au observat fluctuații de frecvență în creștere, de la 9-10 la 13-15 Hz, în timp ce supraîncărcarea în capul rachetei de la această scuturare a ajuns la 2,5g. . [1] Pentru a utiliza această rachetă pentru zborurile cu echipaj, în cadrul programului Gemini , a fost necesară o modificare costisitoare cu introducerea unor amortizoare pe conducte pentru a reduce nivelul vibrațiilor sub 0,25 g. [5] Probleme similare la racheta sovietică UR-100N , care afectează negativ precizia tragerii, au fost descoperite cu întârziere după punerea în funcțiune a rachetei și au fost rezolvate prin introducerea unor greutăți speciale pe o suspensie elastică. [unu]
Probleme similare la diferite stadii de rafinament au fost experimentate de rachetele Jupiter , Thor și Atlas , iar pe Atlas au fost observate vibrații cu o frecvență de 12 Hz pentru o perioadă scurtă de timp în momentul în care motorul de accelerație a fost resetat. [8] Oamenii de știință francezi în domeniul rachetei s-au confruntat, de asemenea, cu probleme similare în propriul program de rachete, în special, pe racheta Émeraude . [9]
Fluctuațiile au fost o mare problemă în timpul cursei lunare , când puterea motoarelor a crescut și au început să fie construite rachete grele. [6] În special, nevoia de contramăsuri a întârziat lucrările pe Saturn V cu mai mult de jumătate de an. A doua lansare, care a precedat zborurile cu echipaj, Apollo 6 , a fost, de asemenea, problematică. Au existat defecțiuni ale motorului și deteriorarea elementelor de putere în prima etapă, datorită cărora obiectivele misiunii au fost doar parțial atinse [6] . Cu toate acestea, fenomenul nu a fost vindecat complet și s-a manifestat periculos din nou în timpul lansării lui Apollo 13 , când unul dintre motoarele din a doua etapă a fost oprit din cauza creșterilor de presiune. [1] [2] Racheta lunară sovietică „ N-1 ”, tot din acest motiv, [10] a eșuat testele și nu a fost adusă deloc într-o stare de funcționare. [unu]