Центральный институт авиационного
моторостроения имени П.И. Баранова
Rus
Устойчивое горение

Устойчивое горение

7 Апреля 2016

12 апреля исполняется 55 лет со дня первого полета в космос Юрия Гагарина. ЦИАМ причастен к этому эпохальному событию, как и ко многим другим страницам истории отечественной ракетно-космической техники. Полет первого спутника в 1957 г. показал реальность освоения космоса не только инженерам, но и политикам. К этой работе стали подключаться многие предприятия авиационной промышленности, и участие ЦИАМ в создании ракетных двигателей стало важнейшим государственным заданием, хотя работы над ГТД, конечно, доминировали. Координация ракетных работ была поручена заместителю начальника ЦИАМ Валериану Романовичу Левину, а руководимая им Двенадцатая лаборатория стала головной по ракетным двигателям. Воспоминаниями о работах над ЖРД в ЦИАМ делится лауреат Ленинской премии Александр Сергеевич Рудаков, с первых своих дней в институте работавший в отделе 012, а с 1985 по 2005 г. возглавлявший его. 

– Одной из первых работ ЦИАМ в области космических ЖРД стало участие в создании двигателей третьих ступеней космических ракет для запуска лунных автоматов и пилотируемых кораблей.

– До 1957 г. мощные ЖРД класса тяги 100 т создавались в ОКБ Валентина Петровича Глушко. В 1957 г. ЖРД меньшей тяги было решено создавать в других ОКБ, например в Воронеже под руководством Семена Ариевича Косберга. Помощь ЦИАМ здесь была более чем уместна.
Между ЦИАМ и фирмой Косберга установилось тесное сотрудничество, думаю, еще и потому, что Семен Ариевич начинал карьеру конструктора в ЦИАМ, разрабатывал в предвоенные годы агрегаты непосредственного впрыска топлива для авиационных поршневых двигателей, затем был назначен главным конструктором этой темы, формально расстался с ЦИАМ, но душой оставался с институтом.
В конце 1950-х гг. КБ Косберга смело и успешно взялось за ЖРД. Забегая вперед, отмечу, что на вооружение и в космическую эксплуатацию на сегодня принято более 50 типов ЖРД Конструкторского бюро химавтоматики (КБХА) имени С.А. Косберга! Уверен, это мировой рекорд. Во всех ЖРД КБХА есть вклад ЦИАМ, в том числе и в РД-0105, предназначенном для полетов к Луне, и в разработанном на его основе РД-0109 для третьей ступени пилотируемых РН для Юрия Гагарина и последующих космонавтов.

– Основателем и бессменным руководителем отдела аэрокосмических двигателей ЦИАМ до 1985 г. был Валериан Романович Левин. Расскажите об этом человеке.

– Валериан Романович не был кабинетным ученым в классическом понимании этого слова, но он был великолепным организатором и очень сильным руководителем, обладавшим умением накапливать и анализировать информацию, полученную от разных людей. Это был очень властный по характеру человек, его уважали и даже боялись. Допустим, надо подписать у него заявление на отпуск. Он подпишет, но обязательно скажет: «Я в ваши годы так много не гулял». Он пользовался большим авторитетом среди руководителей отрасли. Например, с Николаем Дмитриевичем Кузнецовым, генеральным конструктором двигателестроительного комплекса в Куйбышеве, они были практически друзьями. Если Николай Дмитриевич приезжал в ЦИАМ, то он первым делом шел к Левину и они минимум полдня беседовали. Кузнецов тоже был очень сильным и даже жестким руководителем. В КБ его называли генералом, хотя в форме он ходил редко, как правило, только в Москве. Мне приходилось много бывать в Куйбышеве в период работы над двигателями для Н-1. При мне был такой случай: утром в девять часов начинается совещание по поводу серьезной проблемы с двигателем, из-за которой даже приостановили испытания. Кузнецов спрашивает у начальника отдела камер сгорания: «Доложите, как вы решили проблему». Тот отвечает, что проблемы серьезные и еще не решены. Кузнецов удивляется: «Как не решены?! Я вчера в десять часов вечера уходил домой, а у вас в КБ свет не горел, вы уже домой ушли. Значит, я понял, что вы все решили». А ведь официально рабочий день был до пяти. Заслужить уважение такого руководителя очень непросто. К примеру, в ЦИАМ Кузнецов отличал только двух человек – И.А. Биргера и В.Р. Левина. У Валериана Романовича благодаря многолетнему опыту участия в сложных проектах и общению с руководителями ОКБ и заводов выработалась интуиция, позволявшая ему принимать правильные решения. В частности, именно по его инициативе наш отдел начал заниматься проблемами неустойчивости горения.

Левин.jpg
В.Р. Левин (слева) и Н.Д. Кузнецов

– Неустойчивость горения всегда была смертельной болезнью ЖРД. Работы ЦИАМ сыграли большую роль в борьбе с этим явлением, а для вас эта область стала основной специализацией. Расскажите, как зарождалось это направление.

– В ЦИАМ я пришел еще студентом физтеха на практику в 1963 г. Моим научным руководителем был Владимир Львович Эпштейн. В ЦИАМ было два человека, которые возглавляли исследования устойчивости горения: Владимир Львович Эпштейн и Владимир Евсеевич Дорошенко, будущий руководитель отдела камер сгорания. Казалось, что для решения этой проблемы надо создать теорию нестационарного горения. На такой позиции стоял М.С. Натанзон в НИИТП (нынешний Центр Келдыша). Дорошенко хорошо понимал неподъемность теории горения, понимал, что можно надеяться только на практические способы демпфирования колебаний, не трогая горение. Решение подобной задачи в радиотехнике хорошо известно. Если усилитель начинает возбуждаться, то колебания можно погасить с помощью демпфирующих цепочек. И вот Эпштейн вместе с Дорошенко начали заниматься этими исследованиями. Компьютеры находились в зачаточном состоянии, поэтому решение задачи расчетными методами выглядело проблематичным, и было решено использовать моделирование процессов с помощью специально создаваемых аналоговых электронных машин. И тут я оказался нужным человеком, поскольку был радиолюбителем со школьной скамьи, умел разрабатывать, паять и отлаживать электронные схемы.

– Что из себя представляли эти модели?

– Первая модель предназначалась для исследования низкочастотных продольных колебаний в трубопроводах, а трубопроводы – это аналог линии задержки в радиотехнике, т.е. индуктивно-емкостные, или LC-цепочки. Имитация блока горения осуществлялась простейшим двухламповым генератором. Теоретический расчет каждой конфигурации ЖРД при тогдашнем уровне вычислительной техники мог длиться неделями, а мы ответ получали через 5 минут. Нам удавалось избавиться от колебаний, изменяя длину или диаметр труб, удачно размещая гидравлические сопротивления. Внедрение этих рекомендаций в конструкцию реального двигателя позволяло заставить его работать устойчиво. Следует отметить, что успеха можно было добиться, только досконально зная, понимая схему и конструкцию данного двигателя. В свою очередь, этому способствовала политика В.Р. Левина, который считал «техническую помощь» промышленности важнейшим делом, а внедренную удачную «рекомендацию» не менее ценной, чем научный отчет. По нашим проектам в ряде КБ (в Воронеже у Косберга, в Химках у Глушко, у Люльки) создавались электронные модели разрабатываемых двигателей, которые позволяли существенно сокращать время между чертежом и полетом.

– Но ведь кроме низкочастотных существовали еще и высокочастотные колебания, куда более опасные…

– Почти во всех ЖРД во время экспериментальной доводки возникала высокочастотная неустойчивость горения в камерах сгорания, приводящая, как правило, к мгновенному разрушению двигателя. Мы в ЦИАМ исследовали высокочастотную неустойчивость также с использованием электронного моделирования. Модели, правда, понадобились посложнее. В модели «Факел», например, было несколько тысяч транзисторов, их разрабатывали и паяли мы сами.
Работа велась под руководством Эпштейна совместно с Дорошенко, который уже был начальником отдела камер сгорания, но продолжал сам заниматься исследованием устойчивости на модельных огневых установках. Например, в огневых экспериментах было открыто влияние на устойчивость длины газовых каналов форсунок. Электронное моделирование показало, что дело здесь не в изменениях смесеобразования, а в акустическом демпфировании при «настройке форсунок в резонанс с камерой сгорания». Это позволило рассчитывать конструкцию форсуночной головки создаваемого двигателя так, чтобы обеспечить ему высокочастотную устойчивость. Конструктивно просто и эффективно! Но для этого В.Е. Дорошенко проводил с нами у электронной модели больше времени, чем в своем кабинете или у огневого стенда, учил нас премудростям горения и вместе с нами познавал акустические эффекты и фокусы сложных автоколебательных систем.

– Расскажите о работе по двигателям Кузнецова для Н-1.

– Проблем было много, ведь раньше у Кузнецова ЖРД не занимались, да и от ЦИАМ тоже требовалось немало, здесь обо всем не расскажешь. Вот лишь небольшой эпизод. Благодаря внедрению упомянутой акустической настройки форсунок в двигателях Кузнецова серьезных проблем с устойчивостью горения в камере сгорания не было. А вот в газогенераторе порой возникала неустойчивость, причем странной, «неакустической» частоты – 700 Гц. И самая большая неприятность состояла в том, что никак не могли понять причины ее появления: двигатель работает на стационарном режиме, ничего не сломалось, и вдруг возникают колебания. И мы в группе Эпштейна начали изучать влияние естественного турбулентного шума на устойчивость процессов в камерах сгорания или газогенераторах. На первый взгляд уровень турбулентного шума ничтожен, не может возбудить колебания, но более аккуратный учет нелинейных эффектов дал неожиданный, непостижимый результат. Естественный ничтожный шум может возбудить мощные автоколебания, и это может происходить очень редко (не в каждом полете) и без видимых поводов. Реальная причина оказалась банальной: недостаточная устойчивость процессов горения и наличие шума. От шума (турбулентности) не избавиться, но устойчивость повысить можно, хотя не всегда просто. Непостижимость заключается в том, что характерное время процессов в камере сгорания измеряется миллисекундами, а ждать возбуждения можно несколько часов. Были и другие проблемы, решенные с помощью ЦИАМ.

Н-1 еще.jpg
Транспортировка ракетоносителя Н-1

– Проект Н-1 был закрыт по настоянию Глушко ради проекта «Энергия». Не было ли с его стороны сопротивления участию ЦИАМ в работах по РД-170 для «Энергии»? Ведь головным НИИ по ЖРД в МОМ был НИИТП.

– Во-первых, ЦИАМ в те же 60-е годы вполне успешно работал с КБ «Энергомаш» Глушко, например, по азотно-кислотному РД-253 для первой ступени «Протона», и никакого противостояния с его КБ у института не было, поскольку Левин нас учил, что если с кем-то работаешь, то надо отдавать все силы, чтобы помочь решению проблем. Поэтому в период работы по РД-170 некоторые сотрудники отдела (я в том числе) чаще бывали в Химках, чем на Авиамоторной. Во-вторых, сначала ЦИАМ участвовал не очень активно: проект двигателя готов полностью, идет производство, проводятся эксперименты с моделями камеры, особых проблем не видно, хотя параметры беспрецедентны. Но когда начались натурные испытания готовых экземпляров и почти все испытания кончались авариями, разрушениями не только двигателя, но и стенда, стало ясно, что необходимо подключаться всем и как можно серьезнее. Принципиально нового в РД-170 вроде бы нет, «только» уровень основных параметров существенно выше. Глушко считал создание РД-170 главным делом всей жизни, и все мы тоже понимали важность и грандиозность задачи. Сгорело около 15 двигателей подряд, а однозначных причин не видно. Наиболее вероятные виновники – насос окислителя и турбина, хотя бы только потому, что их мощности и размеры не имеют аналогов. Главная особенность ТНА мощных кислородных ЖРД в том, что после аварии от них практически ничего не остается, нечего изучать. Выдвигались версии аварий, выявлялись отдельные недостатки конструкции и технологий, которые могли бы быть причинами. Невозможно здесь перечислить все специальные исследования, проводившиеся в ЦИАМ для выявления и лечения «детских болезней» РД-170. 
Что касается НИИТП, официально головного, то его участие было больше на стадии проектирования. Во время доводки участие НИИТП было, но меньше нашего и не всегда положительное. Особенно запомнилось всем (в КБЭМ особенно и навсегда) предательство (простите за грубость, но другого слова не нахожу) директора НИИТП В.Я. Лихушина, который после серии неудачных испытаний РД-170 написал официальное письмо в ЦК, в котором проект РД-170 был назван ошибочным и нереализуемым, требовалось срочно работы прекратить и разрабатывать проект двигателя с одной камерой сгорания и в 4 раза меньшим ТНА (на ракете будет в 4 раза больше двигателей). Не факт, что такой проект осуществить проще, а потеря двух-трех лет безусловна. Кое-кто считал демарш Лихушина вредительством, но скорее это была позорная трусость. В.П. Глушко с трудом удалось выпросить еще месяц на решение проблем, но работу над проектом «четвертушки» пришлось начать немедленно, переключив на это часть (не лучшую, конечно) своих сотрудников. Следует сказать, что наш В.Р. Левин очень серьезно переживал после закрытия проекта Н-1 и ЖРД Н.Д. Кузнецова и был очень обижен за это на В.П. Глушко. Тем не менее он требовал от нас полной преданности работам над РД-170 и всем работам по проекту «Энергия» – «Буран», не позволяя сомневаться в их реализуемости. 
РД-170 все-таки заработал, «четвертушка» осталась на бумаге.
Участие ЦИАМ было оценено Ленинской премией, в некоторой степени, возможно, «благодаря» В.Я. Лихушину. Эту премию неожиданно для всех, и для меня, получил я.

– Что значит «благодаря»?

– В кавычках. Существовал неписанный закон, что при выдвижении авторского коллектива на такую награду, как Ленинская премия по технике, должны быть отмечены, разумеется, основные разработчики и обязательно если не руководитель, то ведущий специалист по данной теме от головного отраслевого НИИ. Но В.П. Глушко предательства Лихушина не забыл. Он выбил в ЦК поддержку решения о Ленинской премии за РД-170, но, как мне рассказывали, при обсуждении состава авторского коллектива сказал: «И никого чтобы близко не было из НИИТП. А вот этому, который от Левина каждый день здесь ходил, забыл его фамилию, – обязательно». На следующий день я приехал в Химки, и мне говорят: «Ты знаешь, тебе Ленинскую премию дают». Я не поверил, тогда-то мне и рассказали, как все это решалось.

Рудаков.jpg
А.С. Рудаков, лауреат Ленинской премии

– Почему Глушко решил включить в список именно вас?

– В общем-то эту премию давали не лично мне. Это признание заслуг всего института. Но, конечно, такую награду, как Ленинская премия, которая, в отличие от Государственной, присуждается лишь раз в жизни, случайному человеку не дают. Дело в том, что я имею обыкновение проявлять инициативу, от которой более здравомыслящий человек, быть может, воздержался бы, и так получилось, что благодаря нескольким случаям меня в Химках знали все.
Одна из таких историй произошла при исследовании неустойчивости горения, что было моей основной специальностью. С ВЧ-неустойчивостью у РД-170 все было нормально, настроенные форсунки и здесь сработали. Но возникало что-то вроде продольной неустойчивости с частотой 90 Гц. Эти колебания не разрушали двигатель мгновенно, но приводили к кое-каким поломкам, недопустимым в эксплуатации. Я сделал программу (прогресс вычислительной техники позволил не паять модель), чтобы найти способ ликвидировать колебания, но ответ еще не был готов. Однажды приезжаю в Химки в день испытаний, мне говорят, что сегодня будут испытания экземпляра двигателя с перегородками перед турбиной, против 90 Гц. Я говорю, что это глупость, ничего не даст: «Сказали бы раньше, я бы вас переубедил». Слово за слово, я за час до испытания не только расчетами показал, что колебания не пропадут, но и рассчитал амплитуду колебаний, которые будут сегодня. Конечно, это никому не нужное ребячество и нахальство, испытания не отменить. Я передал свои расчеты конструкторам, а они при экспресс-анализе пуска (через 30 минут после испытания) показали всем мои расчеты: я ошибся всего на 10%. Это мое нахальство запомнилось. Я не знаю ни одного другого случая, когда кто-нибудь осмеливался теоретически рассчитать амплитуду колебаний в реальном ЖРД, даже после испытаний. Позже, перебрав сотни вариантов, я нашел способ подавления этих колебаний: перегородка между выходами регулятора, имеющая специальные каналы и отверстия, которая изменяла динамическую связь между газогенераторами, практически без потерь давления. В итоге перегородку по моему чертежу поставили – и колебания исчезли. Эта деталь стояла на РД-170 и до сих пор летает в РД-171 на «Зените».

– По воспоминаниям участников событий, для решения проблемы с ТНА потребовался многомесячный мозговой штурм ведущих специалистов отрасли. Как это все происходило?

– Мозговой штурм… Это все высокие слова. Была нормальная работа, выдвигались какие-то идеи, искали решение проблем. Конечно, все переживали, у всех этот двигатель из головы не выходил. Но никакой новый двигатель легко не получается. Этот, правда, создавался сложнее других. Рекорды в спорте и в технике непросто даются. Например, турбина РД-170 – всего одно колесо диаметром меньше полуметра, но мощность более 200 МВт! Это почти в 4 раза превышает мощность атомного ледокола «Арктика», что, как говорится, в голове не укладывается. 
Определить причины аварий было трудно, но больше подозрений было к турбине. И тогда появилась идея в отделе ТНА: давайте перепад давления на ней сделаем больше. Известно, если при той же потребной мощности поднять перепад давления, то температуру на турбине можно понизить. Может, турбина тогда не будет гореть. Насчитали, что температура будет на 50 градусов меньше. Сделали. А температура почти не уменьшилась, и двигатель сгорел. У меня возникло подозрение, что в отделе ТНА «забыли» учесть неизбежное увеличение потребной мощности турбины при повышении перепада давления. При повышении перепада на турбине потребуется большее давление в газогенераторах, соответственно, насосы должны работать с большими оборотами и от турбины потребуется большая мощность. Прикинул по дороге из Химок домой в Лыткарино, вечером весь двигатель пересчитал, получилось понижение температуры не на 50, а на два-три градуса, что и произошло на самом деле.
Я предложил сделать наоборот: уменьшить перепад на турбине, тогда температура на два градуса возрастет, зато потребная мощность ТНА уменьшится на 10% и примерно на столько же упадут обороты турбины. Утром доложил о своих расчетах в Химках, мы еще раз вместе все пересчитали. Ошибок нет. Это предложение приняли, двигатель заработал. Конечно, это было оформлено как официальная рекомендация ЦИАМ, но в КБЭМ (и сам В.П. Глушко) знали, кто это сделал. Правда, должен сказать, что одновременно внедрили и несколько других изменений (в том числе и моих), так что нельзя сказать, что снижение перепада давления решило все, но столь значительное снижение мощности ТНА было главным. Вскоре двигатель прошел государственные ресурсные испытания.