微小震动如何损坏大型火箭

1968 年 4 月 4 日早上 7 点，阿波罗 6 号轰隆隆地从发射台上起飞。一切看起来都很完美，直到火箭在飞行中开始剧烈震动，几乎上下弹跳。所谓的弹跳效应（几乎就像火箭在弹簧单高跷上弹跳）增加了航天器的重力，并剧烈震动了火箭的框架，以至于登月舱适配器部分上松散的结构面板脱落。不规则的发射也破坏了飞行路径，导致航天器处于高度椭圆的轨道上，而不是计划的圆形轨道。幸运的是，阿波罗 6 号是无人驾驶的，但问题不止一次。NASA 花了数年时间解决弹跳问题，结果却发现它再次出现，这次威胁到了载人登月任务。

严格来说，Pogo 是液体燃料火箭的推力轴振动响应，它可能对火箭的整个结构乃至机上的机组人员造成毁灭性的影响。

想象一下直立在发射台上的火箭。为了使火箭离开地面，推进剂和氧化剂必须以足够高的压力流入燃烧室，以燃烧产生足够的动力将整个堆离开地面。这种持续的反应通常分为多个阶段，保持动量，将火箭送入轨道，发动机关闭。

随着火箭上升，重力开始向下推；这类似于电梯向上移动时感觉体重略有增加。向上运动会迫使更多推进剂进入涡轮泵，增加压力并引起冲击。这会略微增加火箭的速度，增加其结构的向下力，但也会增加进入燃料的背压。这会降低发动机压力，进而导致更多燃料流入涡轮泵，从而导致另一次冲击。

这种自激振动形成一个循环。发动机随着火箭的飞行方向上下振动，如果这些振动与火箭结构的共振频率相匹配（该频率会随着燃料箱的空转而变化），整个火箭就会“弹跳”。这种弹跳运动不仅会损坏硬件，还会在驾驶舱内产生交替的正负重力。再加上正常发射产生的重力，机组人员可能会经历痛苦且可能危险的飞行。

弹跳问题最早出现在 1962 年 3 月 16 日，当时美国空军首次测试了泰坦二号导弹，NASA 原本打算对这枚导弹进行改装，以发射双子座任务。导弹在飞行过程中振动了 10 到 13 赫兹，持续了半分钟，振幅相当于正负 2.5 个 g（+/-2.5 g）。NASA 的研究表明，这些 g 力不仅会给宇航员带来痛苦——尤其是对他的眼睛、睾丸和大脑——还会削弱他对紧急情况的反应能力。这不是双子座能够承受的；这些任务中的宇航员将比水星任务中的宇航员承担更多主动角色，因此他需要保持清醒和警觉。NASA 将弹跳的可接受 g 力限制设定为 +/-0.25，即重力的四分之一。显然，在双子座任务能够飞行之前，必须解决弹跳问题。

作为泰坦 II 的拥有者，空军着手排除故障，首先要弄清楚是什么原因导致了泰坦 II 出现弹跳效应。

同年 7 月的一次发射给出了第一个线索。燃料箱压力的增加略微降低了 pogo 振幅，表明问题出在供料管线上。这提出了一个可能的解决方案，即在推进剂和氧化剂供料管线中添加部分用氮气加压的立管以减弱振动。但这最终产生了相反的效果。经过这种改进的 Titan II 于 12 月发射，使 pogo 的振幅增加了一倍。

未解决的 pogo 问题对双子座计划造成了影响，导致发射推迟，这是不可避免的，因为没有替代火箭。但持续的故障排除最终找到了解决方案：增加燃料箱压力，在氧化剂进料管线中增加立管，并在燃料管线中增加机械蓄能器。

泰坦导弹 N-25 安装了这些修复装置，并于 1963 年 11 月 1 日发射，问题似乎已得到解决。Pogo 振动是泰坦二号导弹上有史以来最低的一次，峰值仅为重力的九分之一，完全在 NASA 的安全范围内。这让 NASA 得以继续进行双子座发射，在 10 次载人任务中，只有少数几次经历了明显但轻微的 Pogo。

美国宇航局认为，当时人们已经对 pogo 问题有了相当深入的了解，并且已经将其解决方案融入了土星五号火箭的设计中。因此，当 pogo 问题困扰阿波罗 6 号发射时，人们感到有些震惊。这次任务中的振动在无人驾驶的阿波罗指挥舱中转化为 +/-0.3 g，这超过了美国宇航局的安全极限。同样，在载人发射之前必须解决 pogo 问题。

以土星五号为例，众所周知，当火箭在飞行过程中质量减小时，为第一级提供动力的 F-1 发动机的燃烧室会以与火箭结构相同的频率振动，从而引发闭环反馈，使弹跳情况更加严重。由于没有时间深入研究并更改发动机设计中的任何内容，解决方案是使用油箱增压系统中的氦气填充发动机液氧预阀中的空腔，将它们变成可以抑制振动的代理蓄能器。

该解决方案在下一次土星五号发射，即载人阿波罗 8 号上奏效了。但意外发生了。在第二级燃烧结束前约 50 秒，发动机组开始振动。第二级 S-II 出现了弹簧问题。机组人员没有感觉到太强烈的振动，也没有中断任务——阿波罗 8 号于 1968 年 12 月成功绕月飞行，然后返回地球——但工程师们可以看出这是一个需要解决的关键问题。

第一个解决办法是增加氧化剂罐压力，但并没有奏效；阿波罗 9 号的 S-II 经历了峰值为 +/- 12 g 的弹簧弹跳振动，幸运的是，机组人员没有感觉到。工程师们越来越担心弹簧弹跳问题可能会推迟登月——当时是 1969 年 3 月，NASA 只剩下几个月的时间来履行肯尼迪对国家的承诺——他们开发了一种变通解决方案并改变了发射程序。现在，中央 J-2 发动机将关闭 60 到 75 秒，以避免最严重的弹簧弹跳。其余四个发动机将燃烧更长时间以补偿推力损失。顺便说一句，这正是阿波罗 6 号上发生的情况，尽管中央发动机的损失与弹簧弹跳无关。

这个解决方案奏效了，其余的土星五号发射都没有出现足以导致中止的严重弹跳。不过也有一些险些事故，尤其是阿波罗 13 号。第二级的中央发动机开始剧烈快速地振动，可能会严重损坏航天器并伤害机组人员，但它因无关原因提前关闭，任务继续进行。

当 NASA 设计太空运输系统的发射系统时，它立即解决了弹跳问题。航天飞机主发动机中的弹跳抑制系统使用部分充满的气体蓄能器，该蓄能器通过法兰连接到氧化剂涡轮泵的进气管。因此，整个项目期间没有出现严重的弹跳不稳定性。

资料来源：NASA；阿波罗 6 号上的 NSSDC；NASA；NASA；今日宇宙；Rocketdyne 杂志（互联网档案）；Curtis E. Larsen 撰写的《NASA 使用 Pogo 的经历》；David Woods 撰写的《阿波罗如何飞向月球》。