Här beskriver jag pogo-oscillationer, våldsamma vibrationer i raketer som kan få
förödande följder.
Pogo-oscillationer
Pogo-oscillationer är oscillationer, d.v.s. vibrationer eller kraftiga skakningar i
en rymdrakets längdriktning. Pogo-oscillationerna kommer sig av att raketkroppen
kommer i resonans med variationer i motorernas dragkraft.
Benämningen pogo-oscillationer kommer från leksaken hoppstylta, vilken på
engelska kallas "pogo stick". En hoppstylta är en lång käpp med fotstöd, i botten
sitter en kraftig fjäder. Fjädern gör att man när man står på hoppstyltan kan hoppa
eller studsa fram genom att fjädern trycks ihop när man landar och därefter skjuter
iväg hoppstyltan upp i luften igen. Detta studsande liknar de oscillationer som
raketer kan utsättas för, och därför uppkom benämningen "pogo-oscillationer".
Hur uppstår pogo-oscillationer?
Upphovet är som nämnts resonanser i raketkroppen som gör att kraftiga vibrationer
uppstår när hela raketkroppen kommer i självsvängning. Det är regelbundna variationer
i dragkraften hos raketens motor(er) som fortplantas i raketkroppen, och om frekvensen
på variationerna stämmer med resonansfrekvensen hos raketen, så kan pogo-oscillationer
uppstå.
Det farliga är när det sker en förstärkande återkoppling från raketens rörelser till
motorns dragkraft. Detta sker ofta genom att tryck och flöde i bränsleledningar
påverkas av oscillationerna.
Om och när en sådan förstärkande återkoppling uppstår, så kan vibrationerna bli
så kraftiga att hela raketen skakar sönder.
Varför är problemet så svårt?
Byggnadskonstruktörer och andra som arbetar med vibrationer i stora konstruktioner har
sedan gammalt känt till problemet med resonansfrekvenser och har också känt till att
lösningen är att man ser till att olika delar av en konstruktion har olika
resonansfrekvenser så att inte man råkar ut för farliga självsvängningar. Problemet
borde gå att lösa?
Ja, men problemet blir svårare i en raket än i statiska konstruktioner på marken.
Resonansfrekvensen i en raketkropp beror bland annat på massan ("vikten") av
raketkroppen. En stor raket består till största delen av bränsle av vilket
en stor del bränns upp i början av färden. Ett stort exempel är Saturn V-raketen,
där raketen förlorade 70 procent av sin massa under de första 2,5 minuterna när
första stegets bränsle konsumerades.
Detta gör att resonansfrekvensen hos raketkroppen ändras under färden, allteftersom
bränslet konsumeras. Det blir alltså svårare att undvika att det inte någon gång
under färden kan uppstå resonanser.
Exempel på raketer som drabbats av pogo-oscillationer
Pogo-oscillationer drabbade många tidiga raketer, även om de mest kända exemplen
finns bland de största raketerna.
En "liten" raket som hade stora problem med pogo-oscillationer var Titan II när den
skulle användas som bärraket i Gemini-programmet. Amerikanska flygvapnet hade
godkänt Titan II som bärraket för kärnvapen, och då satt en gräns för hur mycket
pogo-oscillationer man kunde tolerera. Titan II klarade dessa krav men inte med
stora marginaler.
NASA skulle sedan ha en modifierad Titan II för bemannade uppskjutningar, denna
variant kallades Titan-GLV, där GLV stod för "Gemini Launch Vehicle". Gränsen för
vilka pogo-oscillationer som tolererades var då betydligt snävare, omkring en
tredjedel av vad flygvapnet tolererade för att skjuta upp kärnvapen.
Tillverkaren och NASA fick stora problem med att få bukt med pogo-oscillationerna
för Titan-GLV. Man gjorde ett antal provuppskjutningar där man testade olika
sätt att dämpa oscillationerna. Det som var bra med detta var att man kom att
förstå problemet lite bättre, vilket var bra när man senare fick problem med de stora
raketerna.
Saturn V-raketen hade problem med pogo-oscillationer. Båda de första stegen hade
en tendens att skapa pogo-oscillationer.
Som nämns på sidan om Apollo 6 så drabbades
första steget i Apollo 6 av så svåra pogo-oscillationer att saker i både det andra och
det tredje steget skakade sönder.
Apollo 13 drabbades av pogo-oscillationer i andra
steget, vilket gjorde att mittenmotorn i andra steget stängdes ner två minuter i förtid.
Båda dessa steg hade likadana svagheter i konstruktionen, vilka bidrog till problemet.
Båda stegen hade fem motorer som satt i form av ett kors med en motor i mitten.
Mittenmotorn var monterad i centrum på ett kryss av balkar, och den satt därmed
mer elastiskt monterad än sidomotorerna, vilka satt stabilare monterade intill stegets sidovägg.
Båda stegens mittmotorer hade alltså en tendens att oscillera i längsled, vilket
påverkade bränsletillförseln. Om frekvensen för dessa oscillationer matchade
resonansfrekvensen hos flygkroppen, så var pogo-oscillationen ett faktum.
En annan stor raket som led av problem med pogo-oscillationer var den
sovjetiska N-1-raketen, den stora
raket som skulle bära sovjetiska kosmonauter till månen. Den första uppskjutningen
av en N-1-raket misslyckades på grund av pogo-oscillationer.
Vad kan man göra för att minska risken?
Som nämnts varierar raketens resonansfrekvens med tiden, så det är svårt att hitta
frekvenser som är "säkra". I såväl Titan-GLV-fallet som Saturn V-fallet angrep
man istället problemet genom att stabilisera bränsletillförseln till motorerna. Ju mindre
variationer det finns i motorernas dragkraft, och ju mindre som eventuella oscillationer
kan påverka variationen i dragkraften, desto mindre risk är det att raketen råkar i
våldsam självsvängning.
Man gjorde även punktåtgärder för att hantera kända problem. I Saturn V-raketen
stängde man ner mittenmotorn både i det första och det andra steget tidigare än
övriga motorer i respektive steg. För det första steget var huvudorsaken att begränsa
första stegets dragkraft, men för det andra steget var huvudorsaken just att undvika de
pogo-oscillationer som man visste kunde uppstå mot slutet av stegets brinntid.
