Super Heavy/Starship (B14/S35) – девятый испытательный полет – Starbase,TX – 27.05.2025 23:38 UTC – авария

[Алексей 1-й]

Где то я видел спец перегородки с отверстиями в топливных баках от таких вещей. Вот «забыл» только ). 
А что , их не было разве таких огромных баках этого изделия? Р

[Штуцер]

Где то я видел спец перегородки с отверстиями в топливных баках от таких вещей. Вот «забыл» только ). 

Это ДРУГОЕ. Совсем. 

[Штуцер]

Мне ещё интересно, как рулевые двигатели в полете. Похоже тоже создают колебания. В баках и в магистралях больших диаметров поперечные колебания возникают?

Это колебания в поперечном направлении. Точнее даже не колебания, а отклонения.
И обратная связь с затуханием. Научились давно уже.

[cross-track]

там и блох нет, движение центра масс системы определяется только и исключительно действием внешних сил, никакие внутренние взаимодействия и перемещения элементов системы / колебания на его положение не могут оказывать влияние, это фундаментальный принцип

Повнимательнее. Тяга двигателя это внешняя или внутренняя сила? А ведь это она определяет и движение ц.м. и вызывает колебания Пого.

Тяга двигателя - это внешняя сила, которая обусловлена реакцией на отбрасываемые двигателем газы. Сам двигатель как железо относится к замкнутой внутренней системе, а вот отбрасываемые газы не принадлежат этой внутренней системе с того момента, когда они передали свой импульс этой системе.
Так что ExDi  написал всё аккуратно по поводу движения центра масс замкнутой системы, когда она находится в свободном полёте.

[Старый]

Так что ExDi  написал всё аккуратно по поводу движения центра масс замкнутой системы, когда она находится в свободном полёте.

Если тяга двигателя - внешняя сила то колебания ц.м. вполне могут быть. И именно тяга двигателя вызывает колебания Пого. 

[ExDi]

Тяга двигателя - это внешняя сила, которая обусловлена реакцией на отбрасываемые двигателем газы. Сам двигатель как железо относится к замкнутой внутренней системе, а вот отбрасываемые газы не принадлежат этой внутренней системе с того момента, когда они передали свой импульс этой системе.

да, все именно так; истекающие газы с момента покидания сопла кинематически не связаны с ракетой, и не оказывают влияние на распределение масс. сила тяги - внешняя вынуждающая сила, можно рассматривать колебательные движения ракеты как целого и ее центра масс под воздействием оной - но это никак не отменяет того, что собственно внутренние колебания, которые нас интересуют и которые могут получать энергию в т.ч. от внешней вынуждающей силы, по-прежнему могут/будут происходить относительно центра масс ракеты, не влияя на его движение, в соответствии с базовой теоремой кинематики о движении центра масс

[Feol]

По результатам экспериментов с РД-270 поняли, что это невозможно. Американцы пришли к тому же выводу.

Собственно, задача успешно решена дважды.

Эээ
Либо крестик, либо трусы
В смысле - либо невозможно, либо успешно решена.

Имелось ввиду, что пришли к выводу, что без активного регулирования внешним контуром с электронным вычислителем - невозможно.

А с использованием оного 2 раза решено успешно. Вопрос только, не целесообразнее ли обойтись. В РД-0120 после долгих споров решили обойтись и по характеристикам вполне приемлемо получилось. Правда, да, оценка без значительного налёта РД-0120 и неизвестно о сравнительной себестоимости РД-0120 и SSME.

[Дмитрий В.]

У РД-0120 насосы на одном валу были

Все таки у РД-0120 история применения очень короткая. А проблема синхронизации современной быстродействующей электроникой решается, как можно подумать по результатам запусков.

Не, ну можно редуктор поставить

[Старый]

Имелось ввиду, что пришли к выводу, что без активного регулирования внешним контуром с электронным вычислителем - невозможно.

Ставят демпфер в линии топлива, он не пропускает колебания давления топлива к двигателю и колебательный контур разрывается. А активное подавление колебаний системой управления в т.ч. двигателя практически невозможно. 

[torazurey]

1. Физическая сущность и механизм возникновения «пого»
В основе «пого» лежит взаимодействие нескольких динамических подсистем:

• Конструкция ракеты: Обладает набором собственных частот и форм продольных, изгибных и крутильных колебаний. Для «пого» наиболее значимы продольные моды, так как они непосредственно связаны с осевыми нагрузками от двигательной установки.
• Топливные магистрали и баки: Жидкость в трубопроводах и баках имеет свои собственные частоты гидродинамических (включая акустические) колебаний. Давление и расход компонентов топлива в магистралях могут осциллировать.
• Насосные агрегаты (ТНА): Характеристики ТНА (напор, расход) могут зависеть от давления на входе и выходе, а также от оборотов, которые, в свою очередь, могут быть подвержены влиянию колебаний. Кавитационные явления в насосах могут играть существенную роль в модуляции потока.
• Камера сгорания (КС) ЖРД: Процесс горения чувствителен к пульсациям расхода компонентов топлива. Изменение расхода приводит к изменению давления в КС и, следовательно, к изменению тяги двигателя. Эта связь часто характеризуется комплексной передаточной функцией или временной задержкой.

Механизм обратной связи:
Цикл «пого» можно представить следующим образом:

• Случайное или вынужденное (например, от работы рулевых машин, аэродинамических нагрузок) продольное колебание конструкции ракеты.
• Это колебание вызывает инерционные силы в столбах жидкости в топливных баках и магистралях, приводя к пульсациям давления и расхода компонентов топлива на входе в ТНА и далее в КС.
• Пульсации расхода компонентов топлива вызывают соответствующие пульсации тяги ЖРД.
• Если фаза этих пульсаций тяги такова, что они усиливают исходные колебания конструкции (т.е. действуют синфазно со скоростью колебательного движения или с небольшим опережением), и если энергия, вносимая в систему пульсациями тяги, превышает энергию, диссипируемую за счет демпфирования в конструкции и гидросистеме, то амплитуда колебаний начинает нарастать. Возникают автоколебания.

Опасность «пого» заключается в том, что резонансное нарастание амплитуды колебаний может привести к знакопеременным нагрузкам, значительно превышающим расчетные, вызывая усталостное разрушение элементов конструкции, обрыв трубопроводов, отказ двигателей и, в конечном итоге, разрушение ракеты. Типичные частоты «пого» лежат в диапазоне от единиц до нескольких десятков Герц.

2. Математическое моделирование «пого»
Анализ «пого» требует построения сложной связанной математической модели, включающей:

• Уравнения динамики конструкции: Обычно используются методы модального анализа. Движение конструкции описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений для обобщенных координат, соответствующих собственным формам колебаний:
   Miq¨i(t)+Ciq˙i(t)+Kiqi(t)=Fi,thrust(t)+Fi,ext(t)M_i \ddot{q}_i(t) + C_i \dot{q}_i(t) + K_i q_i(t) = F_{i,thrust}(t) + F_{i,ext}(t)Miq¨i(t)+Ciq˙i(t)+Kiqi(t)=Fi,thrust(t)+Fi,ext(t)
   где qiq_iqi – обобщенная координата i-й моды, Mi,Ci,KiM_i, C_i, K_iMi,Ci,Ki – обобщенные масса, демпфирование и жесткость i-й моды, Fi,thrust(t)F_{i,thrust}(t)Fi,thrust(t) – обобщенная сила от пульсаций тяги, Fi,ext(t)F_{i,ext}(t)Fi,ext(t) – другие внешние обобщенные силы.

https://ru.paste.pics/7c31f980c92c9e6d4784a9e171cba919

• Уравнения гидродинамики топливных систем: Для описания волновых процессов в трубопроводах могут использоваться уравнения акустики (волновое уравнение для давления PPP и скорости потока uuu) или их конечномерные аппроксимации. Для сосредоточенных элементов (баки, насосы, клапаны, демпферы) используются алгебраические или дифференциальные соотношения, связывающие давления и расходы. Например, для участка трубопровода:
   ∂P∂t+ρc2∂u∂x=0\frac{\partial P}{\partial t} + \rho c^2 \frac{\partial u}{\partial x} = 0∂t∂P+ρc2∂x∂u=0
   ρ∂u∂t+∂P∂x+Rhu∣u∣=0\rho \frac{\partial u}{\partial t} + \frac{\partial P}{\partial x} + R_h u |u| = 0ρ∂t∂u+∂x∂P+Rhu∣u∣=0
   где ρ\rhoρ – плотность, ccc – скорость звука в жидкости, RhR_hRh – гидравлическое сопротивление.
• Модель двигателя: Связывает пульсации расхода компонентов топлива Δm˙o(t),Δm˙g(t)\Delta \dot{m}_o(t), \Delta \dot{m}_g(t)Δm˙o(t),Δm˙g(t) с пульсациями тяги ΔFthrust(t)\Delta F_{thrust}(t)ΔFthrust(t). Часто используется линеаризованная модель с частотно-зависимыми коэффициентами усиления и фазовыми сдвигами или временными задержками.

https://ru.paste.pics/7048a29f7e72f88942ceb5709febff10

• Условия сопряжения: На границах взаимодействия подсистем (например, крепление трубопроводов к конструкции, забор топлива из баков, подверженных колебаниям) записываются условия, связывающие их переменные состояния.

Исследование устойчивости такой системы проводится анализом корней характеристического уравнения замкнутой системы. Наличие корней с положительной вещественной частью указывает на неустойчивость и возможность возникновения «пого».

3. Принципиальные различия между полетными и стендовыми условиями
Воспроизведение «пого» на стенде в том виде, в каком оно проявляется в полете, чрезвычайно затруднено, а зачастую и невозможно. Это связано с фундаментальными различиями:

• Граничные условия и модальные характеристики: В полете ракета представляет собой тело со свободными (или почти свободными) граничными условиями (т.н. "free-free conditions"). Ее собственные частоты и формы колебаний определяются распределением масс и жесткостей всей конструкции. При стендовых испытаниях ракета (или ее отдельный двигатель/ступень) закреплена на массивном и жестком стенде. Это радикально меняет граничные условия (например, на "fixed-free" или "fixed-fixed" для отдельных участков), что приводит к существенному изменению спектра собственных частот, форм колебаний и добротности системы. Те моды, которые легко возбуждаются в полете, могут быть сильно подавлены на стенде, и наоборот.
• Демпфирование: Стендовая оснастка, системы крепления и сам стенд вносят значительное дополнительное демпфирование, которое может подавить развитие автоколебаний, легко возникающих в полете, где основным источником диссипации является внутреннее трение в материалах конструкции и гидродинамическое сопротивление.
• Распределение масс и осевых нагрузок: В полете масса ракеты непрерывно уменьшается по мере выработки топлива, что приводит к изменению ее динамических характеристик, включая собственные частоты. Осевые перегрузки также меняются. На стенде обычно испытывают изделие при фиксированной массе и статических осевых нагрузках (или их ограниченной имитации).
• Взаимодействие с окружающей средой: В полете на ракету действуют аэродинамические силы, которые отсутствуют или неадекватно моделируются на стенде (за исключением испытаний в аэродинамических трубах, которые обычно не совмещаются с огневыми).
• Масштаб и сложность системы: Полномасштабные испытания всей ракеты в сборе на стенде, полностью имитирующие полетные условия, практически нереализуемы для крупных ракет. Чаще испытываются отдельные двигатели или ступени, что исключает из рассмотрения взаимодействие между ступенями и влияние всей конструкции.

Именно поэтому «пого» часто становится "сюрпризом" в первых полетах, даже если наземная отработка не выявила серьезных проблем. Отчеты SpaceX о "гармонических откликах", значительно более сильных в полете, чем на земле, подтверждают этот тезис.

4. Роль центра масс и внешних сил в контексте «пого»
При анализе продольных колебаний ракеты как свободного тела важно понимать, что:

• Движение центра масс (ЦМ) системы "ракета" определяется исключительно внешними силами, главной из которых является тяга двигателей.
• Внутренние упругие колебания конструкции (деформации) происходят относительно системы координат, связанной с ракетой, и могут рассматриваться как колебания относительно ее ЦМ, не влияя на его поступательное движение, если эти колебания не приводят к изменению суммарного внешнего импульса.
• Однако сам механизм «пого» неразрывно связан с пульсациями тяги. Поскольку тяга – это внешняя сила, ее переменная составляющая, вызванная «пого», будет приводить к осциллирующему ускорению ЦМ ракеты. То есть, ЦМ не остается неподвижным в инерциальной системе отсчета, а также участвует в колебательном процессе, на который накладываются упругие деформации самой конструкции.

5. Сложности моделирования и методы борьбы с «пого»
Борьба с «пого» – одна из сложнейших задач ракетостроения.

• Сложности моделирования: Точное предсказание «пого» требует чрезвычайно детальных и адекватных моделей всех взаимодействующих подсистем. Сложность заключается в:
  
  • Неопределенности параметров (точное знание жесткостей, масс, демпфирования, характеристик ТНА и КС).
  • Нелинейности (кавитация, сухое трение, нелинейные упругие характеристики).
  • Большой размерности задачи и чувствительности к малым изменениям параметров.
  • Сложности адекватного описания динамики горения и акустики в больших КС.
• Методы борьбы:
  
  • Пассивные методы: Наиболее распространены.
    
    • Демпферы («пого-супрессоры», аккумуляторы давления): Устанавливаются в топливных магистралях. Представляют собой емкости, разделенные упругой мембраной или поршнем на газовую и жидкостную полости. Они служат гидравлическими емкостями, снижая жесткость столба жидкости в магистрали, изменяя ее акустические характеристики и внося дополнительное демпфирование. Это помогает "разорвать" петлю обратной связи или сместить резонансные частоты гидросистемы из опасной зоны.
    • Изменение жесткости и демпфирования конструкции: Увеличение жесткости элементов конструкции для повышения их собственных частот. Введение демпфирующих элементов.
    • Оптимизация трассировки и крепления трубопроводов: Изменение длин, диаметров, мест крепления для изменения гидроакустических характеристик.
    • Изменение характеристик ТНА и КС: Модификация для снижения их чувствительности к пульсациям или изменения их динамического отклика.
  • Активные методы: Теоретически возможны, но сложны в реализации. Подразумевают использование системы управления, которая измеряет вибрации и активно изменяет параметры двигателя (например, дросселирование) или специальных исполнительных устройств для подавления колебаний. Требуют высокой точности моделей и быстродействия системы управления, сопряжены с риском внесения дополнительной неустойчивости.

[Штуцер]

Ставят демпфер в линии топлива, он не пропускает колебания давления топлива к двигателю

Не совсем не пропускает. Существенно сглаживает.
Да, а обратная связь разрывается.

[vlad7308]

ИИ?
А который из..?

[ExDi]

ИИ?
А который из..?

гыгыгы, какой гибкий-осторожный однако : )

Внутренние упругие колебания конструкции (деформации) происходят относительно системы координат, связанной с ракетой, и могут рассматриваться как колебания относительно ее ЦМ, не влияя на его поступательное движение, если эти колебания не приводят к изменению суммарного внешнего импульса.

[vlad7308]

гыгыгы, какой гибкий-осторожный однако : )

Да, там есть несколько забавных мест.
Но оно честно старалось! Что не может не вызывать уважения к разработчикам (если это таки ИИ, что очень вероятно).

[ExDi]

Да, там есть несколько забавных мест.
Но оно честно старалось! Что не может не вызывать уважения к разработчикам (если это таки ИИ, что очень вероятно)

дада, я было подумал что автор поста - реинкарнация погофила, но глянул его активность - он просто экспериментирует с Gemini 2.5 Pro

[torazurey]

vlad7308
ИИ?
ага

он просто экспериментирует с Gemini 2.5 Pro

угадал )

[simple]

Но оно честно старалось!

правильно написал, ракету мотает туда сюда, в это отличие от стенда

[Старый]

Механизм обратной связи:
Цикл «пого» можно представить следующим образом:

• Случайное или вынужденное (например, от работы рулевых машин, аэродинамических нагрузок) продольное колебание конструкции ракеты.
• Это колебание вызывает инерционные силы в столбах жидкости в топливных баках и магистралях, приводя к пульсациям давления и расхода компонентов топлива на входе в ТНА и далее в КС.
• Пульсации расхода компонентов топлива вызывают соответствующие пульсации тяги ЖРД.
• Если фаза этих пульсаций тяги такова, что они усиливают исходные колебания конструкции (т.е. действуют синфазно со скоростью колебательного движения или с небольшим опережением), и если энергия, вносимая в систему пульсациями тяги, превышает энергию, диссипируемую за счет демпфирования в конструкции и гидросистеме, то амплитуда колебаний начинает нарастать. Возникают автоколебания.

Вот тут уже ИИ гораздо лучше справился.

[Feol]

Имелось ввиду, что пришли к выводу, что без активного регулирования внешним контуром с электронным вычислителем - невозможно.

Ставят демпфер в линии топлива, он не пропускает колебания давления топлива к двигателю и колебательный контур разрывается. А активное подавление колебаний системой управления в т.ч. двигателя практически невозможно.

Не совсем не пропускает. Существенно сглаживает.
Да, а обратная связь разрывается.

Господа, вы, имхо, вернулись про пого, активируемого пульсацией давления компонентов топлива на входе в двигатель, что приводит к пульсации тяги, которая инициирует пульсацию давления компонентов топлива на входе в двигатель и т. д. с учётом упругости и инерционности элементов конструкции.

А дискуссия, отголоски которой, была изначально от моего (возможно, оффтопа) целесообразности борьбы с проблемой синхронизации двух ТНА. Об этом и речь необходимости активного электронного регулятора внутри каждого движка. Возможная оффтопность в том, что навряд ли это связано с наличием или отсутствием общеракетных продольных колебаний, были они или нет в контексте обсуждаемой темы. Мне сейчас думается, что лучше посадить обе турбины на один вал, если решили делать и кислую и сладкую, потеряв в КПД, чем вкладываться в решение вопросов и экспериментальную отработку внешней электронной синхронизации механически независимых ТНА. То есть, в каком-то смысле, я на стороне РД-0120 против SSME. С учётом, что там не было смеси кислых и сладких турбин, конечно. Но про пого - оффтоп.

А возможная неоффтопность в том, что не уверен в невиновности движков и каких-то не до конца побеждённых негативных процессов внутри оных.

[Feol]

Что существенно отличает 1 ст. старшипа от 2-ой? Время непрерывной работы двигателей. И всё аварии 2-ой под конец. Например.