Der Pogo-Effekt wurde bereits bei den Flügen der Thor-Raketen in den 50er Jahren beobachtet. Seitdem bemühten sich Ingenieure um eine Lösung des Problems. Trotzdem traten immer wieder Pogo-Effekte auf, die zum Teil zu schwerwiegende technische Probleme führten und zum Beispiel beim Start von Apollo 13 zum Abschalten des Mitteltriebwerks der zweiten Saturnstufe führte.
Aber auch andere Raketen, wie Titan, Atlas und Ariane, waren bei den ersten Flügen betroffen.
Es handelt sich bei diesem Effekt um Längsoszillationen der Rakete und des Treibstoffes, die durch Vibrationen der Triebwerke hervorgerufen werden.
Diese Bewegungen ähneln denen des sogenannten Pogo-Sticks, eines in den USA bekannten Freizeitsportgerätes, und erhielten dadurch ihren Namen.
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Der Pogo-Stick selbst erhielt seinen Namen nach einer bekannten Comicfigur des Autors Walt Kelly, dem Opossum "Pogo".
Pogo-Oszillationen entstehen vereinfacht gesagt durch Vibrationen der Triebwerke. Da der Druck in der Brennkammer aus unterschiedlichen Gründen ein wenig schwanken kann, tritt ein Rückstau des zufließenden Treibstoffs auf.
Das verlangsamt den Zufluß des Treibstoffs. Der dadurch verursachte Abfall des Brennkammerdruckes erhöht wiederum den Treibstofffluß.
Indirekte Einflüsse sind der höhere Schub und die höhere Beschleunigung bei höherem Brennkammerdruck.
Sie führen zu größerem hydrostatischem Druck im Treibstofffluß aus den oberhalb der Triebwerke gelegenen Tanks und beschleunigen den Treibstofffluß.
Wenn sich nun die Frequenzen solcher Veränderungen des Treibstoffflusses mit resonanten Schwingungen anderer Strukturen des Shuttle oder einer Rakete überlagern, können sie sich zu potentiell gefährliche Oszillationen aufschaukeln.
Dies kann dann zum Abreißen des Treibstoffflusses zu den Triebwerken, zu Rissen im Tank oder anderen schwerwiegenden Zerstörungen der Raketenstruktur führen.
Die Frequenz dieser Oszillationen ist relativ gering und beträgt nur wenige Hertz (5 - 20 Hz).
Bei Raketen treten die Pogo-Oszillationen auch im Zusammenhang mit dem Verbrauch der Treibstoffe im Flugverlauf auf (sog. Gas-Pogo).
Die Schwingungen der Triebwerke führen bei zunehmender Entleerung der Tanks durch das Schwappen der verbliebenen Treibstoffe zu einer großen Frequenzbreite der Oszillationen und erhöhen die Wahrscheinlichkeit, daß der Pogo-Effekt auftritt.
In der Realität ist es möglich, daß der Pogo-Effekt in verschieden Abschnitten des Flugverlaufes auftreten und wieder verschwinden kann.
Der Pogo-Effekt war den Ingenieuren lange Zeit ein Rätsel. Er wurde bereits bei Flügen der Thor-Raketen und den ersten unbemannten Flügen der Titan-Raketen des Gemini-Projekts beobachtet und führte bei letzteren zu Vibrationen bis zu 5 g mit einer Frequenz von 9 bis 13 Hertz. Damit waren die bemannten Gemini-Flüge nicht durchführbar, da früher durchgeführte Tests ergaben, daß Vibrationen von 2 g sehr schmerzhaft sind. Somit wurde als Obergrenze für bemannte Flüge 0,5 g festgelegt.
Bei späteren Thor-Flügen wurden Instrumente zur Vibrationsmessung installiert. Parallel dazu wurde im April 1961 ein Programm zur Systemanalyse gestartet. Im August 1961 war das Programm beendet und kam zu der überraschenden Schlußfolgerung, daß die Vibrationen ihre Ursache nicht wie vermutet in den Sauerstoffpumpen haben. Vielmehr verursachte die Übereinstimmung der Eigenfrequenz der Versorgungsleitungen der Treibstoffpumpen mit der der Raketenstruktur diese Instabilität. Erstmals wurde die Einführung eines kleinen Akkumulators oberhalb des Pumpeneinlasses vorgeschlagen, der jedoch das Problem verstärkte, was zum vorzeitigen Abschalten eines Triebwerks führte.
Dies hatte neue, ausgedehnte Tests zur Folge. Dabei konnte nun gezeigt werden, daß Treibstoffdruckschwankungen dazu führen können, daß mit der Treibstoffpumpe als Verstärker große Schwankungen des Brennkammerdrucks auftreten. 1963 waren die Studien beendet und Kolbenakkumulatoren sowohl in das Treibstoff- und Oxydatorsystem eingebaut. Diese wurden mit Erfolg geflogen.
Bei späteren Flügen der Atlas-Raketen wurde ein neues Phänomen, das Gas-Pogo, das mit zunehmender Entleerung der Treibstofftanks auftrat, beobachtet. Aber auch der eigentliche Pogo-Effekt trat bei diesen Flügen, wenn auch mit geringer Amplitude, auf.
Bei den Saturn-Raketen der Apollo-Missionen wurde mit der Einspritzung von Helium in den Sauerstoffstrom bei Auftreten von Oszillationen versucht, dem Pogo-Effekt zu begegnen. Erst die Aufladung der Ventilgehäuse mit Helium nach Betanken der Rakete mit Sauerstoff erbrachte dann den gewünschten Erfolg. Ein geringer Heliumfluß unterhielt dann eine Heliumblase im Ventilgehäuse und unterband Pogo. Zumindest in der ersten Raketenstufe, denn in der zweiten trat Pogo wieder auf. So wurde bei jedem Flug der Saturn V der Pogo-Effekt beobachtet und führte zu verschiedenen Veränderungen.
Dann hatte Rocketdyne einen Pogo-Suppressor entwickelt, der kontinuierlich Helium ion den Sauerstoffstrom abließ. Aber Apollo 13 war bereits startbereit. Von einer Umrüstung der Rakete wurde abgesehen. So flog Apollo 13 ohne den neuen Suppressor und prompt traten in der zweiten Raketenstufe plötzlich heftige Oszillationen bis 68 g auf, die zum Abschalten des Mitteltriebwerks der zweiten Saturnstufe führten.
Bei den nächsten Flügen kam dann der Pogo-Suppressor zur Anwendung, wodurch das Problem für die Apollo-Flüge gelöst war.
Zur Vermeidung des Pogo-Effektes besitzen moderne Raketen und die Haupttriebwerke des Space Shuttle einen Pogo-Suppressor.
Das Prinzip beruht auf der Zwischenschaltung eines Dämpfers in den Entstehungszyklus der Schwingungen.
Da der flüssige Sauerstoff eine größere Dichte und weniger komprimierbar ist als Wasserstoff, besitzen die Sauerstoffleitungen der Triebwerke einen solchen Pogo-Suppressor.
Im Wasserstoffsystem ist er dagegen meist nicht erforderlich.
Der Suppressor besteht aus einer gas- und flüssigkeitsgefüllten Kammer, die mit der Sauerstoffleitung verbunden ist. Die wellenartigen Bewegungen drücken den Sauerstoff gegen den Gasdruck in die Kammer hinein. Der Gasdruck drückt ihn bei nachlassendem Druck in der Treibstoffleitung wieder hinaus.
Somit werden kleinere Druckwellen absorbiert. Die erste Resonanzfrequenz der Sauerstoffleitung wird so stark vermindert, daß sie unterhalb der Resonanzfrequenz des Raumfahrzeugs liegt. Oberhalb der Resonanzfrequenz der Raketenstrukturen gelegene Frequenzen bleiben unbeeinträchtigt, da sie keine wesentlichen Effekte hervorrufen.
Quellen:
Henry Spencer
Jim Fenwick: POGO. Threshold. Technical Articles by Boeing Rocketdyne, 1992
letztes Update: 28. Oktober 2004, 22:35:55
