Владимир Сыромятников - 100 рассказов о стыковке
И, наконец, при стыковке вся конструкция, образно говоря, вздрагивала от соударения корабля и станции. Когда второй корабль стыковался к противоположному причалу, первый, уже пристыкованный, чувствовал динамику стыковки, а эти нагрузки оказались самыми большими по амплитуде.
Особенностью всех этих нагрузок являлся их динамический характер. При анализе возникали две существенные проблемы: как определить величину динамических сил и как определить прочность при циклическом, многократном нагружении, когда проявлялась усталость материалов.
Во многих областях техники, в первую очередь для подвижных аппаратов, таких как самолеты, корабли, автомобили, эти проблемы являются типичными. Инженеры учитывают эти нагрузки при помощи так называемого коэффициента динамичности. Например, автомобиль весит одну тонну, а на неровной дороге на его подвеску действует сила до 1500 килограмм, этот коэффициент равен 1,5. Другой пример: вес самолета 100 тонн, при посадке на Землю на шасси действует нагрузка в 200 тысяч килограмм — значит, коэффициент динамичности равен 2. Пример из области стыковки: при столкновении корабля и станции может возникнуть сила в 1,5 тонны. На такую нагрузку рассчитывается стыковочный механизм. Как нагружается при этом стык второго корабля? Это непростая задача. Даже дать определение коэффициенту динамичности непросто, а вычислить его еще сложнее.
Это типичная задача, для решения которой нужны математические модели и компьютеры. Для расчета требуется задаться некоторыми характеристиками конструкции и начальными условиями, которые заранее, на Земле, не известны. Поэтому результаты моделирования могут быть консервативными (максимальные оценки) или слишком оптимистичными (оценки минимальные). Проверить эти данные экспериментально в полете сложно, да и единичный, случайный эксперимент может почти ничего не доказать.
Чтобы космические системы и конструкции стали надежными, их дублируют, вводят резервы. Корпуса кораблей и станции практически невозможно дублировать, поэтому резервами конструкторов и прочнистов являются запасы прочности. Естественно, здесь тоже не обходится без перестраховок, без излишеств.
Нетрудно понять позицию специалистов, которые занимаются сложным анализом и моделированием и не хотят рисковать: лучше спать спокойно. Это лишь один далеко не единственный из факторов, почему в конструкцию нередко закладываются слишком большие запасы. Чтобы рационально спроектировать летательный аппарат, из которого выжато все, что можно, чтобы он получился быстрым и маневренным, чтобы он летал, необходим главный конструктор. Этот технический и организационный лидер должен понимать существо основных проблем, обладать интуицией и большими полномочиями. В то же время ему нередко приходится рисковать ради достижения общей цели. Если дать полную свободу специалистам, разработчикам отдельных систем, самолет никогда не взлетит. Однако такой подход относится не только к проектированию самолета в целом. Хорошо, если у каждой системы или агрегата есть свой главный конструктор.
Если вернуться к прочности стыка и к усталостной прочности, надо сказать, что, начиная с первых проектов, мы рассчитывали и испытывали наши агрегаты на максимальные нагрузки, которые определялись описанными методами. Это были так называемые повторно–кратковременные нагружения. Теперь нам пришлось учитывать усталость материалов.
Как известно, многократно нагруженные элементы, как и люди, постепенно устают и, в конце концов, могут сломаться. Усталостные нагрузки обычно меньше максимальных однократных, опять же — как у людей. Чтобы определить пределы усталости, необходимо нагрузить конструкцию миллионы раз. Существуют также нормы статической и усталостной прочности. Их тоже определяют люди, которые порой не хотят рисковать, закладывая коэффициенты безопасности. Нам пришлось испытывать свои агрегаты, учитывая все эти нормы и факторы. На специальном стенде накачивалась усталость в течение нескольких месяцев.
Сложность стыковочных шпангоутов заставила усиливать их при помощи сварных ребер. Сварочные швы — это обычно самое слабое место, особенно при многократных циклических нагружениях. Нам пришлось решать все проблемы в короткие сроки под прессингом малого и большого руководства. Я никогда не забуду эти напряженные месяцы 1977 года, когда готовили к полету первый двухпричальный ДОС. Помню, как еще весной мы обратились за помощью к специалистам по нагрузкам и просили поделиться своими «запасами». Наши теоретики работали под руководством Г. Дегтяренко. Но куда там! Не в правилах их начальника было давать спуску другим.
Главный идеолог ДОСов К. Феоктистов неожиданно занял совершенно другую позицию: если ребра ломаются, давайте уберем их совсем. Дело дошло почти до курьеза: чтобы доказать авторитетному проектанту абсурдность идеи, мы с С. Темновым принесли в жертву один из наших агрегатов. Когда ребра отрезали и собрали частичную установку, я предупредил Станислава: принять меры повышенной безопасности и не подпускать Героя близко к обреченному стыку. Однако опасения были напрасными — космонавт сказал, что в наземном эксперименте он нам доверяет.
Позже, когда «Салют-6» уже летал на орбите, испытания продолжались. Нам пришлось столкнуться с тем, чем занимаются создатели самолетов. ИЛы и ТУ также летали в воздухе, а их братья, как рабы, прикованные к Земле, трудились, махали крыльями на испытательных стендах в знаменитом ЦАГИ. Прочнисты нашего аналога ЦАГИ, ЦНИИМаша, в той эпопее помогали нам идейно, задавая нормы усталостной прочности.
Чего мне удалось добиться, так это рассмотреть проблему с другой стороны: каковы действительные нагрузки на орбите, каков коэффициент динамичности, например, в случае, когда космонавт бегает на орбите? По нашей инициативе подготовили и провели эксперимент под названием «Резонанс». Это название выбрали не случайно. Дело в том, что динамические нагрузки определяются не только амплитудой, но и частотами, их близостью к резонансным частотам. Когда станция залетала, космонавты стали главными экспериментаторами: они прыгали, возбуждая станцию, которая начинала колебаться с собственной частотой, а датчики регистрировали эти колебания. Информация сбрасывалась на Землю, где ее анализировали настоящие специалисты. Эксперимент позволил уточнить расчетные характеристики конструкции, в том числе внутренний коэффициент демпфирования, который определял затухание колебаний. Последнее было очень важно потому, что демпфирование служит, так сказать, внутренним предохранителем при раскачивании конструкции. На Земле опасались, что космонавты будут бегать именно с частотой, близкой к резонансу. Поэтому в качестве еще одного предохранителя установили метроном, а в бортовой конструкции записали, как шагать, бегать и прыгать.
