СКТБ «НАУКА» КНЦ СО РАН:
ИСПЫТАНИЯ НА «ПРОЧНОСТЬ»
И «УСТОЙЧИВОСТЬ»
Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» КНЦ СО РАН, отметив 25-летие своего создания в 2011 году, на новом этапе проводит активную работу по реализации стратегии своего развития. Одним из важнейших стратегических направлений деятельности стало участие в разработках по созданию ракетно-космической техники нового поколения, согласно Перечню приоритетных технологий РФ.
С. Чурилов, Красноярск
Общую картину исследований, проводимых в этом направлении, по нашей просьбе охарактеризовал директор СКТБ «Наука» д.т.н. В. В. Москвичёв:
— СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН после детальных обсуждений подписало Генеральные соглашения о сотрудничестве и совместной деятельности с ОАО «Красноярский машиностроительный завод» (2012 г.) и ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» (2013 г.). Цель соглашений — наиболее полное использование научно-технического потенциала организаций при выполнении НИОКР в области разработки новых конструктивных решений и технологий в ракетно-космической отрасли. В настоящее время для ОАО «Красмаш» выполнен комплекс исследований характеристик механических свойств и трещиностойкости сварных соединений сталей, применяемых при изготовлении сосудов давления двигательных установок. Выполнены поверочные расчёты напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций и оборудования для цифрового телевещания. На данный момент ведется проработка технических заданий для проведения дальнейших совместных исследований.
Однако наиболее успешным следует признать сотрудничество с ОАО «ИСС». Существенное значение для нового этапа нашего взаимодействия имело проведение выездного заседания Президиума СО РАН в ОАО «ИСС» в 2011 г. На этом заседании был представлен наш доклад «Живучесть и риск-анализ конструкций спутниковых систем». Последующие рабочие встречи позволили выделить основные направления сотрудничества:
— разработка нормативно-технической документации (стандарты, методики) по оценке и обеспечению надежности конструкций трансформируемых механических систем космических аппаратов;
— комплексный анализ прочности, герметичности, ресурса и безопасности элементов КА и совершенствование конструктивно-технологических решений бортовых конструкций для обеспечения повышенных сроков активного существования КА на орбите;
— проведение поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию промышленных технологий на основе микроэлектромеханических систем для космических аппаратов с ресурсом не менее 15 лет.
Кроме того, Генеральным соглашением предусмотрена возможность создания совместного инновационного предприятия в рамках Федерального закона от 02.08.2009 г. № 217. Следует отметить, что сотрудники СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН ранее принимали участие в исследованиях по заданиям НПО прикладной механики (предыдущее название ОАО «ИСС»). Был выполнен комплекс работ по моделированию разрушения, исследованиям характеристик трещиностойкости и остаточного ресурса ферменных конструкций из боралюминиевого композита для космических аппаратов «Галс», «Экспресс» и «Sesat». Так что практический опыт взаимодействия имелся.
Особенность нынешней ситуации заключается в том, что ОАО «ИСС» является головной организацией-координатором Федеральной технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система». Красноярский научный центр СО РАН традиционно имеет с ОАО «ИСС» тесные научные связи со времен академиков М. Ф. Решетнёва и Л. В. Киренского. В последние годы, благодаря усилиям председателя Президиума КНЦ СО РАН
ак. В. Ф. Шабанова и генерального директора ОАО «ИСС» чл.-корр. РАН Н. А. Тестоедова эти связи расширяются и выходят на новый уровень практического взаимодействия. В дополнение к Институту вычислительного моделирования СО РАН (директор — чл.-корр. В. В. Шайдуров), Отделу радиоэлектроники КНЦ СО РАН (руководитель — д.т.н. В. М. Владимиров) активным участником сотрудничества стало СКТБ «Наука», также вошедшее в состав участников технологической платформы. В СКТБ «Наука» сложился высокопрофессиональный коллектив, способный решать сложные и уникальные по своей постановке научно-технические задачи в области конструкционной прочности и материаловедения, живучести и безопасности технических систем.
Наши сотрудники в последние годы принимали участие в работах по оценке остаточного ресурса конструкций ракетно-космического стартового комплекса «Байконур», расчетно-экспериментальному анализу причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, экспертизе конструкторских решений карьерного экскаватора нового типа и выполнили ряд других работ (ферменные и оболочечные конструкции, котельные установки и сосуды давления, трубопроводы и резервуары для хранения нефтепродуктов).
Однако взаимодействие с таким высокотехнологичным и наукоёмким предприятием космической отрасли как ОАО «ИСС» имеет свои особенности, и путь к конструктивному сотрудничеству был не прост. Думаю, что более подробно о конкретных работах и перспективах расскажут заместитель директора СКТБ «Наука», д.т.н. А. М. Лепихин и руководитель нашего инженерно-инновационного центра Ю. П. Похабов. Речь пойдёт о работах по обоснованию прочности и ресурса ксеноновых баков высокого давления (КБВД) двигательной установки космического аппарата типа «Экспресс». Пневматические испытания таких баков проведены в России впервые.
А. М. Лепихин: Честно говоря, на совместные работы с ОАО «ИСС» мы выходили длительное время, рассматривали различные варианты сотрудничества, искали точки соприкосновения. Но только в начале этого года были заключены контракты на конкретные исследования. Важную роль в этом процессе сыграл руководитель нашего инженерно-инновационного центра Юрий Павлович Похабов, ранее работавший в НПО прикладной механики. Мы сумели убедить коллектив специалистов, возглавляемый директором отраслевого центра крупногабаритных трансформируемых механических систем В. И. Халимановичем, в том, что именно СКТБ — та структура, которая может проводить необходимые им исследования. И располагает для этого всем необходимым. Сейчас мы работаем с ОАО «ИСС» по трем договорам. Два уже заканчиваются, ещё один пока не завершён.
— Продолжать работу с ОАО «ИСС» планируете?
А. М. Лепихин: Конечно! По тем отзывам, которые мы от них имеем, наши разработки их устраивают. Мы понимаем друг друга, и в технических отчётах говорим на одном инженерном языке.
Ю. П. Похабов: Помимо сухих технических отчётов, по результатам работ в ОАО «ИСС» сделаны два фильма по ксеноновым бакам высокого давления. Ролики фильмов размещены в YouTube и рекламируют наши работы. Там есть информация, которая касается сущности выполненных нами работ.
— Какие конкретно работы выполнены?
А. М. Лепихин: Мы проводили исследования уникальной конструкции ксенонового бака высокого давления. Это абсолютно новая и перспективная конструкция для ОАО «ИСС», позволяющая за счёт увеличенного запаса топлива (ксенона) «доводить» спутник на заданную орбиту. При этом отпадает необходимость использования специального разгонного блока, что дает возможность увеличить массу полезной нагрузки. Ракета выводит спутник в космос, а потом он сам «доедет», куда надо.
— Kак вы вышли на эту тему?
А. М. Лепихин: При обсуждении общих вопросов и направлений взаимодействия эта задача была обозначена нам как первоочередная и актуальная. Проблема оценки прочности бака требовала проведения натурных испытаний с использованием специальных стендов и оснастки. Мы предложили свои услуги по проведению таких испытаний. В ИСС удивились: вы что, правда, можете это сделать? Мы сказали: да! И провели испытания в крайне сжатые сроки. Они оказались исключительно интересными, уникальными и по механике, и по всем остальным параметрам. В процессе испытаний осуществлялась постоянная съёмка шестью видеокамерами, с шести датчиков регистрировались сигналы акустической эмиссии, осуществлялся контроль вертикальных и горизонтальных перемещений, проводился контроль герметичности специальными составами, нанесенными на поверхность баков. Первые испытания дали эффектную картину с мощным взрывом. Эти испытания показали хороший запас прочности бака, а также и «запас прочности» наших знаний и возможностей, что стало основным фактором нашего дальнейшего сотрудничества.
— Вы говорили о трёх договорах.
А. М. Лепихин: Да. Кроме испытаний, мы занимались комплексной оценкой прочности, ресурса и безопасности бака и разработкой технологий неразрушающего контроля. Бак работает под высоким давлением в несколько десятков атмосфер. Разрушение бака может привести к тяжёлым последствиям с разрушением или повреждением технологического оборудования, ракеты, персонала. Поэтому был поставлен вопрос: способен ли он выполнять те задачи, для которых предназначен, все ли меры безопасности предусмотрены? Выполненная нами экспертиза была комплексной — включала анализ проектной документации, экспертизу технологии и качества изготовления, анализ прочности и напряженно-деформированного состояния бака. Много интересных задач было решено в ходе этой экспертизы. В частности, конечно-элементное моделирование напряженно-деформированных состояний, выполненное кандидатами наук А. Е. Буровым и С. В. Дорониным с участием молодых учёных — кандидатов наук Е. М. Сиговой и Д. В. Косолапова, позволило оценить влияние упругих и упругопластических свойств материалов и конструктивных особенностей бака на его несущую способность при рабочих, испытательных и разрушающих нагрузках.
Ю. П. Похабов: Таким образом, была выполнена очень объёмная комплексная экспертиза конструкторско-технологического исполнения, герметичности и достаточности экспериментальной отработки бака. Мы проверили весь комплекс работ — от анализа конструкции до контроля качества изготовления бака: смотрели, всё ли учтено, и с каким качеством исполнено. По результатам работ было подготовлено соответствующее экспертное заключение, в котором констатировали: данный бак пригоден для использования в спутниках с учётом сформулированных нами рекомендаций.
— Кто входил в состав экспертной комиссии?
А. М. Лепихин: Собрался весьма солидный состав из специалистов по определенным направлениям. В комиссию вошли заведующий отделом механики деформируемого твёрдого тела Института гидродинамики
им. М. А. Лаврентьева СО РАН
ак. Борис Дмитриевич Аннин, председатель Рабочей группы при президенте РАН по анализу риска и проблем безопасности чл.-корр. РАН Николай Андреевич Махутов и председатель Объединенного учёного совета СО РАН по энергетике, машиностроению, механике и процессам управления, директор Института теоретической и прикладной механики СО РАН
ак. Василий Михайлович Фомин. От нас в экспертную комиссию вошли директор СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН д.т.н. В. В. Москвичёв и директор Научно-производственного объединения «СибЭРА» к.т.н. А. П. Черняев. За научно-техническую часть отвечал я, а Юрий Павлович Похабов координировал и координирует работы по всем направлениям сотрудничества с ОАО «ИСС». Активное участие в проведении экспериментальных работ принимало НПО «СибЭРА», специализирующееся на экспертизе промышленной безопасности и являющееся ведущей экспертной организацией Сибирского региона. Кроме комплекса экспериментальных работ, специалисты НПО «СибЭРА» принимали участие в разработке методики неразрушающего контроля баков в процессе испытаний. Кроме того, НПО «СибЭРА» даже спонсировала часть работ, вкладывала свои собственные средства в экспериментальное и технологическое оборудование.
 |
| Экспертная комиссия в ОАО ИСС им. М.Ф. Решетнёва. Слева направо: А.Е. Буров, Ю.П. Похабов, С.В. Доронин,
А.М. Лепихин, В.В. Москвичёв (СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН), А.Н. Махутов (ИМАШ РАН), А.П. Черняев (НПО «СибЭРА»), Б.Д. Аннин (ИГиЛ СО РАН), Л.М. Бородин, Ф.К. Синьковский (ОАО «ИСС»). |
— Но они вернутся?
А. М. Лепихин: Предполагаем, что вернутся. Но нужно понимать, что исследовательские работы сложно ограничить запланированной сметой. Многое приходилось и приходится делать помимо утвержденной сметы и технического задания, поскольку задачи меняются по мере получения новой информации. Мы ещё не очень чётко представляли, какие работы потребуются, чтобы их включить в смету. Всё не предусмотришь. А делать надо.
— Но зато вы с хорошим результатом вошли в технологическую платформу «Национальная информационная спутниковая система»!
А. М. Лепихин: Да. Участниками технологической платформы мы стали с прошлого года, до проведения обсуждаемых работ. А сейчас получили некоторый опыт, и самое главное — теперь имеем достойную репутацию. Мы показали, что СКТБ «Наука» способно решать самые сложные задачи быстро и эффективно с малыми затратами и времени, и средств. При этом квалифицированно получать значимый научный результат, обоснованный экспериментами и модельными расчётами. В итоге получилась конструкция, которая позволяет проектировать спутники с более широкими функциональными возможностями.
Заметьте, ОАО «ИСС» с нашей помощью за полтора года прошло путь, на который США потратили более пяти лет. Вдобавок наш бак оказался конструктивно интереснее, чем их. Причем он не скопирован с американского образца — ОАО «ИСС» сделали своё, уникальное, оригинальное изделие. Как сейчас говорят, инновационное. Если раньше на спутниках, изготовленных в ОАО «ИСС», использовали ксеноновые баки высокого давления ёмкостью 36 литров, то бак, расчётно-экспериментальную экспертизу которого мы провели, имеет объём на порядок больше.
Ю. П. Похабов: Но спектр задач, которые мы планируем решать совместно с ОАО «ИСС», намного шире. На данном этапе занялись сначала теми задачами, которые необходимо было решить в первую очередь. А это — изготовление и установка бака на спутник, который полетит в будущем году — «Экспресс-АМ6». На самом деле наших коллег и нас интересуют вопросы прочности, надёжности и безопасности всех объектов, входящих в состав спутника. И в первую очередь — механических устройств одноразового срабатывания: солнечных панелей, зонтичных антенн большого диаметра, раскрываемых штанг приборов, антенн и прочего оборудования. Для решения этих задач уже разработано соответствующее техническое задание, готовится договор на создание методик и стандартов по обеспечению раскрываемости этих объектов.
Продолжается работа и по проектированию тяжёлых баков для запасов ксенона в качестве рабочего тела плазменных двигателей, изготовление лёгких и средних баков — всей линейки. Мы будем участвовать в принятии технологических решений на этапах конструирования и производства. Осуществляется это в широкой кооперации ОАО «ИСС» с Центральным научно-исследовательским институтом специального машиностроения (г.Хотьково) и ОАО «Воткинский завод». ОАО «ИСС» выступает в качестве координатора и заказчика этих баков. Мы займемся проведением пневматических испытаний до разрушения, внедрением методов неразрушающего контроля, выступим в качестве экспертов при принятии конструкторских и технологических решений. Параллельно с тем баком, который отправится в космос, на Земле останется его двойник и будет проходить ресурсные испытания на длительную прочность.
— И всё-таки в чем новизна вашего метода исследования ксенонового бака на прочность?
А. М. Лепихин: Как правило, испытания сосудов высокого давления на прочность и до разрушения проводятся при нагружении гидравлическим давлением. Опасность разрушения сосудов в этом случаем минимальная. Но и картина разрушения получается иная. Мы же проводим пневматические испытания. По сути, это аналог того, что может происходить с баком в космосе. Отсюда и проблемы, связанные с безопасностью.
— И до какого давления вы нагружали бак?
А. М. Лепихин: Максимально мы получили 247 атмосфер при разрушении бака. В тротиловом эквиваленте — это почти три килограмма! Опасно? Да! Зато пневматические испытания позволили решить одну из главных задач — осуществление контроля герметичности. Мы в состоянии контролировать нарушение герметичности даже с локальными утечками газа. Для этого используем специальный материал, которым покрываем бак. В месте утечки он вспенивается — и мы это видим. Помимо этого мы слушаем акустические шумы, вызванные деформацией бака, специальной системой акустико-эмиссионного контроля. По результатам выполненных испытаний мы дали конкретные рекомендации, что необходимо изменить в конструкции, чтобы повысить прочность и безопасность бака.
Ю. П. Похабов: Ксеноновый бак высокого давления — это конструкция, напоминающая футбольный мяч. Внутри тонкая титановая камера — лейнер, которая удерживает газ. Она заключена в композитную оболочку, которая обеспечивает прочность. Если разрушается лейнер, бак в целом теряет работоспособность, происходит утечка газа. Поэтому одним из важнейших критериев является контроль герметичности. В процессе наших испытаний мы сумели это сделать, используя акустико-эмиссионный контроль. Результаты численного моделирования напряженного состояния бака позволили выявить некоторые нюансы процессов деформирования бака при нагружении. И, таким образом, имеем полную картину — и экспериментальную, и расчётную.
— Владимир Викторович, хотелось бы услышать ваши заключительные комментарии.
В. В. Москвичёв: Опыт совместной работы с ОАО «ИСС» оказался очень плодотворным во всех отношениях. Во-первых, это была проверка нашего профессионализма и проверка коллектива «на прочность». И она оказалась для нас успешной. Во-вторых, следует отметить высокий уровень предъявляемых требований к качеству работ, который определяется ответственностью объекта исследований и перспективами его применения в ракетно-космической отрасли. В-третьих, высокий профессионализм наших коллег-заказчиков и новые для нас подходы в решении поставленных задач. Научные результаты и оптимальные технические решения, экспериментальные отработки и нормативная документация — всё нацелено на решение производственной задачи. Совместные «мозговые штурмы» и коллективные обсуждения заканчиваются административными решениями с полной мерой ответственности.
При подведении итогов от членов экспертной комиссии приятно было услышать положительную оценку нашей совместной с ОАО «ИСС» работы и слова благодарности В. И. Халимановича «...за своевременно подставленное плечо». Безусловно, мы надеемся на продолжение совместных работ, и в этом заключается «устойчивость» СКТБ «Наука» в сложное для академических институтов время. Нынешнее положение СКТБ «Наука» можно охарактеризовать двумя основными терминами механики деформируемого твёрдого тела: «прочность», фундаментом которой является продолжение традиций научных школ академика АН УССР С. В. Серенсена и академика Ю. Н. Работнова, и «устойчивость», залогом которой является тесное сотрудничество с предприятиями ракетно-космической отрасли.
Итоговые выводы экспертной комиссии
По результатам расчетно-экспериментальных исследований и экспертной оценки КБВД, разработанный и изготовленный для космического аппарата «Экспресс-АМ6», является изделием, воплотившим в конструкции современные научно-технические достижения, и соответствующим передовому международному уровню.
Расчётно-экспериментальные исследования и экспертные оценки показывают, что при данном конструктивно-технологическом исполнении и надлежащем качестве изготовления, КБВД имеет достаточный уровень запасов прочности, ресурса и безопасности для применения в космических аппаратах «Экспресс-АМ6» со сроком активного существования на орбите 15–25 лет, с учётом выполнения прилагаемых рекомендаций.
Безопасность КБВД обеспечивается рациональным выбором конструктивного исполнения, конструкционных материалов, технологии изготовления, методов и средств контроля качества и подтверждается комплексом предварительных испытаний, ускоренных климатических и ресурсных испытаний и испытаний до разрушения.
Необходимо продолжить работы по совершенствованию конструкторско-технологических характеристик и характеристик безопасности КБВД с учётом безопасности комплекса «КБВД — космический аппарат — носитель — оборудование стартового комплекса».
Фото из архива СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН
стр. 6-7
| 
