Ракетные двигатели под нашим контролем

Белорусские разработки востребованы в ракетостроении

Когда нужно проверить на прочность автомобиль, ему устраивают краш–тест. Но что делать со штучными дорогостоящими изделиями, например ракетными двигателями, цена которых исчисляется миллионами долларов? На помощь приходят методы неразрушающего контроля, способные точно оценить качество и характеристики изделия, не нанося ему никакого вреда. В Институте прикладной физики Национальной академии наук этой темой занимаются более 50 лет, и о том, насколько успешно, говорит тот факт, что российская аэрокосмическая отрасль пользуется именно белорусскими разработками. Как наука воплощается в конкретных приборах, способных решать нетривиальные задачи, в предверии съезда ученых корреспондент «СБ» узнала у Егора Гнутенко, старшего научного сотрудника лаборатории контактно–динамических методов контроля.


На рабочем столе Егора — фрагменты деталей жидкостного ракетного двигателя. Контроль покрытий различных узлов этого сложнейшего устройства — основная сфера его научных интересов. Ей посвящена кандидатская диссертация, которая сейчас в процессе написания, а за практические результаты в решении актуальных задач неразрушающего контроля покрытий ракетной техники он стал обладателем президентской стипендии. По словам Егора Гнутенко, ракетный двигатель — вершина технологий, изделие уникальное, как и применяемые в нем решения, материалы, покрытия:


— Крупный агрегат работает под невероятными нагрузками, топливо сгорает с огромной скоростью, создавая при этом очень высокие давление и температуру. Видите этот фрагмент двигателя? Это самое узкое, критическое сечение камеры сгорания, его диаметр — всего около 23 сантиметров. Соответственно оно испытывает и самую высокую огневую нагрузку. Поэтому, чтобы не произошло прогорание стенки двигателя, ее дополнительно покрывают достаточно толстым слоем никеля (до 700 микрометров), а затем хрома (до 200 микрометров). Для сравнения: в обычной промышленности хромовые покрытия, как правило, в 10 — 20 раз тоньше. Однако такие специальные покрытия выполняют свою функцию только в том случае, если обеспечена их толщина. Поэтому и стоит вопрос ее контроля. Для этого мы разрабатываем толщиномеры — это узкоспециализированные приборы, изготавливаемые под заказ, так как диапазон толщин, на который они рассчитаны, и сложность контролируемого изделия являются уникальными. Таких толщиномеров, нашедших применение на ведущих ракетных заводах России, уже создана целая линейка.

Метод, используемый для неразрушающего контроля в данном случае, называется пондеромоторным, или магнитоотрывным. Работает он, если описать совсем просто, так: магнит притягивается к никелевому покрытию, затем его отрывают и оценивают силу, при которой это произошло, — она и говорит о толщине. Но преломить этот, казалось бы, простой метод для аэрокосмической сферы крайне трудно, учитывая сложность изделий и сопутствующие мешающие факторы.

Егор Гнутенко берет в руки фрагмент сложной формы, колесо турбины с множеством лопаток: оказывается, это элемент одного из самых дорогих узлов ракетного двигателя — турбонасосного агрегата, стоимость которого доходит до сотен тысяч долларов. Он ответствен за прокачку компонентов топлива. Колесо делается из цельного куска металла по специальным технологиям. Чтобы привести его в движение, в него бьют реактивной струей. А чтобы не происходил его прогар, на колесо наносят специальное никелевое покрытие толщиной до 300 микрометров. Стоимость детали настолько высока, а потери, в том числе репутационные, при провальном запуске ракеты, столь огромны, что вопрос контроля качества выходит на первый план. Собственно, поэтому в первую очередь неразрушающий контроль находит себя в областях, где изделия дороги и в случае неудачи есть риск больших убытков: космос, авиация, энергетика. Исследователь говорит, что сейчас задача более сложная:

— Когда нанесено несколько покрытий, за один раз определить толщину каждого из них на готовом изделии. Двигатель — вещь многокомпонентная. Что–то делается на одном заводе, что–то — на другом. И когда это все прибывает в финальную точку сборки, стоит задача входного контроля. Сейчас мы плотно работаем с Санкт–Петербургским национальным исследовательским университетом информационных технологий, механики и оптики, совместно создаем установки для автоматизированного контроля.

Установки для автоматического контроля помещаются внутрь двигателя. Они сами перемещают датчики по кривизне его камеры сгорания и контролируют множество точек. Это поможет также прогнозировать, каков будет остаточный ресурс, как покрытие поведет себя в дальнейшем. А этот вопрос часто задают ученым.

Свой метод

Еще один способ узнать о материале все — твердость, прочность, вязкость, упругость, стойкость к деформациям и прочее — в Институте прикладной физики называют собственным эксклюзивом. Речь о таком методе неразрушающего контроля, как динамическое индентирование. Суть его в следующем: на исследуемую область объекта падает боек, и по характеру его взаимодействия с поверхностью определяются ее свойства. Взять трубопровод. Он находится под давлением, но вдруг возникает трещина. Вопрос: произойдет авария или нет? С помощью метода динамического индентирования можно оценить способность металла сопротивляться развитию трещин, понять, достаточна она или нужны экстренные меры. Этот же способ помогает контролировать прочность бетона, в первую очередь на таких ответственных сооружениях, как мосты и опорные конструкции. Работает он и на космос. В космических аппаратах, которые эксплуатируются в сложнейших условиях, при температуре —200 градусов Цельсия, в качестве материалов для уплотнителей используется не резина, а особый углеродный материал: пирографит. Если он разрушится — потеряется герметичность, а это чревато аварией. Поэтому материал и проходит жесткий контроль.


Первый в СССР портативный динамический твердомер был придуман и сделан именно в Институте прикладной физики еще в 1970–е годы — в одно и то же время, когда схожие приборы стали появляться за рубежом. С тех пор нашими физиками создана и постоянно пополняется целая линейка программно–аппаратных комплексов, применимых к металлу, полимерам, композитным и углеродным материалам, бетону и другим материалам. Такие приборы отличаются высокой точностью, а по цене на 30 — 40% дешевле российских аналогов. Потребность в них постоянно растет. Однако в лаборатории контактно–динамических методов контроля не скрывают, что главной целью считают не масс–маркет, а производство эксклюзивных приборов, для решения нетипичных задач, с которыми невозможно справиться имеющимися на рынке средствами. Егор Гнутенко приводит свежий пример:

— Для ОАО «Белшины», нашего гиганта, мы сейчас разрабатываем систему мониторинга температуры в шине — при испытаниях на стенде. Предприятие изготавливает сверхкрупногабаритные шины для карьерной техники, в том числе для БелАЗов. И когда отрабатывается технология их производства или меняется состав резины, важно знать, как шина ведет себя в процессе испытаний, каждую минуту отслеживать температуру в толщине резины. Готовых решений для такой задачи просто не существует.


Идти от идеи к реализации помогают сильная научная школа, многолетние исследования, хорошая приборная база и штучные кадры.

КСТАТИ

Институт прикладной физики совместно с Институтом физиологии Национальной академии наук начали оригинальный проект, в результате которого на свет должен появиться умный тренажер равновесия, доступный широкому кругу потребителей. Его основа — диск, «нашпигованный» датчиками, на котором нужно будет удерживать равновесие и выполнять упражнения. Задания даст смартфон, он же с помощью специальной программы оценит их выполнение. В упражнениях на равновесие задействованы многие системы организма, что улучшает координацию, память, внимание. Плюс такая платформа поможет тренерам перед соревнованиями определить, какой из спортсменов находится в наилучшей физической форме.

vasilishina@sb.by

Заметили ошибку? Пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Автор фото: Юрий МОЗОЛЕВСКИЙ
ТЕГИ:
Версия для печати
Заполните форму или Авторизуйтесь
 
*
 
 
 
*
 
Написать сообщение …Загрузить файлы?