pogo

Le pogo est une condition de résonance destructive dans laquelle la poussée d'un moteur de fusée oscille à une fréquence qui se couple avec les modes structurels du véhicule ou la dynamique du système d'alimentation en propergol. Le moteur brûle du carburant, la pression chute, le débit diminue, la poussée diminue, la cellule accélère vers le bas par rapport au panache d'échappement, le propergol monte et accélère à nouveau, la pression monte en flèche, la poussée atteint un pic, et le cycle se répète. Contrairement aux vibrations aléatoires, le pogo se réalimente en énergie; chaque cycle s'amplifie jusqu'à ce qu'une défaillance structurelle se produise.

Le phénomène tire son nom du jouet bâton sauteur, qui rebondit rythmiquement. La métaphore est appropriée: le moteur de fusée et l'ensemble du réservoir de carburant oscillent longitudinalement le long de l'axe du véhicule, la fréquence variant généralement de 5 à 15 Hz selon le volume du réservoir, la conception du moteur et le type de propergol. Les fusées à propergol liquide sont beaucoup plus sensibles que les fusées à propergol solide car les turbopompes et les conduites d'alimentation sont plus souples et peuvent résonner avec les impulsions de pression du moteur. L'effet a été rencontré sérieusement pour la première fois lors des essais de Saturn V dans les années 1960 et reste une préoccupation de conception critique pour les véhicules de lancement lourd.

La gravité du pogo dépend de la correspondance entre la fréquence naturelle du système de propergol et l'instabilité de combustion du moteur ou la fréquence de cavitation de la pompe. Un moteur brûlant du propane ou des propergols cryogéniques peut présenter un pogo différemment d'un moteur brûlant des propergols hypergoliques. Les chicanes de réservoir, la pression du gaz d'expansion, l'acheminement des conduites d'alimentation, l'impédance d'entrée du moteur et la conception des aubes de turbopompe influencent tous la susceptibilité. Les ingénieurs suppriment le pogo en utilisant une gestion souple du propergol, des plaques à orifice dans les conduites d'alimentation, des réservoirs accumulateurs, des chicanes anti-ballottement et un réglage structurel minutieux afin qu'aucun mode moteur ne s'aligne avec les modes de la cellule.

Le pogo apparaît dans les données sous forme de pics d'accélération de grande amplitude sur les accéléromètres longitudinaux pendant les premières étapes du vol propulsé. Les courbes de poussée montrent une oscillation régulière plutôt qu'une montée ou un plateau en douceur. Dans les cas extrêmes, les oscillations dépassent les limites de charge de conception des supports moteur, des carters de turbopompe et des soudures de réservoir. Le moteur principal de la navette spatiale a connu le pogo lors des premiers vols jusqu'à ce que la géométrie interne soit modifiée et que des amortisseurs externes soient ajoutés au système de support structurel.

La prévention est toujours préférable à la guérison car la condition peut se développer rapidement et la prédiction pendant la conception nécessite une modélisation non linéaire détaillée de la dynamique de combustion, du ballottement du propergol et de la réponse structurelle. Les contrôleurs de vol ne peuvent pas amortir une oscillation de pogo active; le véhicule se stabilisera soit à mesure que le propergol est consommé et que la conformité du réservoir change, soit une défaillance structurelle se produira. Les programmes de fusées modernes effectuent des essais au sol approfondis et une analyse de la dynamique couplée avant le vol pour s'assurer que les marges de pogo sont adéquates sur toute l'enveloppe opérationnelle.