70-летию со дня рождения В.П. Макеева посвящается
В.Е. Каргин, Л.М. Косой, А.А. Прохоров
О РАЗВИТИИ ЛАБОРАТОРНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ КБ ИМ. АКАДЕМИКА В.П. МАКЕЕВА
Идеология развития лабораторно-экспериментальной базы КБ им. академика В.П. Макеева основывалась на разработке методов испытаний с воспроизведением в лабораториях условий эксплуатации ракет, включая полетные. За период более тридцати лет создана и освоена широкая номенклатура испытательных стендов, установок и методов испытаний ракет, систем и комплекса ракетного оружия в целом. Рассмотрим их основные особенности.
Созданная совокупность испытательных лабораторий и методов ускоренных испытаний ракет позволяет экспериментально проверить их долговечность на этапе конструкторской отработки и решить проблемные вопросы ее обеспечения. С этой целью в 1969 году введен в эксплуатацию корпус для ускоренных испытаний ракет в атмосферных условиях, в 1971 г. — корпус для ускоренных испытаний ракет в парах компонентов топлив (спецсредах). В результате КБ машиностроения стало располагать одной из лучших в отрасли специализированной экспериментальной базой отработки долговечности. Принципиально изменилась методология отработки долговечности. Если раньше сроки их службы назначались исходя из сроков службы материалов и отдельных комплектующих элементов, то теперь появилась возможность проверять долговечность непосредственно ракеты в целом, в сжатые сроки, одновременно решая вопросы и определения условий эксплуатации её составляющих, и проверки их стойкости.
В период создания и освоения экспериментальной базы были разработаны ускоренные методы испытаний ракет в атмосферных условиях и спецсредах, методика обеспечения долговременной герметичности ракет, заправляемых и ампулизируемых на заводе-изготовителе; внедрены в практику конструирования морских ракет организационно-технические меры, направленные на обеспечение долговечности их на самых ранних этапах создания, начиная с отработки технического предложения.
Экспериментальная база для изучения и отработки процессов старта
Специфику морских баллистических ракет определяет прежде всего подводный старт и малое относительное удлинение ракеты, а также высокая плотность компоновки ракеты и пусковой установки в шахте подводной лодки. Все это предопределяет сложность физических процессов, происходящих при запуске двигателей ракеты, движении её в шахте и на подводном участке траектории. Следует сказать, что эти процессы усложнялись по мере повышения характеристик ракет. Например, движение на подводном участке стало характеризоваться кавитационным режимом обтекания, возросли требования к точности определения параметров шахтных процессов и процессов движения под водой. Опыт разработки первого поколения морских баллистических ракет показал, что использование только лишь математических моделей для изучения процесса подводного и надводного старта с движущейся подводной лодки не может удовлетворять потребностям практики. В 1965 году создаются гидробаллистический бассейн открытого типа, предназначенный для отработки на моделях динамики движения ракеты на подводном участке траектории, и газодинамический стенд для исследования процессов старта и режимов вертикального движения.
В конечном итоге эта база предприятия переросла в отраслевую экспериментальную базу по отработке гидродинамики подводного старта ракет. В 1980 году созданы и задействованы большие скоростные гидродинамические трубы, которые обеспечили возможность проведения исследований по проблемам скоростной гидродинамики. Создан уникальный стенд для изучения старта ракет из-подо льда и ряд других установок. Сочетание существующего на предприятии экспериментального оборудования со вновь созданным гидродинамическим комплексом обеспечивает модельную отработку практически всех проблем гидрогазодинамики подводного старта ракет, а также увеличение точности определения гидродинамических характеристик ракет, и тем самым качественное улучшение модельной наземной отработки старта.
Стенды для вибродинамических испытаний
Как известно, все современные жидкостные морские ракеты не имеют межбаковых и межступенчатых полостей, двигатели «утапливаются» в топливных баках, а корпуса выполняются цельносварными. К тому же основной особенностью реализуемых процессов разделения ступеней является использование в качестве рабочего тела для обеспечения относительного движения ступени газа наддува топливного бака предыдущей ступени.
Сложной задачей является также обеспечение безударного выхода двигателя последующей ступени из топливного бака предыдущей ступени ракеты, стабилизация ступеней на участке разделения, сохранения работоспособности приборов бортовой системы управления - гиростабилизатора, малогабаритной цифровой вычислительной машины, астрооптического навигационного прибора. Проблема сохранения работоспособности бортовой системы управления усугубляется применением для снятия жестких связей между ступенями (например, разрушение шпангоута в цельносварном корпусе) мощных кольцевых и продольных детонирующих зарядов, а также ограниченными возможностями размещения вибро- и ударозащитных устройств в приборном отсеке из-за повышенной плотности компоновки приборов.
В 1969 г. на предприятии был создан один из первых стендов для отработки процессов разделения ступеней. Воздействие газовой среды, расталкивающее ступени, имитировалось силой резиновых шнуров, что позволяло проводить испытания в цеховых условиях. По результатам работ на этом стенде впервые была выбрана амортизация рамы приборов системы управления и гиростабилизатора, уточнены параметры корректирующих контуров гироприборов для обеспечения их работоспособности в процессе воздействия импульса разделения ступеней.
В дальнейшем было осуществлено строительство и обеспечен ввод в эксплуатацию в 1977 — 1978 гг. корпуса для вибродинамических испытаний, что резко повысило возможность экспериментальной отработки не только процессов разделения ступеней, но и процессов вибрационного нагружения ракеты, систем ракетного комплекса.
Прочное здание корпуса, силовой колодец (приямок) и специально спроектированный стенд позволили приблизить условия испытаний на разделение ступеней к натурным: расталкивание ступеней осуществляется газом наддува, последующая ступень свободно перемещается вверх и улавливается в верхней мертвой точке, а предыдущая ступень падает на пневмогидравлическое тормозное устройство. Наряду со стендами для отработки процессов разделения ступеней, корпус оснащен стапелем для определения динамических характеристик ракет массой до 100 т, несколькими установками для испытания блоков ракет на транспортировочные и полетные вибрации, электрогидравлическими и электродинамическими вибростендами, ударными стендами различного назначения, аппаратурой, позволяющей все крупные агрегаты (отсеки) ракет и отдельные системы комплекса испытывать методом случайного вибронагружения.
Экспериментальная база статической прочности
Экспериментальная база статической прочности КБ машиностроения, введенная в эксплуатацию в 1964-1965 гг., уникальна как по набору средств и способов нагружения, по возможности исследования и измерения напряженно-деформированного состояния конструкций, так и по габаритам испытываемых объектов.
Испытательный зал базы имеет силовой пол площадью 55х24 м², силовую стену шириной 15 и высотой 20 м, силовой приямок 6х6 м², глубиной 4 м, два мостовых крана грузоподъемностью до 50 т, железнодорожный путь нормальной колеи.
Испытательное оборудование:
- силовые стенды, позволяющие нагружать объекты испытаний в 32 точках одновременно усилиями до 1000 кН в любом направлении;
- емкости высокого давления, где возможно нагружать объекты диаметром до 2 м и длиной до 10 м наружным избыточным давлением до 7,5 МПа;
- установки циклических нагружений, развивающие усилие до 4000 кН с частотой до 0,1 Гц и усилие до 360 кН с частотой до 10 Гц. Имеющаяся автоматизированная система нагружения с использованием ПЭВМ способна производить нагружение на режимах, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации испытуемых объектов.
Автоматизированная информационно-измерительная система позволяет производить измерение, обработку и регистрацию в темпе эксперимента до 3500 параметров с различного вида первичных преобразователей: силы, давления, перемещения, тензорезисторов и т. п. Имеются оборудование и отработанные методики исследования полей напряжений и деформации натурных конструкций и моделей методами фотоупругости, фотограмметрии, спектринтерферометрии и хрупких тензочувствительных покрытий. Лабораторное и механическое оборудование дает возможность изготавливать оптически чувствительные покрытия и модели конструкций различной сложности для исследования как поверхностных, так и объемных напряжений.
Испытательное оборудование для вакуумно-динамических испытаний
Для экспериментальной отработки конструктивных элементов ракеты в условиях вакуума и невесомости в составе испытательной базы КБ машиностроения имеется корпус вакуумно-динамических испытаний, содержащий вакуумно-динамический стенд многоцелевого назначения, систему вакуумирования, комплекс технологического оборудования и измерительный комплекс с системой управления.
Вакуумно-динамический стенд представляет собой уникальное рабочее место, обеспечивающее в наземных условиях экспериментальную отработку натурных изделий или их имитаторов с массами испытуемых объектов до 30 тонн, с возможностью видео- и визуального контроля за поведением объектов испытаний в процессе опыта.
В сравнении с существующими аналогичными установками этот стенд не уступает по своим параметрам зарубежным аналогам.
Технические характеристики стенда
Внутренний диаметр 10 м
Рабочая высота 70 м
Глубина вакуума 10-3 мм рт. ст.
Время невесомости 3,3 с
Время откачки 8 ч
Грузоподъемность мостового крана 50 т
Размер загрузочного люка 5,5х9,5 м
Система вакуумирования включает 2 типа систем откачки: форвакуумную и высоковакуумную с общим ч ислом насосов 54.
Комплекс технологического оборудования составляют:
- система загрузки объектов испытаний в камеру, укомплектованную транспортной тележкой с электроприводом, грузоподъемность 40 т;
- поворотный мост, расположенный в верхней части стенда и предназначенный для вывешивания и ориентации объекта испытаний, грузоподъемность 100 т;
- система улавливания объектов на основе использования пневмоцилиндров, тормозов фрикционного типа, грузовая сеть на амортизаторах прямого хода;
- информационно-измерительная система, обеспечивающая измерение на объектах испытаний в процессе эксперимента и позволяющая регистрировать до 400 параметров по различным видам измерений (путь, скорость, линейные и угловые ускорения, углы поворота и т. п.);
- киносъемочная измерительная аппаратура, используемая для регистрации параметров движения объекта в процессе опыт.
С помощью вакуумно-динамического стенда решаются следующие задачи:
- отработка систем разделения ступеней и систем отделения с одновременной проверкой работоспособности штатных систем;
- исследование в условиях невесомости и вакуума поведения жидких компонентов топлива в полостях космических двигательных установок;
- отработка космических технологий и устройств для получения особо чистых металлов, кристаллов.
Комплексный моделирующий стенд
Этот стенд предназначен для совместной отработки совокупности систем ракетного комплекса и систем его обеспечения в режимах регламентной проверки, старта и полета с воспроизведением штатных условий, воздействующих на системы в процессе предстартовой подготовки и движения ракеты по траектории.
Стендовое оборудование подразделено на отдельные испытательные установки с учетом их функционального назначения:
- Совокупность динамических стендов для реализа-ции углового движения ракеты в полете:
Грузоподъемность стендов до 3 т
Максимальные угловые скорости до 60 град/с
Максимальные угловые ускорения до 300 град/с²
Количество степеней свободы 4
Диапазон углов прокачки -90 - +220 град
- Стенд качки для воспроизведения пространственного движения приборных отсеков ракет, инерциальных систем навигационных комплексов, корабельной аппаратуры системы управления, приборов системы прицеливания; размещенных на подводной лодке. Его параметры: 3 степени угловых движений, 1 степень плоско-параллельного движения. Углы прокачки 15°, частота до 0,1 Гц, линейная скорость 0,7 м/с, период 15 — 20 с.
- Виброиспытательный комплекс для воспроизведения вибрационных нагрузок, действующих на приборный отсек в полете. Он воспроизводит случайные виброускорения с заданной спектральной плотностью в диапазоне частот 10 — 250 Гц и позволяет установку приборного отсека на динамический стенд для воздействия вибраций в процессе полетного режима.
- Имитатор космического пространства для создания условий, в которых работают бортовые приборы на конечном участке траектории (вакуум, инфракрасное излучение Солнца, тепловой фон космического пространства), обеспечивает разрежение воздуха 5·10-3 мм рт. ст., внешний тепловой нагрев корпуса изделия до 90°С в течение 5 минут, а также нагрев корпуса приборного отсека лучистым потоком 1400 Вт/м² от имитатора инфракрасного излучения.
- Имитатор навигационной обстановки для воспроизведения параметров источников внешней информации для системы управления.
- Совокупность систем, математических моделей, обеспечивающих воспроизведение штатных корабельных и полезных режимов: системы моделирования ракеты и среды, имитации отраженного сигнала, моделирование движения, имитации навигационной обстановки, а также системы обеспечения (газопитание, ввод-вывод информации, отображение, телеметрия и т. д.).
Межведомственным испытаниям на комплексном моделирующем стенде подвергаются все системы комплекса, участвующие в предстартовой подготовке; старте и полете (система управления, корабельная цифровая' вычислительная система, аппаратура управления корабельными системами повседневного и предстартового обслуживания, система прицеливания, система телеизмерений), и система обеспечения ракетного комплекса (навигационный комплекс, система единого времени, система питания корабля, система документирования).
Реализация в процессе разработки морских ракетных комплексов испытаний на экспериментальной базе КБ машиностроения позволила:
- выявить ряд недостатков систем ракеты, бортовой и корабельной аппаратуры, устранить недоработки по взаимодействию систем и взаимосвязям между ними, которые могли привести к невыполнению основной задачи при совместных летных испытаниях или к ухудшению основных характеристик ракеты и комплекса в целом и в результате сократить количество неуспешных пусков при совместных летных испытаниях;
- проверить работоспособность и функционирование систем при их работе по штатным полетным программам при внешних воздействиях, соответствующих реальным;
- проверить и отработать эксплуатационную документацию для испытаний с наземного стенда и подводной лодки, подготовить кадры испытателей;
- проверить и отработать программы измерений и методика отработки информации систем телеметрии и документирования.
Многолетний опыт отработки систем ракеты и ракетного комплекса на экспериментальной базе КБ машиностроения позволил принципиально по-новому строить идеологию экспериментальной отработки комплексов, сделав испытания с воспроизведением условий в полете и в процессе эксплуатации составной частью совместных летных испытаний, ибо на полигонах невозможно воспроизвести все многообразие эксплуатационных условий и режимов работы систем.
Возможность проведения испытаний систем с воспроизведением условий эксплуатации создает предпосылки к сокращению и обоснованному назначению минимального количества ракет для летных испытаний с тем, чтобы пусками этих ракет подтвердить правильность экспериментальной отработки.
Внедрение указанной идеологии было мечтой Виктора Петровича Макеева. Строительство корпусов экспериментальной базы, создание уникального испытательного оборудования - это его инициатива. Все начинания по совершенствованию базы, разработке новых методов испытаний всегда находили его поддержку и щедрую помощь.
По материалам, опубликованным в 1984 г.