pogo

El pogo es una condición de resonancia destructiva en la que el empuje del motor de un cohete oscila a una frecuencia que se acopla con los modos estructurales del vehículo o la dinámica del sistema de alimentación de propulsante. El motor quema combustible, la presión cae, el flujo se reduce, el empuje disminuye, la estructura del avión acelera hacia abajo en relación con la columna de escape, el propulsante avanza y acelera de nuevo, la presión aumenta, el empuje alcanza su punto máximo y el ciclo se repite. A diferencia de la vibración aleatoria, el pogo retroalimenta energía en sí mismo; cada ciclo se hace más grande hasta que ocurre una falla estructural.

El fenómeno toma su nombre del juguete pogo stick, que rebota rítmicamente. La metáfora es apropiada: el motor del cohete y el conjunto del tanque de combustible oscilan longitudinalmente a lo largo del eje del vehículo, con una frecuencia que típicamente oscila entre 5 y 15 Hz, dependiendo del volumen del tanque, el diseño del motor y el tipo de propulsante. Los cohetes de combustible líquido son mucho más susceptibles que los cohetes sólidos porque las turbobombas y las líneas de alimentación son más flexibles y pueden resonar con los pulsos de presión del motor. El efecto se encontró seriamente por primera vez durante las pruebas del Saturno V en la década de 1960 y sigue siendo una preocupación crítica de diseño para los vehículos de carga pesada.

La gravedad del pogo depende de la coincidencia entre la frecuencia natural del sistema de propulsante y la inestabilidad de combustión del motor o la frecuencia de cavitación de la bomba. Un motor que quema propano o propulsantes criogénicos puede exhibir pogo de manera diferente a uno que quema combustibles hipergólicos. Los deflectores del tanque, la presión del gas de ullage, el enrutamiento de la línea de alimentación, la impedancia de entrada del motor y el diseño de las palas de la turbobomba influyen en la susceptibilidad. Los ingenieros suprimen el pogo utilizando una gestión de propulsante flexible, placas de orificio en las líneas de alimentación, tanques acumuladores, deflectores anti-oscilación y un ajuste estructural cuidadoso para que ningún modo del motor se alinee con los modos de la estructura del avión.

El pogo aparece en los datos como picos de aceleración de gran amplitud en los acelerómetros longitudinales durante las primeras etapas del vuelo propulsado. Las curvas de empuje muestran una oscilación regular en lugar de un aumento o meseta suaves. En casos extremos, las oscilaciones exceden los límites de carga de diseño de los soportes del motor, las carcasas de las turbobombas y las soldaduras del tanque. El motor principal del transbordador espacial experimentó pogo durante los primeros vuelos hasta que se modificó la geometría interna y se agregaron amortiguadores externos al sistema de soporte estructural.

La prevención siempre es preferible a la cura porque la condición puede desarrollarse rápidamente y la predicción durante el diseño requiere un modelado no lineal detallado de la dinámica de combustión, el chapoteo del propulsante y la respuesta estructural. Los controladores de vuelo no pueden amortiguar una oscilación de pogo activa; el vehículo se estabilizará a medida que se consume el propulsante y cambia la flexibilidad del tanque, o ocurrirá una falla estructural. Los programas de cohetes modernos realizan extensas pruebas en tierra y análisis de dinámica acoplada antes del vuelo para garantizar que los márgenes de pogo sean adecuados en todo el envolvente operativo.