Становление конструктивно-силового совершенства

Становление конструктивно-силового совершенства

На всех боевых ракетах в качестве топлива для двигателя использовались высококипящие компоненты. На ракете Р-12 применялся азотно-кислотный окислитель АК-27И (27 %-ный раствор окислов азота в азотной кислоте) и один из видов керосина — углеводородное горючее ТМ-185. На всех последующих ракетах горючее — несимметричный диметилгидразин и окислитель — азотная кислота АК-27И. И это лишь свидетельствует о том, что с самого начала, уже при разработке первых ракет, особое внимание уделялось обеспечению высокой степени готовности к запуску. После получения команды на пуск время до старта ракеты должно было исчисляться минутами. Эта задача частично решалась с помощью указанных компонентов топлива, которые самовоспламенялись без взрыва при их соединении в газогенераторе и камере сгорания двигателей конструкции В.П. Глушко. Компоненты топлива могли при необходимости храниться в баках ракеты.

Уже на первых порах сторонники кислородного направления не упускали случая выразить свое негативное отношение к начинаниям нового конструкторского бюро. Характерный эпизод вспоминает инженер М.И. Галась, оказавшийся невольным свидетелем явно неинженерного диалога, спровоцированного одной из сторон.

В коридоре НИИ-229, на стендах которого производились огневые испытания двигателей, встретились два бывших сослуживца, два Василия: первый — заместитель С.П. Королева — Василий Павлович Мишин и бывший заместитель С.П. Королева по конструкции, а ныне первый заместитель М.К. Янгеля — Василий Сергеевич Будник. Как всегда энергичный и категоричный в суждениях В.П. Мишин первым обратился к В.С. Буднику:

— Привет, Василий Сергеевич! Привезли твое чудо?

Да, — дружелюбно улыбаясь ответил В.С. Будник.

— Решили заправить его каким-то г…ом и думаете, что все заработает? — истинно в своем духе закончил вопрос В.П. Мишин.

В ответ на бестактную остроту, недолго думая, В.С. Будник парировал:

— А у Вас работает тогда, когда дернешь за ручку унитаза, — напомнив, что лучше бы В.П. Мишину заботиться не о чужих проблемах, а решать собственные, связанные с гидроударами, которые возникали на входах в насосы ракеты Р-7.

Принятые компоненты топлива определяли и конструктивно-силовые схемы основных отсеков и типовых узлов в корпусе ракеты. Становление их происходило, в основном, в процессе создания ракет первого поколения.

Компоновка ракет Р-12, Р-14 и обеих ступеней ракеты Р-16 выполнялась по одной схеме и включала последовательно бак окислителя, приборный отсек, бак горючего, двигательный — на общепринятом конструкторском лексиконе — хвостовой отсек. Боевое оснащение всех ракет — головные части с ядерным зарядом. На первом этапе на ракете Р-12 предусматривалась установка двух вариантов головных частей с обычным взрывчатым веществом (ВВ). Все топливные емкости выполнялись по схеме несущих баков сварной конструкции, изготовленных из одного и того же материала Амг-6. "Сухие" отсеки — приборный и хвостовой — клепаные, из традиционного для таких узлов материала Д16Т. Для продольного силового набора применялся и алюминиевый сплав В-95.

В силовой схеме конструкции баков ракеты Р-12 в определенной степени прослеживается влияние решений, принятых при создании ракеты Р-5 конструкции С.П. Королева, это — гладкие оболочки, подкрепленные поперечным силовым набором — шпангоутами, получаемыми штамповкой из листового материала и привариваемыми с помощью сварных точек. В баке окислителя впервые (из соображений центровки) было установлено промежуточное днище. В связи со значительным увеличением веса ракет, а следовательно, и осевых сил, действующих на баки ракет Р-14 и Р-16 в полете, по сравнению с ракетой Р-12, как показал анализ проектных проработок, схема гладких оболочек приводила к существенному увеличению веса конструкции. Новые конструкции — всегда носители передовой технологии. Решить проблему облегчения несущих оболочек баков удалось, применив продольные несущие силовые элементы — стрингеры.

Первоначально, в процессе эскизного проектирования, был заложен вариант, в котором стрингеры и соответственно шпангоуты крепились с внутренней стороны к оболочке бака с помощью сварных точек. На ракете Р-16 на определенном этапе рассматривался даже вариант с наружным расположением стрингеров, захватывающих оба бака и приборный отсек между ними. Схема с наружным расположением стрингеров имела определенные преимущества с точки зрения простоты технологии изготовления и силовой завязки стрингеров и шпангоутов. В этом случае удавалось избежать применения не только трудоемких в изготовлении и имевших значительную массу фитингов для крепления стрингеров к шпангоутам, но и искажавших продольную ось стрингеров "подсечек" при заделке их на шпангоуты. Однако ни в одном проекте, не только в конструкциях янгелевских ракет, но других КБ, в дальнейшем схема наружных стрингеров не получила развития, и для всех силовых завязок принималось внутреннее расположение стрингеров. И лишь десятилетия спустя схема наружного расположения стрингеров была успешно реализована французскими и японскими конструкторами.

Приварка стрингеров не только вызывала много трудностей с точки зрения технологии изготовления и последующего контроля качества сварных точек, но и приводила к конструктивному несовершенству, связанному с возникновением начальных неправильностей — отклонением от идеальной формы, а следовательно, и к снижению несущей способности при нагружении в полете.

В совершенствовании силовых схем ребристых баков решающее слово оказалось за технологией. Был разработан оригинальный способ получения панелей большого радиуса из труб малого диаметра. Для этого изготовленная прессованием труба с продольным силовым набором разрезалась по образующей и распрямлялась до необходимой кривизны. В результате получалась панель. В зависимости от диаметра топливный бак собирался из нескольких таких панелей, которые соединялись продольными сварными швами.

Это решение имело продолжение, связанное с дальнейшим усовершенствованием силовых схем баков. Поскольку удалось избежать приварки стрингеров, то оказалось явно неразумным приваривать к оболочке и шпангоуты, которые стесняли деформирование обечайки бака при действии внутреннего давления. В результате родилась концепция подвесных шпангоутов. Последние стали опираться на стенки стрингеров и связывались с ними с помощью уголков. Этим решением достигалось большое конструктивное преимущество, позволявшее практически дифференцировать работу шпангоутов. При действии внутреннего давления они не мешали деформированию оболочки в радиальном направлении и, следовательно, не инициировали деформации изгиба в местах их установки. В то же время шпангоуты включались в работу как опоры для стрингеров при нагружении последних осевыми сжимающими силами, уменьшая их расчетную длину. В конструкции подвесных шпангоутов получила развитие идея приспосабливающихся конструкций, то есть конструкций, реагирующих на внешние воздействия для наилучшего восприятия силовых нагрузок.

Подходы, используемые при проектировании, и порождаемые ими конструктивные решения имеют свою судьбу, свою историю, характеризуемую периодами наибольшей популярности и даже забвения. Эффективность применения разработанных методов определения параметров конструкций зависит от многих обстоятельств и, в первую очередь, от используемых при этом допущений и ограничений. Со временем они могут входить в противоречие с тенденциями развития конструкций, и формальное применение существующих методов расчета и анализа, которые с успехом использовались ранее, становятся тормозом в поисках нужных проектов и более того, иногда даже заводят в тупик.

Показательной в этом отношении явилась история совершенствования конструкции распорного шпангоута днищ баков. Такие шпангоуты устанавливаются в местах перехода цилиндрической части топливного бака в днище. Их назначение — воспринимать распорные погонные усилия (отсюда происходит и название), возникающие в днище от действия давления столба жидкости и давления наддува и передающиеся на край цилиндрической оболочки бака. Для уменьшения деформаций изгиба обечайки бака в месте стыковки ее с днищем устанавливается распорный шпангоут. Таким образом, воспринимая распорные усилия, шпангоут работает как кольцо, нагруженное равномерно распределенным радиальным погонным давлением. А поскольку при таком характере действия нагрузки, направленной к центру кольца, последнее оказывается сжатым, то исчерпание его несущей способности происходит в результате искривления кольца или потери устойчивости, на языке специалистов.

При создании первых образцов баков к решению этой задачи в конструкторском бюро С.П. Королева подошли очень просто: необходимую прочность шпангоута определяли из условия, что он полностью воспринимает на себя распорные усилия и работает независимо от всей конструкции, как изолированный элемент. Такой прием, когда рассматривается предельный, а практически невозможный вариант работы конструкции, часто применяется в расчетной практике, если нет более совершенного метода расчета, а упрощенные подходы дают вполне приемлемые по массе размеры сечений элементов конструкций. А возникающее в результате "переупрочнение" конструкции, приводящее к увеличению ее массы, скрывается обычно за стереотипной фразой: "В запас прочности принимаем…" Обоснованность подобных инженерных подходов подкреплена практикой разработки самых различных конструкций во многих областях техники. Обычно на момент зарождения какой-то идеи многое не известно о работе проектируемого узла. Зачастую отсутствуют и научно обоснованные методы анализа, что заставляет искать приближенные решения. По описанной методике были рассчитаны и распорные шпангоуты днищ баков ракеты Р-12, поскольку их конструкция и диаметры баков были заимствованы из конструкции королевской ракеты Р-5.

Однако несостоятельность такого подхода обнаружилась сразу, когда начались проектные проработки ракет Р-14 и Р-16, имевших соответственно размеры диаметров 2400 и 3000 миллиметров. Поскольку потребный момент инерции шпангоута по описываемой методике, как это следовало из принятой в расчете формулы, определялся прямо пропорционально кубу радиуса, то результаты расчета по схеме изолированного кольца приводили к несуразно большим сечениям шпангоутов. Так возникла кризисная ситуация: потребные размеры поперечного сечения распорного шпангоута росли опережающими темпами по сравнению с остальными размерами бака. Сложившееся положение, противоречащее здравому смыслу, потребовало провести переоценку существующих подходов.

Правильное решение было найдено при более глубоком изучении особенностей деформирования всего стыковочного узла. Как показали проведенные теоретические исследования, его высокая эффективность достигалась благодаря работе всех элементов как единого целого. Изолированно от всей системы примыкающих к нему оболочек, как это предполагалось в расчетной схеме, шпангоут работать не может. Прежде чем кольцо изогнется, потеряв устойчивость от распорных усилий, оно должно преодолеть сопротивление примыкающих к нему соседних элементов. При деформировании под действием возникающих усилий шпангоут обязательно "потянет" за собой и прилегающие элементы конструкций. В данном случае это днище и цилиндрическая оболочка. Вступает в силу "круговая порука", столь часто встречающаяся в технике. Поэтому необходимо рассматривать совместное деформирование всей системы под нагрузкой. Учет совместной работы всех элементов позволил разработать новую методику расчета. Когда были проведены всесторонние теоретические выкладки и соответствующие расчеты, то оказалось, что необходимая площадь распорного шпангоута, определяемая из условий обеспечения прочности узла в целом, во много раз меньше, чем та, которая получалась при бытовавшем ранее подходе.

Но это был только первый шаг на пути раскрытия возможностей распорных шпангоутов. Изменение взглядов на роль отдельных элементов в работе узла помогло подойти к его проектированию с принципиально новых позиций.

В существовавших ранее конструкциях шпангоут, представлявший из себя кольцо корытообразного поперечного сечения, получаемое штамповкой из листового материала, вставлялся внутрь бака и соединялся точечной сваркой как независимый элемент. В новом исполнении он стал непосредственно элементом конструкции корпуса, представлявшим кольцо сплошного поперечного сечения, к которому приваривались все остальные элементы бака. Кроме того, шпангоут "взял" на себя еще одну функцию — стал выполнять роль стыковочного элемента с соседним узлом. Благодаря этому стыковочный узел оказался очень компактным и, что не менее важно, удобным в сборке. И, как следствие, в результате удалось сократить количество стыковочных шпангоутов между отсеками. Функции одного из них и взял на себя распорный шпангоут. В последующих конструкциях баков распорный шпангоут неоднократно усовершенствовался (для уменьшения массы его стали делать пустотелым), применялся в различных модификациях и стал стандартным в отрасли.

Опыт проектирования распорных шпангоутов днищ баков в дальнейшем использовался при создании принципиально новых шпангоутов для крепления корпуса ядерного заряда. Такие шпангоуты были впервые введены в корпуса двух вариантов головных частей для ракеты Р-36. Одна из них несла самый мощный заряд за всю историю проектирования боевого оснащения. В этих конструкциях шпангоуты являлись элементами силового корпуса и воспринимали огромные осевые нагрузки, возникающие при движении на атмосферном участке свободного полета и достигавшие сотен тонн.

Однако внедрение решений, заложенных в проектируемых ракетах, стало возможно благодаря созданию способа получения шпангоутов сложного поперечного сечения методом прессования, явившимся также, в свою очередь, новым словом в технологии машиностроения. О том, какие трудности подстерегают технолога, от которого зависит судьба идеи, заложенной в новую конструкцию, свидетельствует история отработки одного из распорных шпангоутов баков.

Требование проектантов было категоричным: сложный профиль шпангоута должен получаться без механической обработки после прессования. Однако изготовить профиль в заданных допусках на Куйбышевском заводе не удавалось, вдобавок возникли трудности при гибке его и на заводе в Днепропетровске. Работали, учитывая важность задания, сутками. Выходившие из-под пресса профили замерялись микрометром, из них выбирались лучшие. Но получить шпангоуты в заданных допусках не удавалось. В конце концов куйбышевцы вынуждены были расписаться в собственной беспомощности и официально отказались продолжать работы. С ними оказались солидарны и днепропетровцы, принявшие аналогичное решение.

М.К. Янгель созвал специальное совещание. После того, как была зачитана телеграмма из Куйбышева, Главный обратился к присутствующим:

— Так что будем делать?

Технологи конструкторского бюро, курировавшие изготовление шпангоутов, сделали подробный доклад о сложившейся ситуации, продемонстрировали результаты замеров температур и скоростей прессования для 20 профилей. Из представленных материалов следовало, что требуемые размеры могут быть выдержаны при условии соблюдения заданных температур при малой скорости прессования. Михаил Кузьмич внимательно рассмотрел представленные результаты, характеризующие протекаемый процесс прессования.

— Да это целое исследование. Почему же не выдерживаются нужные режимы? — обратился он к присутствующим.

И тут ему рассказали, что на Куйбышевском металлургическом заводе, как и на других аналогичных предприятиях, выпускающих профильный прокат, не удалось избежать порочной проблемы планирования на тонны выпускаемой продукции, а не на погонные метры. А от этого зависит и зарплата. Трудности изготовления и качество выходящей продукции в расчет не берутся. Поэтому при прессовании сложных профилей рабочие остаются без заработка, а инженеры — без премии.

Главный прореагировал мгновенно и категорично:

— Пишите письмо Рябикову[13]. Все подробно опишите. Учтите: если даже один из десяти профилей окажется в нужных пределах, нам все равно это выгодно.

Приказы Главного, особенно в таких экстраординарных случаях выполнялись незамедлительно.

О том, какое внимание уделялось ракетной технике, свидетельствует тот факт, что письмо М.К. Янгеля обсуждалось не только на заводе, изготовлявшем профили, но и в Куйбышевском обкоме партии. В результате были уточнены параметры изготовляемых профилей, условия их оплаты. Вскоре днепропетровский завод стал получать нормальные профили и ему ничего не оставалось, как освоить их гибку, превращая в так нужные для ракеты шпангоуты.

Не менее сложным оказался вопрос, когда с целью облегчения конструкции распорного шпангоута приняли решение делать профиль пустотелым. Вначале договор на изготовление заключили с металлургическим заводом в городе Сетунь. Не возражали опробовать технологию их получения и на заводах в Ступино и Куйбышеве, но при этом они никаких обязательств на себя не брали. Причину такого отношения не скрывали.

Вам только пообещай — потом за горло возьмете.

Поскольку сроки отработки и изготовления профилей были жесткими, об этом доложили Главному:

— Давайте всем, кто берется. Главное — кто быстрее освоит, — резюмировал Михаил Кузьмич.

Заводы начали изготавливать оснастку для получения профилей. Лучше спорилось дело в Куйбышеве. Директор металлургического завода выразил желание лично переговорить по этому вопросу с М.К. Янгелем. Такая встреча двух руководителей была организована в Москве. Михаил Кузьмич умел зажечь, заинтересовать работой любого. Реакция после личного контакта последовала незамедлительно. Директор дал своим службам строжайшее указание: опробовать прессование пустотелого профиля в самое ближайшее время. Вскоре в Днепропетровск самолетом была доставлена первая партия профилей.

В результате возник новый вопрос, на сей раз у плановиков: а что делать с договорами, заключенными с другими заводами?

— Им нужно платить, они нам еще будут нужны. — Таково было указание Главного, когда к нему обратились за решением.

Большую роль в создании совершенных конструкций силовых отсеков ракет сыграло широкое внедрение химического фрезерования днищ и различного рода законцовок для передачи нагрузок от одного силового элемента на другой. Это позволило реализовывать в проектах решения, обеспечивавшие минимальный вес создаваемого узла с высокой удельной прочностью, характеризуемой массой, затрачиваемой для получения единицы несущей способности конструкции.

Одна из сложных проблем, которую пришлось решать при проектировании корпуса ракеты Р-12, была связана с созданием силовой схемы приборного отсека. Необходимость доступа к приборам в процессе наземной эксплуатации потребовала наличия четырех симметрично расположенных люков, занимавших более половины длины окружности обвода ракеты. По сути, силовая конструкция, воспринимавшая нагрузку от бака окислителя и передававшая ее на бак горючего, представляла собой четыре отдельные панели.

Высокую весовую отдачу при таком решении удалось достигнуть за счет развитой подкрепленной панели, закрытые профили которой получались штамповкой из листа и имели ту же толщину, что и обшивка. Размеры всех элементов поперечного сечения профиля и расстояние между стрингерами были одного порядка, что и привело к равнопрочности всего сечения панели. Обшивка соединялась со стрингерами с помощью заклепок и в процессе нагружения не теряла устойчивости. Найденное удачное решение в дальнейшем не получило развитие, поскольку с увеличением диаметра ракет удельный вес люков уменьшался. Это позволило применять прессованные стрингеры, изготавливаемые более индустриальными методами по сравнению со штамповкой из листа.

Для предохранения от внешних воздействий и придания обтекаемой аэродинамической формы двигатель и его системы защищаются специальным отсеком, за которым, как уже было сказано выше, вследствие его расположения в корпусе ракеты, прочно закрепилось название "хвостовой". Одновременно он выполняет и силовую функцию, передавая вес ракеты на пусковое устройство. Для этой цели на его нижнем торце устанавливаются четыре опорных кронштейна. Вертикализация ракеты осуществлялась с помощью ответных винтовых опор стартового стола. Опорные кронштейны ракеты Р-12, на которой управляющими органами являлись газовые рули, служили одновременно и для крепления последних, а также и рулевых машинок, приводивших в действие газовые рули. Конструктивно хвостовой отсек ракеты Р-12 представлял клепаную конструкцию, силовой набор которой изготавливался из сплава В-95, обшивки из Д-16Т и состоял из цилиндрической и конической частей.

Определенные трудности всегда связаны с креплением двигательной установки в корпусе ракеты. Обычно для этих целей служит стержневая конструкция — рама, играющая роль переходного отсека между корпусом и ракетой.

Впервые принятая на ракете Р-12 конструкция четырехкамерного двигателя позволила произвести его компоновку непосредственно на корпус, исключив традиционную раму. Передача четырех сосредоточенных сил от камер двигателя потребовала создания специального силового кольца — развитого шпангоута сборной конструкции, ставшего частью корпуса хвостовой части ракеты. Однако эта удачная силовая завязка в дальнейшем не применялась, так как конструкция двигателей не позволяла ее осуществить.

На ракетах Р-14 и Р-16 вновь вернулись к схеме крепления с помощью двигателя рамы, как это было принято в конструкциях С.П. Королева. Однако на ракете Р-16 в отличие от применявшейся схемы, когда рама по отношению к двигателю направлена вперед и работает на сжатие, была принята схема рамы, направленной назад. При такой компоновке стержни нагружались растягивающими усилиями. За счет этого удавалось существенно сократить длину корпуса хвостового отсека. А стержни, работающие на растяжение, позволяли более полно использовать прочностные характеристики материала, поскольку сжатые рамы теряют устойчивость вследствие малой жесткости на кручение при достаточно низком уровне напряжений.

На ракетах Р-12 и Р-14, как и на королевской Р-5, на хвостовом отсеке устанавливались четыре аэродинамических стабилизатора. В дальнейшем от них отказались. На этих же ракетах исполнительными органами системы управления служили газовые рули, находившиеся в струе газового потока двигателя. Они доставляли много хлопот в эксплуатации. Поэтому на ракете Р-16, как и на всех последующих, исполнительными органами системы управления стали качающиеся малогабаритные рулевые двигатели.

Решения конструктивно-силовых схем, найденные при создании ракет первого поколения, послужили фундаментом для проектирования следующих поколений ракет. Преемственность этих решений прослеживается при анализе особенностей их конструкций.