Il Pogo del Saturn V

Il Lancio di Apollo 4

In tre precedenti occasione, nei post dedicati ad Apollo 6, Apollo 13 e alle fasi del lancio di un Saturn V, mi sono marginalmente occupato del problema del Pogo. In questo post proverò ad approfondire l’argomento e a raccontare come questo problema venne affrontato nel Programma Apollo.

Nei razzi a propellente liquido, delle pompe spingono i due componenti della miscela (carburante ed ossidante) nella camera di combustione dei motori tramite una serie di tubature. Inevitabilmente i serbatoi, le tubature e i motori vibrano durante il lancio. Queste vibrazioni causano delle oscillazioni nel flusso di carburante; a sua volta queste causano delle oscillazioni nella spinta generata dal motore. Questa oscillazione nella spinta può a sua volta indurre ulteriori vibrazioni nella struttura del razzo, che vanno ad aumentare le oscillazioni nel flusso dei propellenti e così via in una circolo vizioso che porta ad una instabilità dell’intero sistema e ad oscillazioni longitudinali che possono diventare estreme fino a portare alla distruzione del razzo.

Il Pogo Stick

Gli ingegneri chiamarono questo fenomeno Pogo poichè si trattava di oscillazioni longitudinali e quindi andavano ad ‘allungare e comprimere’ il razzo come un pogo stick, ovvero un trampolo a molla di quelli usati una volta dai bambini.

GEMINI
A dimostrazione del fatto che si tratta di un fenomeno comune ai razzi a propulsione liquida, il Pogo fu causa di grossi problemi nel corso dello sviluppo del razzo Titan per i voli del Programma Gemini. Nei primi voli di test, i Titan svilupparono oscillazioni tra i 10 e i 13 Hz (10 – 13 oscillazioni al secondo). Per capire il problema, tenete presente che una oscillazione di 11 Hz generava sul carico utile del razzo (la capsula) 2.5g di accelerazione in aggiunta a quella già esercitata dalla spinta del razzo. Complessivamente una accelerazione intollerabile per un equipaggio. La NASA aveva bisogno di ridurre al massimo a 0.25g questa accelerazione extra.

Venne ideata una soluzione studiando i modelli matematici del comportamento del motore: aggiungere alle tubature che portavano l’ossidante alla camera di combustione un accumulatore, una piccola cavità riempita di gas col compito di comportarsi come una molla in modo da ridurre le oscillazioni nel flusso e cambiarne la frequenza di risonanza (quello che si definisce un ‘detuning‘). Risultato: un disastro. Nel volo successivo il Pogo si ripresentò, in maniera ancora più drammatica, sottoponendo il carico ad una accelerazione aggiuntiva di 5g!
L’Aerospace, società consulente della Air Force (responsabile per il razzo Titan) specializzata in ricerca e sviluppo nell’ambito aerospaziale, venne incaricata di studiare ulteriormente il problema. E scoprì che non era stato preso in considerazione il fenomeno della cavitazione, ovvero la formazione di bolle d’aria all’interno dei tubi sia del propellente che dell’ossidante. Queste bolle, non di proposito, avevano lo stesso effetto degli accumulatori ed andavano ad annullarsi parzialmente come effetto. Modificando solo le tubature dell’ossidante, ora le oscillazioni del propellente non erano più attenuate e generavano un Pogo più intenso. Vennero applicati accumulatori simili anche sulla tubature del propellente. Risultato: nel volo successivo l’effetto del Pogo venne ridotto a 0.11g. Ampiamente nei limiti richiesti.

L’area del test per la soluzione del problema del pogo alla Michoud Assembly Facility (Boeing)

APOLLO (Saturn V)
Il problema del Pogo si ripresentò nel corso del Programma Apollo e afflisse in maniera critica i primi due stadi del Saturn V, l’S-IC e l’S-II.
Nel primo test all-up del razzo però, la missione Apollo 4, il problema non fu subito evidente. Il Pogo nel corso della missione venne quantificato in 0.1g, di molto inferiore anche al limite massimo di 0.25g di Gemini.

Tutto cambiò drasticamente nel secondo volo di collaudo senza equipaggio del razzo, la missione Apollo 6. Come ricorda Von Braun:

“Il secondo decollo di un Saturn V dal Capo [Cape Kennedy] fu impeccabile. Per 2 minuti tutto sembrava svolgersi come un replica perfetta del precedente volo da manuale. Poi un pò di apprensione fece capolino nel Launch Control Center quando, attorno a T+125 secondi, la telemetria dagli accelerometri indicò l’insorgere di una apparente moderato Pogo.”

Il Pogo iniziò circa 30 secondi dopo il Max Q, il punto di massima pressione dinamica (dettagli nel post dedicato al lancio del Saturn V) e crebbe fino a generare una accelerazione sul CSM che sarebbe stata intollerabile dall’eventuale equipaggio. Le vibrazioni causarono la parziale attivazione dell’Emergency Detection System (il sistema automatico di gestione delle condizioni di abort).
Anche l’SLA venne impattato dal forte Pogo: a T+133 secondi, alcuni pezzi del rivestimento esterno si staccarono. I danni furono rilevati dalla telemetria e filmati dalle telecamere che riprendevano il lancio da alcuni aerei. Nonostante questi danni, l’SLA svolse le sue funzioni senza problemi.

L’accumulatore usato sul Saturn V (photo from Aerospace)

Le successive analisi determinarono le cause del Pogo e suggerirono una soluzione simile a quella già vista per il Titan: utilizzare del gas elio intrappolato nelle pre-valvola di immissione dell’ossidante nella camera di combustione dei motori F-1 come accumulatore (il gas veniva introdotto circa 10 minuti prima del decollo). Venne anche proposto in alternativa di immettere delle bolle in vicinanza dell’uscita dal serbatoio dell’ossidante: seguendo il flusso lungo la tubatura avrebbe ridotto la sua frequenza di risonanza. Venne scelta la prima opzione poichè era quella che richiedeva le modifiche minori allo stadio.

Il motivo per cui nel volo di collaudo precedente il Pogo non fu così forte venne determinato essere il diverso tipo di carico a bordo: mentre Apollo 4 trasportava quello che venne definito “a hunk of junk” (“un pezzo di cianfrusaglia”), Apollo 6 trasportava un modello del LM più realistico come peso e forma. Fu questa diversa distribuzione della massa a rendere evidente il problema.

I test statici vennero effettuati presso la Mississippi Test Facility. Nel corso dell’Agosto 1968 venne dimostrata dagli ingegneri la validità della soluzione. Sulla base della telemetria, la soluzione applicata all’S-IC di Apollo 8 risolse egregiamente il problema come dimostrato nei test. Il Pogo dell’S-IC venne eliminato completamente da quel volo in avanti.

Ma anche il secondo stadio del Saturn V, l’S-II, evidenziò problemi di Pogo. Questa volta limitati al solo motore centrale dello stadio. Apollo 8 e Apollo 9 furono affetti da questo problema. A partire da Apollo 10, per mitigare il problema venne deciso di spegnere in anticipo il motore centrale rispetto agli altri (rimuovendo così la principale fonte delle vibrazioni). Ciononostante il problema continuò a verificarsi. Nel corso di Apollo 12, la vibrazione generò un carico pari a 8g, mettendo in allarme gli ingegneri sulla integrità strutturale dello stadio. In base alle analisi venne determinato che non si sarebbe comunque raggiunto il limite strutturale pari a 15g e quindi non vennero prese ulteriori misure correttive.

Ovviamente quello che non doveva avvenire, avvenne. Nel corso di Apollo 13 (sempre lei!!!), il livello delle vibrazioni arrivò a generare un carico di 34g (!!), causando lo spegnimento immediato (e anticipato) del motore. La struttura mantenne la sua integrità e gli altri 4 motori furono in grado di compensare. A quel punto anche sui motori J-2, che equipaggiavano il secondo stadio, vennero installati degli accumulatori sulle linee degli ossidanti. Rimase comunque la procedura di spegnimento anticipato (90 secondi prima dello spegnimento di tutto lo stadio), anche per limitare l’accelerazione (come per l’S-IC).

Nota finale: lo Shuttle è stato il primo veicolo spaziale americano in cui gli accorgimenti per risolvere il Pogo sono stati applicati prima di effettuare qualsiasi volo di test. Meglio andare sul sicuro🙂

7 Risposte to “Il Pogo del Saturn V”

  1. Jumper the uncle Says:

    Una lezione di ingegneria mista a storia che definirei tra le migliori mai lette.
    Complimenti!

  2. Vittorio Says:

    Tanto per la tranquillità del padrone di casa: non commento, ma leggo! Ma stavolta mi sento in dovere di scrivere che ci hai proposto proprio “Un ottimo articolo!

  3. raghnor Says:

    Jumper, Vittorio, grazie per i complimenti: si fa sempre il possibile per soddisfare i miei 5 lettori. Scusate il ritardo nella risposta ma mi sto riprendendo dalla 3 giorni al seggio (come segretario). Credo che sverrò se mi dovessero chiedere di firmare qualcosa nei prossimi 2-3 giorni🙂

  4. alaskait Says:

    Preciso che i lettori sono 6. Complimenti per la chiarezza di quanto esposto.

  5. raghnor Says:

    Bene bene, questi numeri crescenti fanno bene al mio ego😀
    Grazie dei complimenti.

  6. Avevo letto qualcosa riguardante le oscillazioni pogo su wikipedia, ma devo dire che non è spiegato in modo chiaro ed esauriente come in questo post.

  7. Ti ringrazio. Wikipedia è sempre un buon punto di partenza anche per me, poi però è sempre buona cosa cercare di approfondire. Le sorgenti (in rete e non) abbondano.

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