Гидрокосмос высокого давления

Общий вид эллинга гидравлических испытательных камер ДК-1000 и ДК-600. Фото из архива автора

Лаборатория экспериментальных исследований прочности и надежности глубоководной техники Крыловского государственного научного центра в Санкт-Петербурге – один из самых крупных в мире научно-исследовательский и испытательный комплекс для создания техники, предназначенной для погружения на предельные глубины Мирового океана. Она оснащена гидравлическими стендами высокого давления, имитирующими весь основной режим работы глубоководной техники, средствами измерения, регистрации и обработки замеров деформации и перемещения конструкций, оборудованием диагностики испытуемых конструкций. Жизненный путь лаборатории начинался так.

Задача – техника для глубин

11 февраля 1960 года приказом директора ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова был организован специализированный научно-исследовательский сектор экспериментальных исследований прочности и надежности подводной техники. Инициаторами создания сектора были академик Валентин Новожилов, начальник отделения прочности Георгий Чувиковский и доктор технических наук Анатолий Кудрин при активной поддержке директора института Андрея Вознесенского. Первым начальником сектора был назначен кандидат технических наук Олег Палий. 20 ноября 1962 года его сменил на этом посту кандидат технических наук Юрий Шишалов (в связи с переходом Палия на другую работу). Шишалов и руководил сектором до 31 мая 1989 года.

Глубоководный аппарат «Бекстер». Фото из архива автора

Создание этого сектора было закономерным. В стране шел активный процесс проектирования и строительства подводных лодок нового поколения. Когда еще в 1950-х годах возник вопрос о постройке нового класса подводных лодок (ПЛ) с большой глубиной погружения,  использование существующих конструктивных решений и корпусных материалов уже не могло обеспечить проектирование новых объектов ввиду утяжеления их корпуса, увеличения габаритов и водоизмещения.

Возникла необходимость переоценки приспособляемости существующей проектной методики применительно к новым высокопрочным материалам. Кроме того, в 1952 году правительство Советского Союза приняло решение о создании первой атомной подводной лодки. Позднее, в 1963 году, о создании глубоководной техники для освоения глубин Мирового океана.

Опыт прошлого показал, что успехи в решении стоящих задач могут быть достигнуты, когда уделяется одинаковое внимание как теоретическим разработкам, так и экспериментальным испытаниям маломасштабных и полномасштабных моделей. Цель – установление предела применимости существующих теоретических методов.

В подводном судостроении традиционно, наряду с измерением деформации и перемещения при погружении головных подводных лодок на предельную глубину, существовало три категории моделей, предназначенных для проверки прочности корпусных конструкций: маломасштабные упрощенные точеные модели; среднемасштабные сварные модели, используемые при определении вида разрушения и величины разрушающего давления для новых проектов и для оценки применимости новых концепций; крупномасштабные сварные модели масштаба 1/3 и более, вплоть до полномасштабных, для проверки видов разрушения и разрушающего давления; исследование влияния технологических отклонений.

В 50-е годы прошлого века в ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова и в стране в целом практически отсутствовала экспериментальная база для обеспечения проверки прочности корпусов подводных лодок. Поэтому на момент образования сектор был оснащен по типу американской лаборатории того времени. Это оборудование привез из США директор института (1940–1962) Виктор Першин – инженер-контр-адмирал, лауреат Ленинской премии.

Результаты испытаний как крупномасштабных отсеков в лаборатории, так и результаты испытаний при погружении ПЛ на предельную глубину подкрепляли уверенность в правильности применения различных теоретических расчетов, разработанных исследователями  и проектировщиками конструкций. Сотрудникам нового экспериментального сектора предстояло особенно тщательно и аккуратно отнестись к испытаниям конструкционных отсеков, предназначенных для проверки прочности корпусных конструкций подводных лодок. Для выполнения этой довольно трудной задачи необходимо было иметь методику проведения измерений, записи и оценки перемещения конструкций корпуса.

Крупномасштабный отсек подводной лодки проекта 667А перед заводкой в испытательную док-камеру. Фото из архива автора

Уходим под воду

Как раз в 50-х годах произошло промышленное внедрение в экспериментальную технику измерения электрических датчиков деформации – тензорезисторов. Это произвело переворот в методике измерения деформации натурных промышленных образцов.

Тензорезистор представляет собой очень простое устройство из фольги или тонкого провода, наклеенных на очень тонкую пластиковую или бумажную основу. Датчик наклеивают на корпус и по мере деформации корпуса изменяется поперечное сечение фольги или провода. Соответственно изменяется его электрическое сопротивление, и это изменение фиксируется специальной аппаратурой.

Главная проблема при этом – установка датчиков на конструкции и определение напряжения в этой конструкции. При испытаниях ПЛ приходится сталкиваться с довольно значительными трудностями. Необходима доступность к местам, где наклеиваются датчики. Требуется достаточно точная установка тензорезисторов «лицом к лицу», то есть снаружи и изнутри прочного корпуса, чтобы определить интенсивность напряжения на обеих поверхностях материала. Необходимо обеспечить надежную гидроизоляцию тензорезисторов,  водонепроницаемость и целостность прокладки кабелей тензометрических трасс. Наконец непростая задача – калибровка собранного канала измерений.

Всего наши инженеры-прочнисты за период с 1955 по 1973 год приняли участие в измерении деформации и перемещения более чем на 40 корпусах головных и специальных ПЛ при погружении их на предельную глубину. Отдельно следует отметить участие испытательных партий в измерении деформации при погружении на предельную глубину первых отечественных атомных подводных лодок. В том числе и  первой АПЛ проекта 661 (К-162) с прочным корпусом из титанового сплава. Эта атомная субмарина впервые в истории мирового судостроения развила подводную скорость 44,7 узла (82,78 км/ч). По сей день это остается мировым рекордом.

Следующим этапом получения экспериментальных данных о напряженном состоянии корпусов ПЛ послужили результаты испытаний крупногабаритных и натурных опытных отсеков. Необходимость постройки крупномасштабных и натурных опытных отсеков была очевидна. Оперативно были изготовлены испытательные гидравлические док-камеры, оснащенные насосными станциями и системами управления.

На крупномасштабных отсеках использовались материалы в натурных толщинах, заводские технологии изготовления, возможность установки нескольких оригинальных конструктивных элементов. Все это позволяло разработчикам программировать проведение исследования напряженного состояния конструкции при статическом, циклическом и длительном нагружении.

Такое увеличение количества экспериментальных данных, необходимых для анализа, могло бы привести к очень сложной проблеме, если бы скорость и система записи данных не совершенствовались бы наравне с требованиями к испытаниям. Поэтому в лаборатории были разработаны и изготовлены многоканальные переключатели. Одновременно велись консультации с ведущими испытательными центрами страны: ЦАГИ им. Жуковского (Жуковский), СИБНИА им. Чапыгина (Новосибирск), КБ Челомея (Реутово).

Примером рекордного применения тензорезисторов и прогибомеров могут служить успешные испытания крупномасштабного отсека при строительстве ПЛ проекта 667А. При этом для исследования напряженного состояния, а затем и для определения несущей способности одновременно выполнялась запись деформации конструкции с помощью почти 4000 тензорезисторов.

Испытание оболочки глубоководного аппарата «Мир». Фото из архива автора

Оболочка решает все

Совершенствование теории оболочки и ее приложений к расчету и проектированию прочных корпусов глубоководных аппаратов и подводных лодок неразрывно связано с развитием собственной экспериментальной базы.

Первые гидравлические камеры простейшей конструкции и небольших размеров появились в ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова еще в 1950-х годах.

Так, в 1951–1955 годах Анатолий Ириков разработал и внедрил установку для испытания на устойчивость бумажных моделей с помощью вакуума.

В 1954–1955 годах Олегом Палием в камере диаметром 250 мм, нагружаемой ручным насосом, была испытана на устойчивость серия жестяных конических моделей при невысоком значении наружного гидростатического давления.

В 1960 году была введена в строй камера диаметром 470 мм, длиной около 1000 мм на рабочее давление 80 атм. Ее спроектировал Юрий Шишалов. Эта камера позволила испытывать на устойчивость несколько серий сферических сегментов и коробовых оболочек, изготовленных из листовой меди. В этой же камере испытывались на устойчивость модели ребристых цилиндрических оболочек и многие другие.

Однако модели оболочек, предназначенных для испытания в этих малоразмерных камерах, не позволяли имитировать достаточно детально конструкции реальных корпусов подводных лодок. Явно ощущалась необходимость в более крупномасштабном моделировании и, следовательно, в более объемных гидравлических камерах.

В 1965 году в институте был введен в строй стенд ДК-60, который состоял из трех гидравлических камер: диаметром 2000 мм, глубиной 4500 мм на рабочее давление 65 атм.; диаметром 1380 мм, глубиной 3000 мм на 70 атм.; диаметром 3500 мм, глубиной 5000 мм на 40 атм. В связи с внедрением новых высокопрочных материалов выявилась необходимость проверки циклической прочности корпусов подводных лодок, и стенд ДК-60 был оснащен высокопроизводительными насосами, а затем и автоматической системой управления режимом испытаний.

В 60-х годах развиваются исследования, направленные на внедрение в подводное судостроение высокопрочных неметаллических материалов: стеклопластиков и ситаллов. В связи с этим в институте появляются специализированные камеры высокого давления. Проектирование, изготовление и монтаж этих установок выполнялись под руководством Николая Трунина.

Экспериментальная база Крыловского государственного научного центра позволяет испытывать в том числе и элементы глубоководных трубопроводов.  Фото из архива автора

Глубоководная тематика

На президиуме научно-технического совета Государственного комитета по судостроению 6 июня 1963 года была открыта новая страница в истории отечественного подводного судостроения – создание глубоководных (свыше 1000 м) обитаемых технических средств (ГТС) для освоения Мирового океана. Это направление, по предложению председателя Госкомитета по судостроению Бориса Бутомы, получила название «Глубоководная тематика».

Испытательные камеры, способные создавать гидростатическое давление, имитирующее эксплуатационное забортное для подлодок и глубоководных аппаратов, являются непременной и очень важной составной частью арсенала экспериментальных установок отрасли. Их отсутствие или недостаточная номенклатура препятствуют развитию глубоководной техники.

Инициатором создания гидравлических камер высокого давления выступил ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова в лице Виталия Рябова, вошедшего с самого начала в «Глубоководную тематику» по вопросам прочности, надежности и конструирования корпусов ГТС. При поддержке ведущих специалистов отрасли, Военно-морского флота и конструкторских бюро он провел трудоемкую работу по выбору и обоснованию состава и технических характеристик комплекса испытательных док-камер высокого давления.

Новые конструкции и материалы нуждались в экспериментальном подтверждении прочности и надежности корпуса. Естественно встал вопрос о создании камер высокого (не менее 320 атм.) давления. Для решения вопроса прочности и надежности в ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова была начата работа по выбору и обоснованию технических характеристик гидравлических камер высокого давления. К 1988 году был разработан и создан стенд К-1000 из трех камер диаметром 1200 мм на давление 1000/1400 атм.

Следует подчеркнуть, что создание экспериментальной базы в ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова имело целью проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ для создания легких, принципиально новых образцов техники, технологии и производства по их изготовлению, для отработки конструктивного решения прочных корпусов и проверки их надежности под действием высокого гидростатического давления, включая длительные и циклические ресурсные испытания.