[0.....f]

Znacie to uczucie gdy lecicie sobie na Księżyc i nagle wasza rakieta wpada w silne rezonansowe oscylacje w osi podłużnej? Nie? To czytajcie!

Dzisiaj o efekcie POGO.

Czym jest efekt POGO, czy też oscylacja POGO? To zjawisko występujące w silnikach rakietowych, które może być ekstremalnie niebezpieczne. Polega na krótkookresowych zmianach ciągu silnika spowodowanych nierównym przepływem paliwa do turbopomp. Małe zaburzenia przepływu występują zawsze i nie są groźne, bo masa rakiety jest ogromna i małe zmiany ciągu są niezauważalne.
Duży problem pojawia się jeśli zmiany te osiągną częstotliwość rezonansową rakiety. Może to spowodować uszkodzenie silnika, lub co gorsza, struktury całej rakiety. Efekt może też być mocno odczuwalny przez załogę.
Z POGO można walczyć na dwa sposoby: rozwiązywać przyczynę (związaną z konstrukcją rakiety lub silnika) albo tłumić oscylacje.

Jak powstaje POGO? Rozważmy taki prosty przypadek:
1) chwilowy wzrost ciśnienia paliwa powoduje większy jego przepływ do turbopompy silnika
2) chwilowo rośnie przyspieszenie co jeszcze bardziej zwiększa dopływ paliwa do silnika
3) jednocześnie zwiększa się ciśnienie zwrotne i ciśnienie w silniku chwilowo spada
4) ponieważ ciśnienie w silniku chwilowo spadło, więcej paliwa może dostać się do silnika - i wracamy do p. 1

Taka analogia: prowadzicie samochód z nogą na gazie i odpiętymi pasami. Wasze ciało jest całkowicie nieruchome. Nagle samochód przyspiesza, więc przesuwacie się w tył fotela, ale jednocześnie noga zsuwa się z pedału gazu. Samochód zwalnia, przesuwając was do przodu fotela, więc bardziej naciskacie na gaz, samochód przyspiesza... I tak dalej.

W nagłówku napisałem o locie na Księżyc, ale oscylacje POGO były znane w NASA już od wczesnych startów rakiet Titan II. Występujące tam POGO powodowało oscylacje wynoszące +2.5g i -2.5g z częstotliwością 13Hz. Problem rozwiązano stosując specjalne tłumiki i podnosząc ciśnienie paliwa, i myślano że jest rozwiązany na dobre.

POGO wróciło podczas misji programu Apollo, np. w bezzałogowej misji Apollo 6, gdzie wibracje silników F-1 (z pierwszego stopnia) spowodowały odpadnięcie fragmentów rakiety. Zaproponowano wykonanie sprytnych tłumików w zaworach rur z ciekłym tlenem, używając ciekłego helu z istniejących w rakiecie zbiorników. Niestabilności przepływu były absorbowane przez hel w przestrzeni widocznej po lewej stronie zaworu na obrazku. Rozwiązanie to jest genialne w swojej prostocie. Schemacik systemu POGO Suppresion dodaję jako zdjęcie do wpisu.

Swoją drogą, można też podejrzeć sposób w jaki NASA wybrała właśnie to rozwiązanie. Oto piękna tabelka z 10 zaproponowanymi rozwiązaniami i kryteriami na podstawie których odrzucano kolejne opcje.

Problemy z POGO pojawiały się nie tylko w silnikach F-1 (1. stopień) ale również J-2 (2. stopień). I tak np. w Apollo 10 środkowy silnik 2. stopnia został automatycznie wyłączony z powodu silnych wibracji. Podobnie stało się w Apollo 13, gdzie silnik wibrował tak gwałtownie (34g) że uległby zniszczeniu gdyby został wyłączony o jeden okres wibracji później. Dodawano kolejne tłumiki w rurach i zaworach aby zmniejszyć problem (nie można było przeprojektować silnika).

Walka z tym zjawiskiem nie należała do prostych i przyjemnych, bo każdy silnik i rakieta różnią się od siebie nieznacznie, a także wynoszą ładunki o innej masie, co wpływa na częstotliwość rezonansową. NASA wynalazła wiele urządzeń mających pomagać w redukcji tych szkodliwych oscylacji.

Problem POGO był jednak tak poważny, że przy projektowaniu wahadłowców (Space Shuttle) NASA postawiła wyraźny warunek: oscylacje muszą zostać wyeliminowane. Po raz pierwszy w historii budowy silnika rakietowego (RS-25 / SSME), urządzenia mające na celu eliminację POGO stały się jego integralną częścią. Specjalny tłumik (skomplikowany rezonator Helmholtza) został umieszczony pomiędzy turbopompami ciekłego tlenu, niskiego i wysokiego ciśnienia. Rozwiązanie okazało się skuteczne - wahadłowce były wolne od oscylacji POGO, które nie wystąpiły podczas żadnej z ponad stu ich misji.

Ot, taka mała ciekawostka która przybliża dlaczego loty w kosmos i projektowanie rakiet jest tak skomplikowanym zadaniem. Łączą się tu duże temperatury, prędkości, ogromne przepływy niebezpiecznych substancji, dynamika płynów, niesamowita ilość ruchomych części, turbopomp, rur, zaworów, i tak dalej.

Dla ciekawych źródła którymi się wspomagałem. Stamtąd pochodzi część historii i wykresy oraz tabelki.
1) Historia POGO opisana przez NASA - pdf
2) Saturn V flight manual - pdf

#nasa #eksploracjakomosu #rakiety #apollo
#gruparatowaniapoziomu #ciekawostki #inzynieria
#fizyka #mechanikaplynow

[0.....f]

Wołam Mirków @dsctom: @2PacShakur: @rpi3: bo chcieliście :)

[Arhus]

@00df00df i to jest kontent

[p.....o]

@00df00df bardzo ciekawa sprawa! Super wpis!

Ale... jak mnie #!$%@?ą te amerykańce z tym PSI.

[Gorion103]

"sprytne tłumiki", no tinypic słabo się otwiera na podglądzie w wykop@android

[Gorion103]

Tabelka

[Gorion103]

Wiele urządzeń

[dealer66611]

Takie info to rozumie

[Depth_Charge]

#gruparatowaniapoziomu

[arct2]

@00df00df: I to jest inżynieria, mechanika, wielkie maszyny, naprężenia, granice plastyczności, rezonansy, te emocje, że jak #!$%@? to zabijesz tym ludzi, i tak dalej, a nie jakieś pierdu pierdu siedzi sobie taki nerd przed komputerem, pisze jakieś i się śmie inżynierem nazywać!
( ͡° ͜ʖ ͡°)

[absyntolut]

@00df00df No cholera, regularnie mi się to dzieje.

[0.....f]

@arct2: o to to dokładnie, albo ciężka fizyczna praca albo tak jak piszesz wielkie maszyny i życie ludzi na włosku, nie jakieś tam klikanie w komputerek.

[0.....f]

@Gorion103: o, dzięki! Imgur miał problemy z uploadem kilka godzin temu i nie miałem jak wrzucić, bo do wpisu można tylko jedno.

[Mattijjah]

@arct2: @00df00df: Tyle tylko, że to, czy ta "kupa złomu i paliwa" doleci tam gdzie ma dolecieć, zależy od kodu... w #!$%@? długiego kodu... Który to sprawia, że rakieta jest czymś więcej niż wybuchową kupą złomu, przełącza człony wtedy kiedy trzeba, odpala silniki wtedy kiedy trzeba, trzyma azymut jaki trzeba i dokonuje pierdyliarda innych operacji przy których człowiek by oszalał od skomplikowania... także tego... Nawet Rosjanie, którzy brylowali w dziedzinie

[Chrystus]

@00df00df: Pierwszy raz o tym efekcie przeczytałem w książce "Wyprawa" Stephena Baxtera. O tym jak i o wielu innych kwestiach technicznych, jak np problem z mechaniką paliwa w zbiornikach.

[Pantokrator]

@00df00df: a czy u Rosjan występowały podobne problemy, a jeśli tak, to jak sobie z nimi radzili?
Rewelacyjny wpis, cieszę się, że na wykopie można się dowiedzieć tak ciekawych rzeczy.

[kwanty]

a czy u Rosjan występowały podobne problemy, a jeśli tak, to jak sobie z nimi radzili?

@Pantokrator: Jak to Rosjanie... Zwiekszli mase rakiety, zeby zmniejszyc czestotliwosc rezonansowa i zastosowali duzo malych silnikow, ktore maja wieksza dynamike zmian przez co uklad nie wpada w rezenas ;-)

Oczywiscie zartuje, wyssalem to z palca, ale gdyby Ruscy tak to zrobili to bym sie nie dziwil... oni przedkladali silowe rozwiazania nad wyrafinowane (oczywiscie tak dlugo

[arct2]

@Mattijjah: przecież ja sobie jaja robię xd

[0.....f]

@Pantokrator: podejrzewam że mieli takie problemy ale trudno coś znaleźć bo zza żelaznej kurtyny nie wydostawało się wiele informacji, ZSSR nie dzieliło się też informacjami o problemach czy porażkach. Na pewno rakietą N-1 miała problemy z POGO.
@Mattijjah: przeciez to był żart :) nikt tu nie zaprzecza że kod jest wazny, sam jestem programista. Kiedyś ktoś na wykopie napisał post w stylu "tylko fizyczna praca" i od tego się to

[b.....w]

@00df00df: czy ty jestes mechanikiem rakietowym? daj namiary na jakąś robote, chetnie sie przyucze :D

[0.....f]

@beomisuaw: nie, jestem programistą i nie mam nic wspólnego z mechaniką rakietową :D
astronomia, rakiety i eksploracja kosmosu to tylko takie hobby :) ale jakbym nie pisał kodu to pewnie bym robił coś z silnikami rakietowymi ;)