Как мы «догоняли» Америку, предварительно обогнав ее

Доктор технических наук, профессор Борис Исаакович Рабинович.

12 апреля 1961 года коллектив лаборатории физического моделирования в отделе динамики НИИ-88 узнал, что пуск ракеты-носителя, в одном из баков которой установлен первый отечественный демпфер колебаний жидкого топлива, прошел успешно. На всем протяжении полета телеметрия не зафиксировала колебаний изделия, вызванных раскачиванием жидкого топлива. Механический демпфер получил первую «прописку».

Люди из Туманности Андромеды

После этого разработанные в нашем отделе механические демпферы колебаний жидкого топлива стали устанавливать на разных изделиях, а перед нами встала новая задача: по возможности увеличивать их эффективность. Иными словами, добиваться увеличения коэффициента демпфирования и вместе с тем снижения массы демпфирующего устройства. Одновременно в отделе проводились исследования колебаний жидкости в емкостях разной формы.

Наши коллеги из лаборатории, которой руководил доктор технических наук, профессор Борис Исаакович Рабинович, занимались теоретическим определением гидродинамических характеристик (частот, присоединенных масс, моментов инерции, коэффициентов демпфирования и т.д.) для различных полостей. Мы же, то есть сотрудники моей группы в составе лаборатории физического моделирования (руководитель – доктор технических наук, профессор Геннадий Никифорович Микишев), определяли эти характеристики экспериментальными методами. Для этого приходилось проектировать специальные устройства и приспособления. Конструкторы из подразделения Владимира Григорьевича Степаненко доводили наши эскизы до рабочих чертежей. Классные специалисты опытной мастерской – слесари и станочники, привычные к ювелирным работам при изготовлении уникальных моделей, наши проекты овеществляли в металле.

Было это во второй половине 1960-х годов. Очень кстати к этому времени был сдан в эксплуатацию специальный корпус для отдела динамики. До этого все подразделения – лаборатории и даже сектора – находились в разных зданиях, и это создавало свои неудобства. А тут – просторные комнаты, огромный испытательный зал с тельферами и антресолями, новая аппаратура, своя энергомеханическая служба, модельная мастерская, фотолаборатория, подсобные помещения…

Во время вечерних и ночных работ испытательный зал приобретал экзотический вид: огромные осветительные приборы своим ртутным светом окрашивали все в какие-то фантастические тона. Приезжавшие кинодокументалисты (они проводили съемки для министерства) сказали, что в этом зале можно снимать кадры фильма «Туманность Андромеды». Настроение творческого поиска заражало всех – от профессора до слесаря и лаборанта.

Глава конструкторского подразделения Владимир Григорьевич Степаненко.

Работы было много, в коллективе царила атмосфера энтузиазма, дружеского юмора, озорных розыгрышей. В стенгазете появлялись шаржи на начальников (см. прилагаемые рисунки). Объекты шаржирования обладали чувством юмора и не обижались, но реагировали по-разному. Б.И. Рабинович (подполковник ВВС в отставке) поблагодарил за то, что я изобразил его в штатском, Г.Н. Микишев (мой непосредственный начальник, он же Шеф) буркнул мимоходом: «Лучше бы с диссертацией поспешили!», В.Г. Степаненко (кубанский казак, фронтовик, кавалер ордена Славы) пригрозил: «Дождешься, я тебя еще не так размалюю!»

В поисках присоединенной массы

Но вернусь к теме работы над демпферами. Особенно мне запомнился один эпизод.

Чтобы как следует разобраться в механизме нелинейного демпфирования, обусловленного процессом вихреобразования на кромках демпфирующих ребер, мы занимались исследованием колебаний отдельной пластинки в жидкости. В этой работе активно участвовал Гена Чурилов, недавний выпускник МВТУ им. Н.Э. Баумана (ныне кандидат технических наук Геннадий Александрович Чурилов – заместитель начальника отдела динамики). В паре с ним часто работал его однокашник по МВТУ Владимир Андреевич Дубровский. Они очень быстро освоились в металлических джунглях испытательного зала – легко лавировали среди чугунных колонн и шурующих блестящими штоками вибростендов, качающихся и вибрирующих баков, мигающих цветными индикаторами преобразователей, ловко подныривали под лианы кабелей и без запинок перешагивали через шланги, змеящиеся по силовому полу.

В то время нам предстояло прежде всего освоить методику определения величины гидродинамической силы, действующей на жесткую прямоугольную пластинку при ее колебаниях в жидкости. Как известно, суммарная гидродинамическая сила складывается из двух сил – сопротивления и инерции. При расчетах обычно используются входящие в выражения для этих сил безразмерные величины – коэффициент сопротивления (Сb) и коэффициент присоединенной массы (Сm). Вот на получении этих величин мы с Чуриловым и сосредоточили внимание.

Доктор технических наук, профессор Геннадий Никифорович Микишев.

Для проведения наших исследований была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка. Ее общий вид и устройство показаны на рисунке. Установка состоит из прямоугольного бака 1, возбудителя колебаний 2 и штока 3 с приспособлением 4 для перемещения испытываемого образца 5 по вертикали и фиксации его на любой глубине. Шток установки выходит из бака через сальниковое уплотнение и соединяется со штоком возбудителя колебаний. Силы, действующие на образец, воспринимаются специальными датчиками 6.

Бак установки – жесткая сварная конструкция длиной 2500 мм, шириной 1500 мм и высотой 1500 мм. В качестве образцов использовались жесткие прямоугольные пластинки разной ширины, но одинаковой длины.

Искомые коэффициенты Сb и Сm определялись с помощью гармонического анализа записанных на осциллограммы кривых гидродинамических сил, действующих (по гармоническому закону) на тело при его колебаниях в жидкости. Этот метод отличается наиболее высокой точностью. Найденные значения наносились на график в виде кривых зависимости коэффициентов Сb и Сm от безразмерного параметра S, величина которого пропорциональна амплитуде колебаний и обратно пропорциональна ширине пластинки.

В ходе экспериментов мы получили результаты в виде графика зависимости Сb от параметра S. Показываем Шефу. Геннадий Никифорович посмотрел и предложил сравнить с аналогичными результатами, полученными несколько лет назад американцами, – они были опубликованы в Journal of Research of the National Bureau of Standards. Тоже колебания прямоугольной пластинки в баке, тоже зависимость Сb от S. Ладно, сделаем…

Нанеся на наш график американскую кривую, вижу, что она лежит значительно выше, особенно при S, соответствующих реальным натурным условиям. В чем дело? Как положено, сначала ищем ошибки у себя. Тщательно проверяем наши данные – нет, все чисто.

Шеф, увидев расхождение с американцами, призадумался, а затем обратил наше внимание на схему «штатовского» эксперимента: «Смотрите, у них пластинка почти упирается торцами в стенки бака. А у вас?» Я сказал, что у нас от каждого торца до стенки расстояние примерно полметра, чтобы исключить влияние стенок. «Я знаю, – отвечал Шеф, – но стоит подумать над их схемой. Может быть, такая близость к стенкам позволяет лучше учесть их влияние?» На мое удивленное «но…» профессор сказал: «Не будем спешить с выводами. Подумайте…» – «Уже подумал! Мы точно воспроизведем их условия!» – «Но как? Удлинять пластинку нельзя…» – «А мы и не будем! Мы начнем приближать к ней стенки бака…» И мелом на доске я изобразил наше «ноу-хау». Ответом было традиционное: «Голь на выдумки хитра…»

Общий вид и устройство экспериментальной установки. (Расшифровка обозначений – в тексте)  Рисунки из архива автора

Конечно, пришлось нам повозиться. Нужно было с максимально возможной точностью, миллиметр за миллиметром с каждой стороны, имитировать постепенное приближение стенок бака к торцам пластинки.

Результаты исследований влияния зазора на коэффициент сопротивления, если их отобразить в виде точек на графике, имеют два пика – при величине зазора 1 мм и при величине зазора 6 мм. Это говорит о том, что американские экспериментаторы напрасно пренебрегли влиянием зазора, а оно, как это видно, весьма значительно. 

Этим и объясняется расхождение наших результатов с американскими. Наша методика испытаний оказалась более совершенной. Но в данном случае не это главное.

Может возникнуть вопрос: неужели такая мелочь, как влияние зазора, может иметь какое-то значение? И может, и имеет. Напомню, что наши эксперименты проводились не из любопытства или желания проверить корректность чужих исследований. У нас была своя цель – выяснить, за счет чего можно увеличить эффективность демпфирующих устройств. Если оказалось, что миллиметровый зазор между стенкой бака и узким торцом пластинки повышает коэффициент сопротивление на 50–60 %, то значит, что и какой-то зазор между стенкой топливного бака ракеты и демпфирующим ребром должен создавать соответствующий эффект.

Так и оказалось после новых исследований. Об этом писал потом Микишев в своей монографии: «Эффективность демпферов колебаний в виде радиальных и кольцевых ребер можно значительно увеличить, если ввести небольшой зазор между стенкой бака и ребрами. 

При оптимальном зазоре коэффициент демпфирования может возрасти в два с лишним раза». Естественно, что при проектировании новых демпфирующих устройств мы этой возможностью воспользовались. Новые демпферы стали значительно эффективнее.

На ошибках учатся – так гласит народная мудрость. Но лучше все-таки учиться на чужих ошибках…