ポゴ振動

ポゴ振動は、液体燃料ロケットエンジンの燃焼不安定性によって引き起こされる自己励起振動である。^[1] 不安定な燃焼によりエンジン推力が変動し、機体の柔軟な構造の加速度が変動し、推進剤の圧力と流量が変動して自己励起サイクルが閉じる。この名前は、縦方向の振動をホッピングの跳ね返りに例えた比喩である。ポゴ振動は機体のフレームにストレスを与え、ひどい場合には危険となる可能性がある。^[1]

起源

NASA有人宇宙飛行担当次官ジョージ・ミューラー氏は議会公聴会でアポロ6号のポゴ振動について次のように説明した。

ポゴ現象は、基本的にエンジンの推力変動によって発生します。これはエンジンの正常な特性です。すべてのエンジンの出力には、燃焼が均一ではないため、いわゆるノイズが発生します。そのため、第 1 段の推力の変動は、すべてのエンジン燃焼の正常な特性です。
次に、燃料はパイプを通ってエンジンに送られ、タンクから燃料が取り出されてエンジンに送られます。このパイプの長さはオルガンのパイプと同じような長さで、独自の共振周波数を持ち、オルガンのパイプと同じように振動することになります。
車両の構造は音叉によく似ており、正しく叩くと縦方向に上下に振動します。大まかに言えば、車両の振動を引き起こすのはさまざまな周波数の相互作用です。^[2]

一般的に、ポゴ振動は燃焼室圧力の急上昇によりエンジンに流入する燃料に対する背圧が上昇したときに発生します。これにより燃料流量が減少し、燃焼室圧力が低下します。燃焼室圧力の低下によりポンプの背圧が低下し、より多くの燃料が流入してサイクルが繰り返されます。このように、ポゴ振動が発生しているロケットエンジンは、概念的にはパルスジェットエンジンまたはパルスデトネーションエンジンのように動作しています。パルスサイクルがロケットの共振周波数と一致すると、正のフィードバックによって危険な振動が発生する可能性があり、極端な場合には機体がバラバラになる可能性があります。燃料圧力の変動を引き起こす可能性のある他の状況には、燃料パイプの屈曲などがあります。^[3]^[4]

ポゴ振動はタイタン II の第 1 段の開発中に問題となり、ジェミニ計画でのロケットの有人搭乗が遅れた。サターン V の第 1 段 ( S-IC ) は、アポロ 6 号の飛行中に深刻なポゴ振動を経験し、その上にある S-II 段と S-IVB 段に損傷を与え、乗組員を乗せていた場合はおそらく打ち上げ中止となっていただろう。第 2 段 ( S-II ) は他の飛行ではそれほど激しいポゴ振動は発生しなかった。アポロ 13 号の上昇中の振動により、中央エンジンが予定より約 2 分早く停止した。推力の損失は、第 2 段と第 3 段の燃焼時間を長くすることで補われた。

危険

振動を放置すると、故障につながる可能性がある。 1970年のアポロ13号月面ミッションで、第2段S-IIの中央のJ-2エンジンで1つの事例が発生した。この場合は、振動が車両に損傷を与える前にエンジンが停止した。^[1] このミッションでのその後の出来事（2日後に酸素タンクが爆発）がポゴ問題に影を落とした。ポゴは、1968年の無人アポロ6号テスト飛行の第1段 S-ICでも経験されていた。 ^[5]ソ連のN1-L3ロケットテスト飛行の1つでは、1969年2月21日に第1段でポゴ振動が発生した。打ち上げ車両は最初のエンジンカットオフに達したが、打ち上げから107秒後に爆発して空中分解した。^[6] 1950年代と1960年代の無人打ち上げでも、ポゴ効果により壊滅的な打ち上げ失敗を招いた事例がある。例えば、1958年9月と10月に打ち上げられたソ連初の月面探査機ルナE-1号とルナE-1号2号などである。 ^[7]^{: 440–446}

現代の振動解析法では、ポゴ振動を考慮し、機体の共振周波数から遠く離れていることを確認できます。抑制方法には、推進剤ラインの減衰機構またはベローズが含まれます。スペースシャトルのメインエンジンには、 LOXラインにダンパーがありましたが、^[4]水素燃料ラインにはダンパーがありませんでした。

参照

スロッシュダイナミクス

参考文献

^ abc Tom Irvine (2008年10月). 「アポロ13号のポゴ振動」(PDF-0.96 Mb) . Vibrationdata Newsletter . pp. 2–6 . 2009年6月18日閲覧。
^ ベンソン、チャールズ・D.、ファハティ、ウィリアム・バーナビー（1978年）。「2つのエンジンが停止しているが、まだ稼働中」。ムーンポート：アポロ打ち上げ施設と運用の歴史。NASA。NASA SP-4204。2008年1月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年9月27日閲覧。第20-3章。
^ Robert Stengel. 「Launch Vehicle Design: Configurations and Structures」（PDF-3.0 Mb） .プリンストン大学. 2009年6月18日閲覧。
^ ab Fenwick, Jim (1992年春)。「Pogo」。Threshold。Pratt & Whitney Rocketdyne。2009年1月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年9月11日閲覧。{{cite journal}}: CS1 メンテナンス: 不適切 URL (リンク)
^ Curtis E. Larsen. 「NASA の有人宇宙飛行車両における Pogo の経験」(PDF) . NASA . 2012 年6 月 26 日閲覧。
^ “Die russische Mondrakete N-1 (ロシアの月ロケット N-1)”. www.bernd-leitenberger.de (ドイツ語) 。2014 年6 月 17 日に取得。
^ Boris Chertok (2006). 「ロケットと人々、第2巻：ロケット産業の創出」（PDF）。NASA 。 2021年2月18日閲覧。

外部リンク

Sci.space.shuttle ニュースグループでの pogo に関する議論
ポゴサプレッサーを含むフレキシブル推進剤ラインに関する NASA 技術論文

[Vibrationdata-1] Tom Irvine (2008年10月). 「アポロ13号のポゴ振動」(PDF-0.96 Mb) . Vibrationdata Newsletter . pp. 2–6 . 2009年6月18日閲覧。

[moonport_6a-2] ベンソン、チャールズ・D.、ファハティ、ウィリアム・バーナビー（1978年）。「2つのエンジンが停止しているが、まだ稼働中」。ムーンポート：アポロ打ち上げ施設と運用の歴史。NASA。NASA SP-4204。2008年1月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年9月27日閲覧。第20-3章。

[prince-lvdesign-3] Robert Stengel. 「Launch Vehicle Design: Configurations and Structures」（PDF-3.0 Mb） .プリンストン大学. 2009年6月18日閲覧。

[threshold-pogo-4] Fenwick, Jim (1992年春)。「Pogo」。Threshold。Pratt & Whitney Rocketdyne。2009年1月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年9月11日閲覧。{{cite journal}}: CS1 メンテナンス: 不適切 URL (リンク)

[nasa-pogo-hsv-5] Curtis E. Larsen. 「NASA の有人宇宙飛行車両における Pogo の経験」(PDF) . NASA . 2012 年6 月 26 日閲覧。

[German-6] “Die russische Mondrakete N-1 (ロシアの月ロケット N-1)”. www.bernd-leitenberger.de (ドイツ語) 。2014 年6 月 17 日に取得。

[7] Boris Chertok (2006). 「ロケットと人々、第2巻：ロケット産業の創出」（PDF）。NASA 。 2021年2月18日閲覧。