Pogo振動因其振動形態(tài)與玩具“Pogo Stick”相似而得名 可能每位到衛(wèi)星發(fā)射中心現(xiàn)場近距離看過火箭發(fā)射的人都會有一個共同的感受，那就是當火箭開始點火噴流,、騰空而起的一剎那,，方圓幾百米之內(nèi)的地面都在發(fā)生強烈振動…… 這還不算完，當運送載人飛船的火箭的多個發(fā)動機都在工作,，火箭上的振動仍將十分嚴重,。每個發(fā)動機的脈動推力很難確保穩(wěn)定不變，這對整個火箭來說是一個動態(tài)的激勵力,，它能激起全箭的縱向振動,，從而引起Pogo振動。 Pogo振動是運載火箭飛行過程中特有的振動現(xiàn)象,，是箭體結(jié)構(gòu)與推進系統(tǒng)動力學特性耦合而產(chǎn)生的縱向不穩(wěn)定振動,，因其振動形態(tài)與玩具“Pogo Stick”相似而得名。Pogo振動產(chǎn)生的物理過程是輸送管路內(nèi)推進劑的壓力波動引起發(fā)動機推力脈動,，導致箭體結(jié)構(gòu)振動,，進而加劇管路內(nèi)壓力波動，形成正反饋回路引起結(jié)構(gòu)振動放大。 Pogo振動嚴重時,，極有可能導致飛行試驗的失敗,，若振動不很嚴重，雖對火箭結(jié)構(gòu)不形成威脅,，但對箭上儀器,、設備以及航天員的生命安全都極為不利。當玩具其樂無窮,，可這振動放在火箭上就是問題了,。 復雜的世界性航天難題 “事前理論預示難度大、事后解決過程漫長曲折”,。Pogo振動及其抑制涉及推進理論,、流體力學、固體力學,、系統(tǒng)控制等多個學科,，是運載火箭最為復雜的動力學耦合問題，更是名副其實的世界性航天難題,。 盡管世界航天強國從上世紀60年代開始相繼進行了Pogo振動抑制研究,，但由于系統(tǒng)的復雜性，其產(chǎn)生機理尚不明晰,。目前用于描述Pogo振動的數(shù)學模型仍無法揭示結(jié)構(gòu)高階局部振動與推進系統(tǒng)耦合產(chǎn)生的Pogo振動機理,。 美國為了解決大力神II火箭/雙子星座Pogo振動問題，經(jīng)歷了3年攻關(guān),、24發(fā)無人飛行試驗驗證,，但在第5次載人飛行中仍發(fā)生了Pogo振動；美國土星V重型火箭多次發(fā)生Pogo振動,，直到阿波羅載人登月任務結(jié)束仍未徹底解決,。 前蘇聯(lián)N-1火箭第4次飛行試驗由于Pogo振動導致飛行失利，迫使前蘇聯(lián)停止載人登月計劃,。日本H-2火箭盡管前5次連續(xù)飛行成功,，但其第6、7次均由Pogo振動導致飛行失利,，迫使H-2火箭退役加緊研制H-2A火箭,。 我國載人火箭發(fā)生的8Hz振動，曾給首位航天員楊利偉帶來極大的痛苦,，科研人員歷時近10年,，通過多次Pogo振動抑制方案調(diào)整和飛行試驗驗證，最終采用變能量蓄壓器抑制了8Hz的Pogo振動,。但我國長征系列火箭均存在局部,、高階縱向異常振動（以下簡稱局部Pogo振動）問題，其本質(zhì)一直未被揭示，未能采取有效抑制措施,，存在潛在的風險。 Pogo振動研究現(xiàn)狀 由于低頻振動會造成人體內(nèi)臟晃動,，干擾腦電波,，使得航天員語言受阻、四肢運動困難,、決策混亂,，嚴重危害航天員的生命安全，因此載人航天對Pogo振動抑制提出了嚴格的要求,。 美國學者Rubin長期從事Pogo振動理論研究,，是Pogo振動及其研究的創(chuàng)始人。1964年,，Rubin針對大力神II/雙子星座建立了Pogo振動穩(wěn)定性的頻域分析模型,，采用臨界阻尼法，首次定量描述了Pogo振動問題,，此方法僅能考慮到結(jié)構(gòu)與液路一階頻率耦合,，且只適用于串聯(lián)火箭。1992年,，Rubin提出了狀態(tài)空間法描述Pogo振動,，通過求解狀態(tài)空間的特征值問題獲得POGO振動穩(wěn)定性判據(jù)。前蘇聯(lián)學者Pilipenko院士,，1993年結(jié)合發(fā)動機泵氣蝕動力學,，開展了液體火箭發(fā)動機與火箭Pogo振動穩(wěn)定性的研究。歐空局,、日本分別對阿里安IV火箭,、H-II火箭開展了大量的Pogo振動研究。 我國長征系列運載火箭Pogo振動研究始于CZ-3火箭,，由兩彈一星元勛任新民院士提出并首次開展Pogo理論和試驗研究,，采用在一級氧輸送管增加蓄壓器的方法，有效抑制了火箭的一階整體Pogo振動,，并在后續(xù)型號中推廣,但由此引起的局部Pogo振動問題一直未得到有效解決,。 2003年針對首次載人飛行過程中出現(xiàn)的嚴酷的8Hz振動問題以及運載火箭芯級與助推器復雜的模態(tài)特征，劉竹生院士首次提出采用變能蓄壓器進行Pogo振動抑制方案,，有效消除了8Hz振動,。2013年,王小軍針對大型運載火箭復雜時變動力學特征，提出了Pogo振動主被動一體化抑制方案,，以解決Pogo振動的參數(shù)不確定性和敏感性問題,。 更加嚴峻的挑戰(zhàn) 盡管Pogo振動從工程技術(shù)領域提出，但其研究具有重要的科學意義。它推動復雜結(jié)構(gòu)動力學學科發(fā)展,，促進“推進―結(jié)構(gòu)―控制”多學科交叉融合,，構(gòu)建了Pogo振動主被動一體化抑制理論體系。 我國未來重型運載火箭將達到3000噸級的規(guī)模,，火箭結(jié)構(gòu)與推進系統(tǒng)呈現(xiàn)動力學強耦合特征,。 運載火箭規(guī)模增大、構(gòu)型復雜,，Pogo振動機理與抑制更加復雜,。隨著運載火箭技術(shù)的發(fā)展，先進的動力系統(tǒng),、輸送系統(tǒng)等新技術(shù)相繼研制成功并投入使用,，新型動力系統(tǒng)中低溫兩相流動、渦輪泵非線性氣蝕特性,、燃氣系統(tǒng)熵波特性導致動力系統(tǒng)的動態(tài)特性更加復雜,，而且還有可能會在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生局部的動力學耦合。 新技術(shù)引進,，給本未徹底解決的Pogo的機理分析和振動抑制提出了更加嚴峻的挑戰(zhàn),，因此必須加強相關(guān)基礎理論研究，為未來大型運載火箭Pogo振動抑制奠定技術(shù)基礎,。 為我國未來大型載人運載火箭和重型運載火箭研制提供Pogo振動抑制系統(tǒng)解決方案,，確保國家重大航天工程順利實施；為載人空間站和探月三期工程使用的新一代運載火箭Pogo振動抑制方案提供驗證手段,，為Pogo抑制有效性評估提供系統(tǒng)解決方案,；揭示現(xiàn)役運載火箭局部Pogo振動機理，提供解決措施,，改善全箭振動環(huán)境,，提高長征系列運載火箭的品質(zhì)和飛行可靠性。 轉(zhuǎn)自求是理論網(wǎng)-科學普及 |
