小さな振動が大型ロケットを破壊する仕組み

1968 年 4 月 4 日の午前 7 時、アポロ 6 号が発射台から轟音を立てて飛び立った。ロケットが飛行中に激しく振動し、上下に跳ねそうになるまでは、すべて完璧に見えた。いわゆるポゴ効果 (ロケットがホッピングの棒の上で跳ねているような状態) により、宇宙船の重力加速度が増加し、ロケットのフレームが激しく揺れたため、月着陸船のアダプター部分の緩んだ構造パネルが外れた。不規則な打ち上げにより飛行経路も崩れ、宇宙船は計画されていた円軌道ではなく、非常に楕円形の軌道を回ることになった。幸いアポロ 6 号は無人だったが、問題は 1 つのミッションでは解決できなかった。NASA は何年もかけてポゴ問題の解決に取り組んできたが、今度はそれが再び現れ、有人月面ミッションを脅かすことになった。

ポゴとは、正確に言えば、液体燃料ロケットに見られる推力軸の振動反応であり、ロケットの全体構造、さらには搭乗している乗組員に壊滅的な影響を及ぼす可能性があります。

発射台に直立したロケットを想像してください。ロケットが離陸するには、推進剤と酸化剤が燃焼室に流れ込み、十分な圧力で燃焼して、スタック全体を地面から離陸させるのに十分なパワーで燃焼する必要があります。通常は複数の段階を経るこの持続的な反応によって、エンジンが停止する軌道にロケットを乗せる運動量が維持されます。

ロケットが上昇すると、重力加速度がロケットを押し下げ始めます。これは、エレベーターが上昇するときに体重がわずかに増加するのと似ています。この上昇運動により、より多くの推進剤がターボポンプに押し込まれ、圧力が上昇してサージが発生します。これにより、ロケットの速度がわずかに上昇し、その狭窄部にかかる下向きの力が増しますが、流入する燃料に対する背圧も増加します。これによりエンジン圧力が低下し、その結果、より多くの燃料がターボポンプに流れ込み、別のサージが発生する可能性があります。

この自己励起振動は周期的になります。エンジンはロケットの進行方向に合わせて上下に振動し、この振動が、タンクが空になるにつれて変化するロケット構造の共振周波数と一致すると、機体全体が「バウンド」します。このバウンド運動はハードウェアを損傷するだけでなく、コックピットに正と負の重力加速度を交互に発生させます。これに通常の打ち上げに伴う重力加速度が加わると、乗組員は苦痛を伴う危険な乗り心地を体験することになります。

ポゴ問題が最初に顕在化したのは、1962年3月16日、米国空軍が初めてタイタン II ミサイルをテストしたときだった。このミサイルは、NASA がジェミニ計画の打ち上げ用に改修しようとしていたものと同じミサイルである。ミサイルは飛行中に 30 秒間 10 ～ 13 ヘルツで振動し、その振幅は正負約 2.5 g (+/- 2.5 g) に相当した。NASA の調査によると、これらの g 力は宇宙飛行士にとって、特に目、睾丸、脳に苦痛を与えるだけでなく、緊急事態への反応能力を損なう可能性があるという。これはジェミニ計画では許容できないことだった。これらのミッションの宇宙飛行士はマーキュリー計画よりもはるかに積極的な役割を担うため、意識を保って油断できないからである。NASA は、ポゴによる許容可能な g 力の限界を +/- 0.25、つまり重力の 4 分の 1 と設定した。明らかに、ポゴ問題はジェミニ計画が飛行する前に解決しなければならないものだった。

空軍は、タイタン II の所有者として、タイタン II のポゴ効果の原因を正確に突き止めることから始めて、トラブルシューティングに着手しました。

同年 7 月の打ち上げで最初の手がかりが得られた。燃料タンク内の圧力が上昇するとポゴの振幅がわずかに減少し、問題は供給ラインにあることが示唆された。これにより、推進剤と酸化剤の供給ラインの両方に窒素で部分的に加圧されたスタンドパイプを追加して振動を減衰させるという潜在的な解決策が浮かび上がった。しかし、これは結局逆効果となった。この変更を加えた Titan II が 12 月に打ち上げられ、ポゴの振幅が 2 倍になった。

解決されていないポゴ問題は、代替ロケットがなかったため避けられないことだったが、打ち上げの遅れという形でジェミニ計画に打撃を与えた。しかし、継続的なトラブルシューティングにより、最終的に解決策が見つかった。それは、燃料タンクの圧力を高め、酸化剤供給ラインにスタンドパイプを追加し、燃料ラインに機械式アキュムレーターを追加するというものだった。

タイタン ミサイル N-25 にはこれらの修正が組み込まれ、1963 年 11 月 1 日に打ち上げられ、問題は解決したように見えました。ポゴ振動はタイタン II で記録された中で最も低く、ピーク時でも重力の 9 分の 1 に過ぎず、NASA の安全範囲内でした。これにより、NASA はジェミニ打ち上げを進めることになり、10 回の有人ミッションで、目立ったが軽度のポゴ振動を経験した人はわずか数人だけでした。

NASA は、この時点でかなりよく理解されていたポゴ問題は解決済みで、解決策はサターン V ロケットの設計に組み込まれていると考えていました。そのため、アポロ 6 号の打ち上げでポゴ問題が続いたときは、少々ショックでした。このミッションでの振動は、無人のアポロ司令船で +/-0.3 g に相当し、NASA の安全限度を超えていました。繰り返しますが、有人打ち上げの前にポゴ問題を解決する必要がありました。

サターン V の場合、第一段に動力を供給する F-1 エンジンの燃焼室は、飛行中に質量が減少するにつれてロケットの構造と同じ周波数で振動することが知られており、閉ループ フィードバックが促進されてポゴ現象が悪化しました。エンジン設計を変更する時間がなかったため、解決策は、タンク加圧システムからのヘリウム ガスを使用してエンジンの液体酸素プレバルブの空洞を満たし、振動を減衰できる代理アキュムレーターに変えることでした。

この解決策は、次のサターン V 型ロケットの打ち上げ、有人アポロ 8 号ではうまくいきました。しかし、驚くべき事態が待ち受けていました。第 2 段の燃焼が終了する約 50 秒前に、エンジン クラスターが振動し始めたのです。第 2 段の S-II にはポゴ トラブルがありました。振動は乗組員にそれほど強く感じられず、ミッションに支障はありませんでした。アポロ 8 号は 1968 年 12 月に月を周回して地球に帰還しました。しかし、エンジニアたちは、これは解決が必要な重大な問題だと認識していました。

酸化剤タンクの圧力を上げるという最初の解決策はうまくいかなかった。アポロ9号のS-IIは、最大+/- 12 gのポゴ振動を経験したが、幸運にも乗組員は感じなかった。ポゴ問題により月面着陸が遅れるのではないかとの懸念が高まり（これは1969年3月のことであり、NASAにはケネディ大統領の国民に対する約束を果たすのに数か月しか残されていなかった）、エンジニアは回避策を開発し、打ち上げ手順を変更した。これで、中央のJ-2エンジンは、ポゴの最悪の事態を回避するために60〜75秒間停止する。残りの4つのエンジンは、推力の損失を補うために少し長く燃焼する。ちなみに、これはアポロ6号で起こったことと同じだが、中央エンジンの損失はポゴとは無関係である。

この解決策は功を奏し、残りのサターン V 型ロケットの打ち上げでは、打ち上げ中止になるほどの大きな揺れは発生しなかった。ただし、アポロ 13 号では危機一髪の状況が顕著だった。第 2 段の中央エンジンが激しく急速に振動し始め、宇宙船に深刻な損傷を与え、乗組員に危害を加える可能性があったが、無関係の理由で早期に停止し、ミッションは続行された。

NASA が宇宙輸送システムの打ち上げシステムを設計したとき、すぐにポゴ現象に対処しました。スペース シャトルのメイン エンジンのポゴ現象抑制システムでは、酸化剤ターボポンプの吸気ダクトにフランジで接続された、部分的に充填されたガス アキュムレーターを使用しました。その結果、プログラム全体を通じて深刻なポゴ現象は発生しませんでした。

出典: NASA、アポロ6号に関するNSSDC、NASA、NASA、Universe Today、Rocketdyne Magazine (インターネット アーカイブ)、Curtis E. Larsen 著「NASA​​ Experience with Pogo」、David Woods 著「How Apollo Flew to the Moon」。