Колебания типа «пого»

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пого-колебания центрального двигателя J-2 ступени S-II ракеты «Сатурн-5» при выводе корабля «Аполлон-13». Тряска двигателя (датчик зашкалил за 20g) и броски давления кислорода на входе в насос (датчик отказал). Двигатель отключён аварийно.

Колебания типа «пого» — опасные автоколебания жидкостных ракет с частотой порядка 5-20Гц, вызванные низкочастотной неустойчивостью рабочего процесса ракетного двигателя. Возникают от связи процессов горения топлива в двигателе и гидродинамических процессов в системе подачи топлива[1][2].

Свойства колебаний[править | править код]

Низкочастотная неустойчивость рабочего процесса чаще всего наблюдаются в мощных ЖРД тягой более 100 кН (10 тс). Неустойчивость развивается в двигателе в пределах десятых долей секунды и вызывает колебания давления в камере сгорания с частотой от единиц до сотен Гц. На частотах в пределах от единиц до 20 Гц колебания тяги двигателя могут привести к колебаниям напора топлива, которые, в свою очередь, вызывают колебания тяги. Нестабильность сильно возрастает и превращается в автоколебания[3]. Такую тряску двигателя с одновременными бросками давления в камере сгорания и напора топлива и называют «колебаниями типа Пого» (англ. Pogo oscillation).

Последствия могут быть самыми различными, от несущественных вроде дискомфорта до катастрофических со взрывами и разрушениями в полёте. Ракета, испытывая сильные нерасчётные знакопеременные нагрузки или, что ещё хуже, войдя в резонанс, может просто развалиться на части, что происходило неоднократно, не говоря уже об отключении двигателей по броскам давления, повреждении двигателей и их креплений, обрывах трубопроводов, пожарах или о проблемах с автоматикой. Вернер фон Браун сравнивал возникающие продольные сжатия-растяжения корпуса ракеты с гармошкой-концертино.[4][1][5][6]

Как и всякие автоколебания, колебания «пого» требуют источника энергии и обратной связи, регулирующей поступление этой энергии в колебательную систему. Причиной автоколебаний является очень сложный комплекс факторов и явлений, из которых наиболее существенны:

  • Энергия горения топлива, которая, собственно, и поддерживает колебания
  • Склонность двигателя к возникновению низкочастотной нестабильности процесса
  • Собственные частоты колебаний в единицы — десятки Гц у конструктивных элементов двигателя, ракеты, самого топлива в магистралях, баках или насосах
  • Обратная связь через подачу топлива в двигатель, имеющая причиной:
    • Колебания топлива, топливных баков, трубопроводов, давления газа наддува, сжатие-сокращение гибких сильфонных соединений и т.п.[7][4]
    • Динамику ракеты, ускорения и замедления, влияющие на напор в топливных магистралях[8]
    • Кавитационные процессы в топливных насосах и топливных магистралях[1]
    • Недостатки управляющей автоматики[1]

Ситуация усложняется и тем, что в полёте множество параметров переменны, например, топливо расходуется, тяга двигателя регулируется, меняются ускорения ракеты и свойства атмосферы. Сама ракета, особенно если она большая и сложная, может иметь несколько частот, на которых возможен резонанс. Всё это делает явление ещё более коварным.[1]

Борьба с явлением[править | править код]

Демпферы на магистралях горючего и окислителя носителя «Титан-II» программы «Джемини». На линии горючего стоит демфер с пружиной, на линии окислителя - демпфер на сжатом азоте.

Борьба с автоколебаниями, сведение их к допустимому уровню ведётся по нескольким направлениям:[3][1]

  • Изменением характеристик колебательной системы, например, изменением конструкции баков и трубопроводов, перегородками в баках
  • Ослаблением обратной связи по топливу установкой на магистрали горючего или окислителя специальных демпферов и рестрикторов
  • Борьбой с кавитацией
  • Изменением конструкции камеры сгорания, форсунок, изменением давления для повышения стабильности процесса горения
  • Усовершенствованием системы управления

Совокупность мер по борьбе с автоколебаниями и грамотное проектирование ракет, основанные на накопленном опыте, существенно снижают риск возникновения проблемы. Однако из-за крайней сложности явления окончательный ответ дают только лётные испытания и последующая эксплуатация. В истории ракетостроения были случаи, когда колебания «пого» проявлялись далеко не сразу, а принятые меры не всегда снимали проблему полностью. При этом испытания отдельных двигателей и даже целых ступеней на стендах могут проходить вполне успешно.[1] Для пилотируемых пусков требования к устойчивости процессов гораздо жестче, чем для беспилотных.[1][5][6]

История наблюдения явления и борьбы с ним[править | править код]

«Аполлон-6». Ракета оставляет неровный след из-за нестабильной работы двигателей первой ступени.

Колебания в полёте, вызыванные перемещением топлива, были замечены ещё на первых ракетах «Фау-2» и их клонах, однако они не были опасными. Настоящие трудности появились на ранних баллистических ракетах «Р-12», и, особенно «Р-16» и ракет-носителей на её базе. Несколько пусков «Р-16» были аварийными из-за тряски как первой, так и второй ступени с частотами порядка нескольких герц, при которой система управления теряла контроль над ракетой. Советские конструкторы исправили недостаток конструкции, введя в баки перегородки особой формы и усовершенствовав систему управления. На ракетах семейства «Р-7» продольные автоколебания с частотой 9-13 Гц и пульсацией давления в двигателях в 4.5 атм привели к авариям с разрушением ракеты-носителя при пусках в сентябре и октябре 1958 г. Эта проблема на семействе «Р-7» была впоследствии побеждена уменьшением обратной связи по напору топлива установкой газовых демпферов на входе в двигатели.[1]

В 1962 г. при испытаниях «Титан-2» на последних минутах выведения наблюдались колебания возрастающей частоты, с 9-10 до 13-15 Гц, при этом перегрузка в головной части ракеты от этой тряски достигала 2.5g.[1] Для того, чтобы использовать эту ракету для пилотируемых полётов по программе «Джемини», потребовалась дорогостоящая доработка с введением демпферов на трубопроводы для снижения уровня вибраций ниже 0.25g.[5] Аналогичные проблемы на советской ракете «УР-100Н», вредно влияющие на точность стрельбы, были обнаружены с опозданием уже после принятия ракеты на вооружение и решались введением специальных грузов на упругой подвеске.[1]

Сходные проблемы на разных стадиях доводки испытывали ракеты «Юпитер», «Тор» и «Атлас», причем на «Атласе» вибрации с частотой 12Гц наблюдались кратковременно в момент сброса двигателя ускорителя.[8] С аналогичными проблемами столкнулись и французские ракетостроители в собственной ракетной программе, в частности, на ракете «Émeraude».[9]

Колебания представляли большую проблему во время «лунной гонки», когда возросла мощность двигателей и стали строить тяжелые ракеты.[6] В частности, необходимость мер противодействия задержала работы по «Сатурн-5» более чем на полгода. Проблемным был и второй пуск, который предшествовал пилотируемым полётам, «Аполлон-6». Наблюдались отказы двигателей и повреждения силовых элементов на первой ступени, из-за чего цели миссии были достигнуты лишь отчасти[6]. Однако явление не было излечено до конца и опасно проявило себя ещё раз при выведении «Аполлона-13», когда из-за бросков давления аварийно отключался один из двигателей второй ступени.[1][2] Советская лунная ракета «Н-1», в том числе и по этой причине,[10] провалила испытания и вообще не была доведена до работоспособного состояния.[1]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Б.И.Рабинович. Неустойчивость жидкостных ракет и космических аппаратов и некоторые фрагменты истории борьбы с ней. ИКИ РАН. Дата обращения: 4 апреля 2019.
  2. 1 2 Tom Irvine. Apollo 13 Pogo Oscillation (PDF-0.96 Mb). Vibrationdata Newsletter 2–6 (October 2008). Дата обращения: 18 июня 2009.
  3. 1 2 Неустойчивость рабочего процесса // Космонавтика, энциклопедия. — М., 1985. — С. 40.
  4. 1 2 Wernher von Braun. The Perils of Pogo. Дата обращения: 13 марта 2012.
  5. 1 2 3 James M. Grimwood, Barton C. Hacker,Peter J. Vorzimmer. Project Gemini. Technology and Operations. A Chronology. January 1962 through December 1962.. NASA. Дата обращения: 27 января 2021.
  6. 1 2 3 4 Шунейко И. И. Пилотируемые полёты на Луну, конструкция и характеристики Saturn V Apollo, Глава 4-1. / Итоги науки и техники. Ракетостроение. Т. 3. — М., 1973.
  7. Robert Stengel. Launch Vehicle Design: Configurations and Structures (PDF-3.0 Mb). Princeton University. Дата обращения: 18 июня 2009.
  8. 1 2 Fenwick, Jim (Spring 1992). “Pogo”. Threshold. Pratt & Whitney Rocketdyne. Архивировано из оригинала January 13, 2009. Дата обращения September 11, 2009.
  9. William Huon. Ariane, une épopée européenne. — Boulogne-Billancourt. — ISBN 978-2-7268-8709-7.
  10. Die russische Mondrakete N-1 (The Russian moon rocket N-1) (нем.) ?. www.bernd-leitenberger.de. Дата обращения: 17 июня 2014.