Вылечить ракету за неделю

Полет нормальный. В том числе и благодаря демпферам колебания топлива.
Фото Reuters

Те, кому приходилось носить воду в коромысле, знают, что такое колебания жидкости в емкости! Но если вода, самое большое, плеснет, раскачав ведро, водоносу на ноги, то аналогичное поведение горючего или окислителя в топливном баке ракеты с жидкостным реактивным двигателем (ЖРД) может привести к потере устойчивости, а это чревато весьма серьезными последствиями.

Практически с самого начала работы в отделе динамики НИИ-88 (ЦНИИмаш) мне пришлось проводить экспериментальные исследования колебаний жидкости в топливных баках. Тогда только закладывались основы будущей лаборатории физического моделирования. В небольшом помещении располагались экспериментальные установки, кульманы конструкторов, столы инженеров и техников с развернутыми на них синьками, миллиметровками и осциллограммами. Гудели вибростенды и генераторы, визжали напильники слесарей, чья-то электродрель сверлила швеллер, огромные шлейфовые осциллографы «Сименс» завораживали запахом озона и отблесками ртутных ламп... Теоретические работы по этой теме велись в лаборатории Бориса Исааковича Рабиновича.

Задачу экспериментального поиска способа «усмирения» волны поставил передо мной в начале 1960 года начальник лаборатории Геннадий Никифорович Микишев. За глаза мы звали его Шефом (в отличие от начальника отдела Анатолия Григорьевича Пилютика, которого именовали Папой). Конечно, «гасить колебания жидкости» – понятие качественное, а в науке и технике работают с числами. И для характеристики этого самого гашения колебаний существует специальная величина – коэффициент демпфирования.

Штурм Перекопа и Русский Эксперимент

Прежде чем заниматься конструкцией устройства для гашения колебаний жидкого топлива, мы должны были экспериментально определить коэффициенты демпфирования для «гладких» полостей, то есть без специальных демпфирующих элементов. На первых порах важно было найти зависимость коэффициента демпфирования от размера бака и вязкости жидкости (критерий Рейнольдса). Баки у нас были – диаметром от 200 мм до полутора метров, а вот варьировать величиной вязкости было посложнее – вода есть вода. Увеличивать вязкость проще – был бы глицерин. А вот уменьшать...

Случайно в американском справочнике я увидел интересную жидкость с вязкостью в шесть раз меньше, чем у ацетона, – бромистый метилен! Ссылка на немецкий источник. Нахожу источник – та же цифра. Докладываю Шефу. Он тоже удивлен. Но – серьезные издания, как не поверить? Решаем добыть вещество для пробы. Главный измеритель отдела Николай Дмитриевич Пронин посоветовал обратиться в одно место в Москве. Состоялась джентльменская сделка: пол-литра на пол-литра. Мы им – спирт, они нам – бромистый метилен. Добыли! Но – что такое? Измеряю вязкость – а она как у ацетона... Возникли сомнения – насколько чистое вещество нам досталось?

Через некоторое время Шеф командировал меня туда, где это вещество добывается, – в Крым, на Красноперекопский бромный завод. Папа, подписывая командировочные бумаги, напутствовал меня словами: «Что, будем снова штурмовать Перекоп?» На заводе я целую неделю, сидя в заводской лаборатории, измерял вязкость различных проб и сортов бромистого метилена, а вечерами читал фантастику на украинском языке (книг на русском в местном магазине не было). К сожалению, пришлось расстаться с мечтой о «сверхмаловязкой жидкости» – скрупулезные немцы все же допустили опечатку, а хитрые американцы ничтоже сумняшеся ее позаимствовали.

Эта история имела свое продолжение. Когда спустя несколько лет в обзорной американской статье Абрамсона появились ссылки на нашу с Микишевым работу, опубликованную в «Известиях АН СССР» (ее назвали «Русский Эксперимент»), там же приводились и результаты аналогичных американских исследований, где в числе моделирующих жидкостей использовался... бромистый метилен! Доверившись данным справочника, практичные американцы закупили большое количество этого чрезвычайно дорогого экзотического вещества, которое с успехом можно было заменить, как мы это и сделали, ацетоном и даже водой при температуре 95 градусов.

Работа по определению демпфирования колебаний жидкости в баках разных форм и размеров при различных значениях вязкости и других параметров заняла около года. Мы получили очень интересные и важные результаты, которые легли в основу дальнейших исследований. Можно было приступать к решению основной задачи – увеличению коэффициента демпфирования до величины, потребной для обеспечения устойчивости конкретного изделия.

Аллегорическое представление учёта всех факторов, мешающих устойчивости ракеты-носителя. Фото из архива автора

Рейнольдс, Митрич и Фидель Кастро

Гром грянул, когда при первых запусках новой ракеты-носителя телеметрия показала: колебания жидкого топлива в одном из баков первой ступени настолько значительны, что приводят к колебаниям корпуса изделия. Ракету необходимо «вылечить», то есть погасить колебания. И вот тут-то оказалось, что Шеф не зря был давно озабочен этой проблемой, не напрасно в течение года бушевали штормы в баках, распространяя запахи ацетона и скипидара. К весне 1961 года мы уже имели немалый опыт экспериментального определения нужных нам коэффициентов демпфирования, выпустили интересный отчет.

Нам было известно, что в США для гашения колебаний жидкого топлива применяются демпферы в виде набора кольцевых ребер. Наши эксперименты показали их недостаточную эффективность, и мы приступили к испытаниям гасителя в виде продольных радиальных ребер...

Вот в это самое время и грянул гром. Побывав на нескольких совещаниях в верхах, Шеф дал мне ЦУ – форсировать испытания бака с продольными ребрами. Я по возможности форсировал...

И вот, придя в субботу утром на работу и приступив к испытаниям с особым подъемом (сокращенный рабочий день!), я вдруг узнаю, что Шеф уже звонил из Харьковского ОКБ, где решалась судьба изделия, и требовал в срочном порядке провести испытания двух моделей того самого бака, в котором так опасно раскачалось жидкое топливо. В моделях должно быть установлено по восемь радиальных ребер шириной около трети радиуса. Испытания проводить с жидкостями разных вязкостей. Результаты в виде графических и табличных зависимостей демпфирования от уровня жидкости и числа Рейнольдса передать ему в Харьков по спецсвязи. Там ждут результатов. Он будет звонить ежедневно. Руководителем работ назначается Леонид Рудольфович Дунц.

А что такое испытать две модели бака с ребрами? Это значит надо приваривать к имеющимся бакам конические части, заказывать в мастерской ребра, устанавливать их в баках, добывать огромные количества ацетона и глицерина, готовить разведения с нужной вязкостью, заправлять, качать, записывать, а потом – расшифровывать осциллограммы (это тяжкий монотонный процесс)... И все это – срочно! Но Дунц успокоил: работу будет курировать сам директор НИИ, а это упрощает дело.

А директором в это время был генерал-майор, доктор технических наук Георгий Александрович Тюлин. Он тут же приказал обо всех затруднениях немедленно сообщать ему и сказал, что хорошо бы получить результаты хотя бы к понедельнику... Это значило, что работать придется и в воскресенье. Но, как оказалось, не просто работать: начальник нашей группы испытателей Владимир Григорьевич Степаненко «обрадовал» нас, сказав о переходе на казарменное положение. И работа началась...

Прежде всего заказали ацетон и глицерин. Обычно от заказа до получения проходило несколько дней, но когда работу курирует генерал Тюлин – совсем другое дело. И в тот же день бутыли с глицерином и ацетоном были доставлены в лабораторию. Тем временем начались сварочные работы. В спешке Дунц забыл согласовать их с пожарниками – а они тут как тут! Штраф┘

Разумеется, к понедельнику результатов не было, да и быть не могло – только установлены в баках ребра, просчитаны нужные вязкости и подготовлена аппаратура. Можно приступать к испытаниям. Жидкости в баках раскачивали просто – вручную, с помощью специальной «мешалки», этакой палки с металлическим полукругом на конце. В отчетах и статьях этот метод назывался «заданием начальной амплитуды». Делать это легко только в малых баках, а попробуйте задать нужный тон колебаний в баке диаметром в полтора метра!

Казарменность нашего положения заключалась не в том, что нас никто не выпускал – мы сами просто не могли отойти хотя бы на час-другой: а вдруг что-то сделают не так? Обедали мы, конечно, в столовой, но вечером посылали кого-нибудь в гастроном за продуктами, тем же самым питались и утром. Спали сидя за столом, часа по два-три, иногда и днем, если выпадала возможность. Забывали о бане и бритье.

К середине недели были проведены главные испытания по определению зависимости демпфирования от разных параметров. Столы были завалены осциллограммами. Такие же осциллограммы, только что проявленные и еще мокрые от промывания, свисали с перил антресолей. В ожидании результатов генерал Тюлин звонил и приходил по нескольку раз в день, заглядывал и ночами.

Работа кипела, жидкость в баках колебалась и затухала, Пронин почти не отходил от аппаратуры, которая в то время была очень несовершенной. То и дело слышалось: «Митрич, у меня нуль поплыл!», «Митрич, кассету заедает!», «Митрич, тут какая-то дикая наводка!» И Митрич крутился, успевая подрегулировать, настроить, заменить...

Тот самый демпфер, изобретенный в авральном порядке. Фото из архива автора

Наконец осталось только дорасшифровать осциллограммы, составить таблицы и построить графики. Выявился неожиданный результат: оказывается, демпфирование, возникающее только за счет вихреобразования на кромках ребер, практически не зависит от числа Рейнольдса. Значит, при проектировании и испытании демпферов можно обходиться небольшой моделью бака и в качестве моделирующей жидкости использовать простую водопроводную воду! Огромная экономия времени, сил и средств.

Результаты были переданы по инстанциям. Теперь ожидали мы, как пройдет пуск изделия с нашим демпфером (рис. 1). Аврал пока закончился. Можно было перейти к обычному ритму работы. Лично для меня этот аврал начался в субботу утром, а закончился в пятницу следующей недели, вечером. После работы можно было пойти домой. Правда, не для всех выход с территории обошелся без приключений. Дунц за эту неделю оброс такой бородищей, что в проходной его задержали. Из охраны звонят Папе: «Тут какой-то Фидель Кастро прорывается на выход, говорит, что Дунц, а совсем не похож. Приходите разбираться!»

Есть такой демпфер!

Через несколько дней стало известно, что наш демпфер был установлен (в авральном порядке) в соответствующем баке подготовленного к старту носителя. Запуск прошел как следует. По результатам телеметрии никаких колебаний корпуса на частотах жидкости не обнаружено. Полет проходил в соответствии с расчетной траекторией. Ракета вылечена! Самое интересное, что эта победная реляция прозвучала в один день и час с известием о полете Гагарина┘ Правда, не голосом Левитана по Всесоюзному радио, а из устного сообщения А.Г.Пилютика в узком кругу. И не менее торжественно!

Вскоре вернулся из командировки Шеф. Все в порядке! Не зря он от имени нашего НИИ произнес в инстанциях фразу: «Есть такой демпфер!» Он рисковал, но после получения наших результатов было принято решение – ставить! Постепенно демпферы такого типа были установлены в баках многих ракет и космических аппаратов.

Некоторое время авралы продолжались, но становились все реже, были более спокойными и к концу 1960-х прекратились. Работа стала более размеренной, в 1967 году отдел переехал в новый специально спроектированный и выстроенный корпус. Обновлялась аппаратура, создавались новые методики экспериментальных исследований. Мы занимались дальнейшим усовершенствованием демпферов, значительно повысили их эффективность за счет снижения массы ребер и усиления вихреобразования на их кромках. Были авторские свидетельства на изобретения, акты внедрения.

Результаты исследований отражены во многих статьях и книгах, демпфер стал обычным элементом конструкции. При подготовке книги «Введение в динамику ракет-носителей и космических аппаратов» (М.: Машиностроение, 1975) Б.И.Рабинович попросил меня нарисовать эскизы иллюстраций. На одном из них (рис. 2) в аллегорическом виде представлены результаты учета всех факторов, мешающих устойчивости ракеты-носителя. Робот, символизирующий наш демпфер, нейтрализует демона – возбудителя колебаний.

Но больше всего мне запомнился тот весенний аврал 1961 года, когда за неделю был спроектирован, изготовлен, испытан и внедрен в практику первый в нашей ракетно-космической отрасли механический демпфер колебаний жидкости. Позже для выполнения такого объема работ требовались месяцы, а то и годы┘