Análisis de pogo en un cohete de combustible líquido

Abstract

La interacción de vibraciones entre el sistema de propulsión y la estructura de un vehículo lanzador puede ser una fuente de inestabilidad dinámica. Desde los días del programa Gemini se han buscado formas para modelar y mitigar este fenómeno potencialmente desastroso, que fue llamado “Pogo”. Estos vehículos alcanzan el empuje necesario a través de la combustión de combustibles sólidos o líquidos en sus motores cohete. En un vehículo con combustible líquido, las bombas impulsan a los propelentes (combustible y oxidante) a través de líneas de alimentación, desde sus tanques de almacenamiento hasta la cámara de combustión del motor. Inevitablemente, los tanques, líneas de alimentación, y el motor vibran durante el despegue y ascenso. Esta vibración hace que se genere una oscilación en el empuje, la cual se transmite a la estructura del vehículo. Por otra parte, las propias aceleraciones que experimenta la estructura a lo largo de la misión se transmiten a las líneas de propulsión. Bajo este contexto, cuando las frecuencias naturales de los 2 subsistemas mencionados (estructura y sistema de propulsión) se encuentran próximas entre sí, las oscilaciones se suceden en un sistema de lazo cerrado (estructura – propulsión). Esto representa una inestabilidad del sistema, y las oscilaciones resultantes pueden llegar a ser extremas, alcanzando picos de presiones de aceleraciones de hasta 30g. En este trabajo se presenta la implementación y resultados de un modelo matemático para la simulación y análisis de este fenómeno. Los elementos considerados y modelados del sistema de propulsión incluyen la salida del tanque de propelente, los conductos, la cámara de combustión y un acumulador anti-pogo para cada línea de alimentación. Los modos puramente estructurales se calculan en forma independiente, considerando las masas de fluido como solidarias al volumen que ocupan (“congeladas”). Para el análisis de acoplamiento se obtiene una matriz representativa de todos los grados de libertad del sistema, incluyendo presiones y desplazamientos del fluido en ambas líneas. Sus autovalores y autovectores generalizados brindan los modos del problema. Se analizan las frecuencias naturales, modos y frecuencias de acoplamiento y posibilidades de amortiguación o supresión de la inestabilidad para un vehículo típico alimentado a combustible líquido con un sistema de presurización por gas inerte, y se evalúa la sensibilidad de las frecuencias de los modos acoplados a los distintos parámetros del sistema. El modelo desarrollado permite prevenir la posibilidad de aparición de inestabilidades en una etapa de diseño y diseñar sistemas pasivos o activos de mitigación del problema.