Физтех - люди и судьбы. Без грифа секретно

Виктор Пилипенко
ОБ ИНСТИТУТЕ, РАКЕТАХ И ДЕМПФЕРАХ

Днепропетровск, 2004

Наш адрес: ruzhany@narod.ru

Затем в Химках были внесены какие-то изменения в параметры осевых шнековых преднасосов по маршевому двигателю, и на одном из пусков ракеты обнаружились повышенные амплитуды продольных колебаний корпуса ракеты 15А14. Начался большой шум. Всё это связали с тем, что отказались от демпфера продольных колебаний. Как бы там ни было, а при лётных испытаниях получен вот такой результат – что делать? Надо разбираться. Факт есть факт.

Поехал я в Химки. Попросил: «Покажите, как ведет себя давление на входе в двигатель при работе двигателя на стенде». А огневые испытания на стендах к тому времени уже были приближены к натурным условиям (кстати, по нашему настоянию).

Посмотрел на результаты и вижу: идут колебания с частотой 10 Гц на входе в двигатель. Идут кавитационные колебания с частотой, которая совпадает с первым тоном продольных колебаний корпуса ракеты. Дорогие мои, что ж вы шумите насчет потери продольной устойчивости, когда у вас кавитационные колебания в системе питания двигателя?! На стенде, на земле. Что же вы хотите? Сначала уберите кавитационные колебания, потом будем разговаривать относительно демпфера продольных. Поднялся огромный шум.

Надо отдать должное Химкам и КБ «Энергомаш». Они признали наличие кавитационных колебаний в системе питания двигателя. У них уже было намечено внедрять шнек с меньшим углом установки лопасти, с меньшим углом атаки. И первые испытания на стенде показали, что, если перейти на меньший угол, кавитационные колебания практически отсутствуют. Все очень надеялись, что, даст бог, именно это вылечит от кавитационных колебаний двигатель и – поскольку частоты совпадают – существенно уменьшит амплитуду продольных колебаний корпуса ракеты.

Полетел я на Байконур на пуск ракеты, на которой был установлен двигатель с осевыми шнековыми преднасосами с меньшим углом установки лопасти. Военным надо было ещё доказать, что ракету можно пускать. Проводились большие совещания. Пришлось даже лекции читать там, на полигоне.

По результатам пуска было установлено, что амплитуда колебаний корпуса ракеты существенно понизилась, и уменьшения угла установки лопасти достаточно для того, чтобы не возникали недопустимые амплитуды продольных колебаний. Таким образом, была окончательно поставлена точка в вопросе «Нужен демпфер или не нужен?» Не нужен. Демпфер не был установлен не только на 15А14, но и на последующих модификациях, включая СС-18.

Но сейчас уже СС-18 используется в коммерческих целях. Поэтому возможно, что те, сравнительно небольшие амплитуды продольных колебаний, следует уменьшить. Вот почему мы разрабатываем, пока что на бумаге, индивидуальную виброзащитную систему для спутников, для полезной нагрузки. Для других систем (в частности, управления) влияние этих колебаний не приводит к тому, чтобы они давали какие-то погрешности в своей работе.

Следующий эпизод связан с разработкой ракеты «Зенит». Как всегда, НИИТП выступает с инициативой постановки демпфера для обеспечения продольной устойчивости. Кстати, среди разработок КБ В.И.Челомея и С.П.Королева нет ни одной ракеты без демпфера продольных колебаний. Ни одной ракеты. НИИТП везде их поставил. И наоборот: нет ни одной ракеты, разработанной КБ «Южное», – боевой ракеты – с демпфером.

Вообще наша «философия» была такой: выбор конструктивных параметров осевого шнекового преднасоса должен осуществляться не только с целью обеспечения высоких антикавитационных качеств насоса, но и для обеспечения устойчивости двигателя по отношению к кавитационным колебаниям и, продолжая дальше, для обеспечения устойчивости ракеты. Вот тогда шнековый преднасос можно считать хорошим.

Если этого недостаточно, то демпфер не должен иметь никаких подвижных частей, никаких узлов регулирования, не должен работать при неработающем двигателе и должен начинать работу только когда произойдет запуск двигателя. И вообще – появляться, рождаться он должен лишь с запуском двигателя. Оказалось, это можно осуществить с помощью гидродинамического демпфера, подавая поток от выхода из насоса или от выхода из преднасоса в трубопровод, где размещен кавитатор, создающий кавитационную полость, которая играет роль демпфера. Такой демпфер не влияет на герметичность при длительном стоянии ракеты на боевом дежурстве, потому что его нет, этого демпфера, это просто труба и всё, заполненная тем же компонентом топлива, что и остальные трубы. А как только двигатель запустился, так и появился демпфер.

Это решение является очень удачным в тех случаях, когда действительно необходим демпфер. Но на первом месте должен всегда стоять вопрос: «А нужен ли демпфер продольных колебаний?» И только после положительного ответа на этот вопрос должна решаться проблема разработки и установки на ракете такого демпфера.

Для этих целей у нас в институте был проведен цикл работ по созданию, как мы его вначале назвали, суперкавитационного демпфера, а сейчас мы его больше называем гидродинамическим демпфером. Суперкавитационным мы называли его потому, что каверна на несколько порядков больше, чем устройство, ее создающее. Мы создали также ряд других демпфирующих устройств.

Так вот, что касается «Зенита». НИИТП, как всегда, предложил газовый демпфер. На первом месте была инициатива Мирона Семеновича Натанзона. Не знаю, как он считал продольную устойчивость, но заявил, что она не будет обеспечена без установки демпфера продольных колебаний. По компоновке ракеты демпфер можно было расположить на расстоянии трех метров от входа в двигатель – ближе не получалось. Такой демпфер разработало КБ «Южное». НИИТП в этой проблеме законодатель больше, чем ЦНИИМаш – головной институт.

А к этому времени мы столкнулись с проблемой продольных колебаний на 35-й ракете, которая разрабатывалась в КБ В.Н.Челомея. Серьезная проблема, так как ракета стояла на вооружении, а при стрельбе на максимальную дальность на последних пяти секундах работы двигателя первой ступени возникали продольные колебания с ускорением 17g. Сумасшедшие колебания. Начали разбираться: почему? что? И пришли к выводу, что эти колебания связаны с тем, что демпфер установлен не там, где ему положено быть, а на расстоянии где-то 1,5 м от входа в двигатель. И на участке между демпфером и входом в двигатель, в общем-то, завязались кавитационные колебания. Это трудно было доказывать. Но, по крайней мере, собственная частота колебаний участка трубы от демпфера до входа в двигатель совпадала с частотой колебаний на кавитационной каверне на шнеке центробежного насоса и равнялась примерно 25 Гц. Именно эти 25 Гц и имел первый тон продольных колебаний корпуса 35-й ракеты на последних секундах полета при стрельбе на максимальную дальность. А ракета была сдана на вооружение без стрельбы на максимальную дальность. И эти колебания при летных испытаниях не были обнаружены. Два или три раза заседал Совет Обороны СССР под председательством Л.И. Брежнева. Что делать? Ракеты-то стоят на боевом дежурстве.

Мы не знали об этой проблеме (я имею в виду наш институт), потому что с фирмой Челомея мы практически не работали. Об этой проблеме знал Борис Иванович Губанов и он рассказал мне о ней, зная, что мы специалисты в этой области. Он и порекомендовал подключить наш институт, в частности меня, для решения этой проблемы.

Я поехал к В.Н.Челомею. Но предварительно с ним переговорил Генеральный директор »Южмаша» Александр Максимович Макаров, потому что я лично с В.Н.Челомеем не был знаком. Я обратился к Александру Максимовичу, рассказал ему о том, что есть вот такая проблема и надо встретиться с С.А.Афанасьевым – министром общего машиностроения. Тот в это время отдыхал в Крыму. Александр Максимович попытался созвониться с ним, но безуспешно. Связаться с ним так и не удалось. Ехать к нему в Крым Александр Максимович считал неудобным – человек отдыхает, не стоит его беспокоить. Поэтому позвонил его заместителю Хохлову – мол, у Вас такая проблема, а у нас есть специалисты, которые могли бы помочь. Хохлов откликнулся очень доброжелательно: «Пожалуйста, пусть приезжают». И когда я уже поехал туда, то не только Хохлов, но и сам В.Н. Челомей отнесся к нашему участию положительно, потому что Александр Максимович переговорил и с ним.

Мы посмотрели результаты летных испытаний на максимальную дальность: огромнейшие продольные колебания корпуса ракеты на последних 5-ти секундах работы двигателя. Естественно, »чумеют» все приборы системы управления, ни о какой точности стрельбы не может быть и речи. Что делать? Несмотря на то, что эта проблема возникала только при стрельбе ракет на максимальную дальность, все равно колебания надо было устранять.

Но сначала надо было понять: с чем же они связаны? Взял все исходные данные, какие можно было взять в КБ Челомея. Но мне уже было понятно: это колебания, которые завязаны на участке в системе питания между демпфером и двигателем, их частота совпадает с частотой продольных колебаний корпуса. По-другому это объяснить нельзя. Ну, одно дело слова, другое дело – надо было рассчитать и доказать, что это именно так.

Я возвратился в Днепропетровск. Здесь мы очень интенсивно поработали и пришли к выводу, что для устранения этого явления надо отключить демпфер (снять его уже нельзя – он на штатной машине стоит на дежурстве и т.д., а добраться до него можно и отключить подачу газа от газогенератора можно). Наддув этого демпфера осуществлялся газогенератором. Необходимо только отключить трубку подачи газа – и всё, машина здорова, никаких продольных колебаний больше не будет.

И тут мы опять-таки столкнулись с НИИТП. Они к этому времени ничего лучшего не придумали, как поставить динамический гаситель – такие чемоданы (по-моему, четыре чемодана), которые вешаются на хвостовой отсек и должны работать в противофазе с колебанием корпуса ракеты с тем, чтобы уменьшить амплитуды колебаний. Только уменьшить – полностью устранить их уже невозможно (так их потом и не устранили).

Если бы это была действительно потеря продольной устойчивости как таковая – классическая, без кавитационных колебаний, – то можно было бы обеспечить просто устойчивую работу ракеты с этим динамическим гасителем. А если кавитационные колебания есть, то они не связаны с гасителем и они всегда будут, генератор колебаний останется, а понизится только амплитуда. Так именно это и произошло – понижение амплитуды колебаний. Это говорит о том, что на 35-й машине мы имели настоящие кавитационные колебания, которые завязались между демпфером и входом в двигатель. Но постановка динамических гасителей колебаний действительно снизила амплитуду колебаний, где-то с 17 до 3-4g. Мы в Днепропетровске, кстати, таких амплитуд колебаний на ракетах не допускаем. Но разработчики систем управления обрадовались даже таким значениям амплитуд и сказали, что всё в порядке, этого достаточно.

Мы, конечно, настаивали на проведении хотя бы одного пуска ракеты с отключённым демпфером и гарантировали отсутствие колебаний вообще. Нам обещали – и не только обещали, а уже выделили – машину. Мы полетели на полигон с зампредседателя Госкомиссии Виктором Михайловичем Рюмкиным для того, чтобы пустить машину с отключенными демпферами, но нам так её и не дали. Машина заправлена, техника вся готова, трасса готова, приемные пункты готовы. Приходит телеграмма от чиновника Министерства общего машиностроения, запрещающая пуск до решения вопроса о безопасности полета, – хотя до этого мы подписались кровью, что всё будет нормально. Но это уже была техническая политика. Потом я получил от одного из работников полигона сообщение (хотя я не уверен, что это правда), что всё-таки одна из машин полетела с отключенным демпфером, и колебаний вообще никаких не было.

По опыту 35-й машины мы уже знали, что демпфер нельзя ставить на расстояние большее, чем 1,5-2,0 метра от входа в двигатель, так как это может вызвать кавитационные колебания и привести к большим неприятностям. «Зенит» еще был на бумаге, только-только рождался. Я позвонил М.С.Натанзону (я к нему всегда хорошо относился, тем более, он был моим оппонентом по защите докторской) и сказал ему, что после 35-й машины я совершенно уверен: нельзя ставить демпфер на расстоянии 3 м от входа в двигатель. Тем не менее Мирон Семенович с упорством, как говорится, достойным лучшего применения, настаивал на установке демпфера на «Зените». Ну, в общем, по «Зениту» процесс так и пошел. «Зенит» делался с газовым демпфером, расположенным на расстоянии 3 м от входа в двигатель. Мы, понимая со своей стороны, что это плохо, начали думать: если без демпфера обойтись нельзя, то как же его приблизить к входу в двигатель – а еще лучше расположить непосредственно на входе.

Относительно того, надо или нет демпфер ставить на «Зенит», – особый разговор. Для боевых ракет мы считали, что амплитуды колебаний 0,6-0,8g – это величина допустимая на собственных частотах продольных колебаний корпуса. Но «Зенит» задумывался как машина взамен «Королевской семерки», чтобы она летала и доставляла в космос космонавтов. Здесь уже другой подход – это не боевая машина. И амплитуды колебаний должны были быть меньше 0,25g. Поэтому давать гарантию того, что на «Зените» без демпферов амплитуды колебаний будут меньше 0,25g, мы не могли. Вот почему мы первый раз повернулись лицом к демпферу. Но, если демпфер необходим, то он должен стоять там, где ему надо стоять, – для того, чтобы он играл ту роль и выполнял ту функцию, которая на него возложена. Поэтому мы начали разработку демпфера, основанного на создании кавитации, кавитационных образований, которые бы играли роль демпфера.

Если не хватает кавитационных каверн, которые всегда есть в осевом шнековом насосе и преднасосе, то давайте мы создадим каверны искусственным путем, т.е. сделаем байпасный трубопровод, который замыкает выход из насоса или из преднасоса со входом в двигатель, и в этом байпасном трубопроводе организуем кавитационную полость за счет напорного движения жидкости от выхода из насоса или преднасоса ко входу в насос. Перепад давления есть, а значит, можно организовать кавитационную полость. Остановились на кавитаторе, с помощью которого производилась закрутка потока для создания кавитационной каверны по оси трубопровода.

Это направление работ было активно поддержано Владимиром Федоровичем Уткиным. Работы велись параллельно у нас в институте и, в основном, на экспериментальной базе КБ «Южное». Создание такого гидродинамического суперкавитационного, как он вначале назывался, демпфера – принципиально нового демпфирующего устройства, – естественно, требовало тщательной экспериментальной отработки. Много лет мы потратили на эту работу. Но, в конце концов, создали прекрасный гидродинамический демпфер, который был установлен на «Зените». Провели шесть летных испытаний. Колебаний нет. Наш демпфер обеспечил надежный полет без каких-либо продольных колебаний корпуса ракеты. По крайне мере, автоколебаний никаких не было ни с какими амплитудами. Реакция на возмущения, которые действуют на корпус ракеты при полете, не превышала 0,09 g. Вот так была решена проблема по «Зениту». Хотя в дальнейшем началась эпопея по «Энергии-Буран». Но это уже другая история.

Сейчас я академик НАН Украины, член ряда международных и иностранных академий, Заслуженный деятель науки и техники Украины. Но не это главное. На протяжении всей своей жизни и в настоящее время самую большую радость мне доставляет сам процесс познания, научная работа, создание нового. Наверно, такова уж природа человека – познавать и создавать.