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日志

 
 

运载火箭的Pogo振动  

2014-08-13 14:41:07|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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运载火箭的Pogo振动 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

    可能每位到卫星发射中心现场近距离看过火箭发射的人都会有一个共同的感受,那就是当火箭开始点火喷流、腾空而起的一刹那,方圆几百米之内的地面都在发生强烈振动。这还不算完,当火箭的多个发动机都在工作,火箭上的振动仍将十分严重。每个发动机的脉动推力很难确保稳定不变,这对整个火箭来说是一个动态的激励力,它能激起全箭的纵向振动,从而引起Pogo振动。
    Pogo振动是运载火箭飞行过程中特有的振动现象,是箭体结构与推进系统动力学特性耦合而产生的纵向不稳定振动,因其振动形态与玩具“Pogo Stick”相似而得名。Pogo振动产生的物理过程是输送管路内推进剂的压力波动引起发动机推力脉动,导致箭体结构振动,进而加剧管路内压力波动,形成正反馈回路引起结构振动放大。
    Pogo振动严重时,极有可能导致飞行试验的失败,若振动不很严重,虽对火箭结构不形成威胁,但对箭上仪器、设备以及航天员的生命安全都极为不利。当玩具其乐无穷,可这振动放在火箭上就是问题了。

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复杂的世界性航天难题

    “事前理论预示难度大、事后解决过程漫长曲折”。Pogo振动及其抑制涉及推进理论、流体力学、固体力学、系统控制等多个学科,是运载火箭最为复杂的动力学耦合问题,更是名副其实的世界性航天难题。
    尽管世界航天强国从上世纪60年代开始相继进行了Pogo振动抑制研究,但由于系统的复杂性,其产生机理尚不明晰。目前用于描述Pogo振动的数学模型仍无法揭示结构高阶局部振动与推进系统耦合产生的Pogo振动机理。
    美国为了解决大力神II火箭/双子星座Pogo振动问题,经历了3年攻关、24发无人飞行试验验证,但在第5次载人飞行中仍发生了Pogo振动;美国土星V重型火箭多次发生Pogo振动,直到阿波罗载人登月任务结束仍未彻底解决。
    前苏联N-1火箭第4次飞行试验由于Pogo振动导致飞行失利,迫使前苏联停止载人登月计划。日本H-2火箭尽管前5次连续飞行成功,但其第6、7次均由Pogo振动导致飞行失利,迫使H-2火箭退役加紧研制H-2A火箭。
    我国载人火箭发生的8Hz振动,曾给首位航天员杨利伟带来极大的痛苦。科研人员历时近10年,通过多次Pogo振动抑制方案调整和飞行试验验证,最终采用变能量蓄压器抑制了8Hz的Pogo振动。但我国长征系列火箭均存在局部、高阶纵向异常振动(以下简称局部Pogo振动)问题,其本质一直未被揭示,未能采取有效抑制措施,存在潜在的风险。

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杨利伟在自传《天地九重》中写到:“在火箭上升到三四十公里高度时,火箭和飞船开始急剧抖动,产生了共振,这让我感到非常痛苦。随着时间的推移,痛苦的感觉越来越强烈,五腑六脏都要碎了,心里觉得自己快不行了,要承受不住了…….共振持续26 s后慢慢减轻,当从这种痛苦的状态解脱出来后,我感觉到从未有过的轻松和舒服,如同一次重生。但在痛苦的极点时,就在刚才短短一刹那,我真的以为自己要牺牲了。

 Pogo振动研究现状

    由于低频振动会造成人体内脏晃动,干扰脑电波,使得航天员语言受阻、四肢运动困难、决策混乱,严重危害航天员的生命安全,因此载人航天对Pogo振动抑制提出了严格的要求。
    美国学者Rubin长期从事Pogo振动理论研究,是Pogo振动及其研究的创始人。1964年,Rubin针对大力神II/双子星座建立了Pogo振动稳定性的频域分析模型,采用临界阻尼法,首次定量描述了Pogo振动问题,此方法仅能考虑到结构与液路一阶频率耦合,且只适用于串联火箭。1992年,Rubin提出了状态空间法描述Pogo振动,通过求解状态空间的特征值问题获得POGO振动稳定性判据。前苏联学者Pilipenko院士,1993年结合发动机泵气蚀动力学,开展了液体火箭发动机与火箭Pogo振动稳定性的研究。欧空局、日本分别对阿里安IV火箭、H-II火箭开展了大量的Pogo振动研究。
    我国长征系列运载火箭Pogo振动研究始于CZ-3火箭,由两弹一星元勋任新民院士提出并首次开展Pogo理论和试验研究,采用在一级氧输送管增加蓄压器的方法,有效抑制了火箭的一阶整体Pogo振动,并在后续型号中推广,但由此引起的局部Pogo振动问题一直未得到有效解决。
    2003年针对首次载人飞行过程中出现的严酷的8Hz振动问题以及运载火箭芯级与助推器复杂的模态特征,刘竹生院士首次提出采用变能蓄压器进行Pogo振动抑制方案,有效消除了8Hz振动。2013年,王小军针对大型运载火箭复杂时变动力学特征,提出了Pogo振动主被动一体化抑制方案,以解决Pogo振动的参数不确定性和敏感性问题。

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更加严峻的挑战

    尽管Pogo振动从工程技术领域提出,但其研究具有重要的科学意义。它推动复杂结构动力学学科发展,促进“推进—结构—控制”多学科交叉融合,构建了Pogo振动主被动一体化抑制理论体系。
    我国未来重型运载火箭将达到3000吨级的规模,火箭结构与推进系统呈现动力学强耦合特征。
    运载火箭规模增大、构型复杂,Pogo振动机理与抑制更加复杂。随着运载火箭技术的发展,先进的动力系统、输送系统等新技术相继研制成功并投入使用,新型动力系统中低温两相流动、涡轮泵非线性气蚀特性、燃气系统熵波特性导致动力系统的动态特性更加复杂,而且还有可能会在系统内部产生局部的动力学耦合。
    新技术引进,给本未彻底解决的Pogo的机理分析和振动抑制提出了更加严峻的挑战,因此必须加强相关基础理论研究,为未来大型运载火箭Pogo振动抑制奠定技术基础。
    为我国未来大型载人运载火箭和重型运载火箭研制提供Pogo振动抑制系统解决方案,确保国家重大航天工程顺利实施;为载人空间站和探月三期工程使用的新一代运载火箭Pogo振动抑制方案提供验证手段,为Pogo抑制有效性评估提供系统解决方案;揭示现役运载火箭局部Pogo振动机理,提供解决措施,改善全箭振动环境,提高长征系列运载火箭的品质和飞行可靠性。

作者:王小军 谷立祥 潘忠文(北京宇航系统工程研究所)
原载《科技日报》2014年2月14日第六版

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