CC BY
28
О ПРОФЕССИИ И ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИИ
УДК 531.383
ГОДЫ УЧЕБЫ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
В. А. Матвеев
Описаны события научной работы в студенческие годы и аспирантуре. Приведены постановки задач и результаты их решений в области создания перспективных образцов гироскопической техники.
Ключевые слова: студент, аспирант, разработчик.
Базовое образование получил в Тульском механическом институте (ТМИ), где преподавали прекрасные преподаватели, которые инициировали стремление студентов к самостоятельной научной работе. Первую научно-исследовательскую работу (НИР) выполнил по расчету кулисного механизма с учётом нелинейностей, зазоров в сочленениях и сил трения. За эту работу получил грамоту СНТО, которой в тайне гордился. Дипломную практику проходил в ленинградском конструкторском бюро, которое занималось разработкой технологического оборудования, связанного с изготовлением двигателей подводных лодок. Первую задание, которое мне поручили - развод трубопровода по всей конструкции станка. Руководитель, узнав, что я отличник, достал чертеж на «синьке» сложной механической системы - суперфинишной головки (СГ) для бесцентрового шлифования клапанов двигателей. При этом сказал, что чертеж для «служебного использования», так как был добыт нашими зарубежными разведками, но без технического описания и тем более расчетов. СГ представляла собой сложную многомассовую механическую систему, состоящую из шести колебательных (в продольном направлении) механических систем. На шестой массе располагались абразивные брусочки, под-
341
вешенные свободно на полусферических цапфах. СГ запускалась путем подачи сжатого воздуха постоянного давления в специальные пневматические устройства, благодаря чему возбуждались колебания, и СГ работала в автоколебательном режиме. Мне были сообщены некоторые данные по амплитуде, частоте, времени выхода на рабочий режим. Исследуемый процесс нельзя было рассмотреть, как изотермический, изобарический или адиабатический; для меня это придавало особую романтику исследования.
Через 15 дней показал расчеты температуры, давления, возмущающих сил и других характеристик доценту Бакланову в присутствии профессора Б.М. Подчуфарова. Зная возмущающие силы, приступил к расчетам сложной колебательной системы, руководствуясь консультациями известного в ТМИ механика профессора Богородицкого - «младшего». Закончив расчеты, выслал в Ленинград, откуда пришло благодарственное письмо. Запомнилось волнение, одобрение государственной экзаменационной комиссии (ГЭК), состоявшей, примерно, из 17 членов. После окончания моей защиты послышались аплодисменты, присутствующих на защите, что было полной неожиданностью. В 1962 г. за работу «Расчет суперфинишной головки» получил диплом 1-й степени на Всесоюзном конкурсе студенческих НИР. После окончания работы ГЭК проректор по НИР Анатолий Яковлевич Шайденко предложил работать младшим научным сотрудником Института физики Земли Академии наук СССР им. О.Ю. Шмидта (ИФЗ АН) и по совместительству ассистентом на недавно образованной кафедре «Гироскопические приборы и устройства», первым заведующим которой он стал. А.Я. Шайденко был энергичным увлекающимся человеком, эффективно организовывал научные работы, встречался по этому поводу с руководителями предприятий и учеными. В частности, был свидетелем его напористого разговора с известными учеными Шипуновым, Буланже, Поповым. По заданию ИФЗ АН СССР на кафедре в 1962 г. началась разработка гиростабилизатора (ГС) для морских гравиметров. «Главным конструктором» был назначен только что окончивший ТМИ В.К. Карпов. Мне было предложено заняться гироблоком и системой коррекции ГС. Элементы для ГС добывали на предприятиях страны, пользуясь Постановлением Совмина СССР о безвозмездной помощи вузам. Например, посетив Генеральный штаб ВВС, ЦНИИАГ (Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики), РПКБ (Раменское приборостроительное конструкторское бюро), ЗМПЗ (3-й Московский приборостроительный завод) и другие предприятия получили гиросистем и гироприборов на огромную сумму - 2 млн рублей. Этого оборудования хватило на укомплектование ГС, организацию лаборатории «Элементы гироприборов», постановку работ по гироприборам (ЦГВ, ГМК и др.). Впоследствии морские испытания подтвердили выполнение технических требований, предъявляемых к ГС гравиметра.
При морских зимних испытаниях в акватории Черного моря занимался оценкой точности ГС с использованием высокоскоростной кинокамеры. На кафедре ГПиУ читал курс «Гировертикали» на базе материала, полученного при стажировке в 1961 году на кафедре П-4 «Гироприборы и устройства» МВТУ им. Н.Э. Баумана. Поставил в 1962 году новый курс «Элементы гироприборов» с разработкой методических указаний к лабораторным работам. Чуть позже выходит книга Бабаевой Н.Ф. и др. «Элементы гироприборов», идеология которой, к моему удовлетворению, совпадала с разработанной мной программой. В дальнейшем в МВТУ им. Н.Э. Баумана выходит книга «Элементы гироприборов» Никитина Е.А., Шестова С.А. с моим участием, за что я весьма благодарен профессору Евгению Александровичу Никитину, кстати, и за многое другое в становлении моей карьеры.
В 1963 году приглашен в аспирантуру МВТУ им. Н.Э. Баумана профессором Д.С. Пельпором по инициативе Е.А. Никитина на кафедру П-4. При этом состоялся «обмен» -на кафедру «ГПиУ» ТМИ был направлен закончивший аспирантуру кафедры П-4 Платонов В.К., а я уезжал в МВТУ им. Н.Э. Баумана. При оформлении документов в аспирантуру предъявил справку о сдаче кандидатских экзаменов на «отлично» (специальность, философия, французский язык) и должен был зачислен без вступительных экзаменов. Почему-то это вызвало гнев у начальника сектора аспирантуры Иванова В.Г. (бывшего «куратора» Бутырской тюрьмы), который сказал, что завтра в 9-00 (разговор проходил в 16-00) мне необходимо сдать экзамен по курсу «История КПСС», изложенного в двух больших томах. В читальном зале уговорил в 17-00 под залог унести с собой два тома. Конечно, целая ночь прошла в тесном контакте с «Историей КПСС». Утром на экзамене меня вызвали первым. Задав мне несколько вопросов по книге В.И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм», его работе «Очередные задачи Советской власти» профессор Докукин неожиданно встал, пожал мне руку и поблагодарил, поставив отметку «отл». Профессор Докукин оказался милейшим человеком, впоследствии спрашивал при встрече о моих успехах. Кстати, Докукин - член партии большевиков с 1904 года, воевал в Гражданскую войну, и строил новое государство. Это был по-настоящему советский человек с верой в идеалы, что явилось причиной глубочайшего к нему уважения. Лет через 50 я узнал, что коллега по МВТУ им Н.Э. Баумана дважды Герой Советского Союза, летчик - космонавт, академик РАН, необычайно обаятельный человек, Соловьев Владимир Алексеевич является его зятем.
Первым моим научным руководителем был назначен доцент В. А. Бауман, интеллигентный человек с каким-то тихим нравом. Было понятно, что инициативу надо брать на себя: выбрал предложенную по совету Е.А. Никитина тему «Гиростабилизатор спецприборов на автомобильном транспорте». Месяцев через шесть, вызывает Д.С. Пельпор
и предлагает мне новую тему диссертации по разработке гироблока с шарикоподшипниками системы «Роторейс», которая использовалась в американской гироскопии в 60-е годы. Интересно, что закрытый первый патент, полученный Д.С. Пельпором и Е.Ф. Антиповым, в 1940 году, предвосхитил эту идею, которая состояла в том, что для подвеса гироузла применяются два шарикоподшипника с дополнительными средними кольцами (трехколечные шарикоподшипники). Средние кольца приводятся в противоположное направление вращения относительно друг друга. Возникает не сумма моментов сил трения, а разность возмущающих моментов, которая примерно на порядок меньше суммы моментов. При реверсированном движении колец уменьшение происходит еще на порядок, так как интегральное значение моментов сил трения, воздействующих на гироскоп, пропорционально половине разности «первой разности» моментов. Однако мне не хотелось заниматься элементами гироприборов, думал о создании системы. Поэтому решил обосновать невозможность написания темы «по трению», по которой существовали на тот период более 3000 отечественных и зарубежных источников. Интенсивно посещаю библиотеки - Политехническую, имени В.И. Ленина, разъезжаю по предприятиям. Благодаря предварительному звонку Д.С. Пельпора, который имел огромный авторитет в промышленности, меня встречали «как родного», предоставляя материалы, технические отчеты, возможность посещения конструкторского бюро (КБ) и цехов. Стало понятно в каком направлении двигаться, увидел ряд нерешенных проблем. За этот короткий период познакомился с замечательными интересными разработчиками. Назову лишь главного конструктора ВНИИПП (Всероссийский научно-исследовательский институт подшипниковой промышленности), создателя завода прецизионных шарикоподшипников «Лоза» (г. Сергиев-Посад) Д.М. Богородицким, отцу которого М.В. Богородицкому, очень грозному преподавателю, сдал теоретическую механику на «отл», что не могло не понравиться сыну. Благодаря Д.М. Богородицкому познакомился подробно с технологией производства скоростных и чувствительных подшипников. Достижения были мирового уровня. В частности, овальность колец достигла 0,1-0,01мкм, каждый прецизионный шарикоподшипник имел свой сертификат с геометрией профиля дорожек качения.
Доклад на заседании кафедры состоялся примерно в декабре 1964 г. После доклада Д.С. Пельпор первым взял слово и сказал: «Материал доклада ясно доказывает актуальность и перспективность исследований шарикоподшипников при разработке новых гироскопов». Моя тема по шарикоподшипникам была утверждена. На следующий день знакомился с лабораторией в ЦКБ «Алмаз», где Д.С. Пельпор работал заместителем главного конструктора П.М. Кириллова, Героя Социалистического Труда, Лауреата Сталинских премии, участника великой отечественной войны, человека с широким стратегическим инженерным мышлением и высочай-
шим чувством ответственности перед страной. Возглавлял лабораторию Ю.Н. Семенов, его заместителем по проблемам разработки опор гироскопов являлся Николай Петрович Маслов, которого считаю своим учителем по доведению идей до конкретных разработок. Впоследствии мы были дружны более 50 лет. Кстати, нас с Н.П. Масловым объединял также интерес к искусству, особенно, к русской живописи XIX века. Первые шаги связаны с разработкой экспериментальной установки для измерения возмущающих моментов с высокой точностью (10-4гсм). Предложил схему «компенсационного» измерения моментов. Были созданы гироблоки с ре-дукторным и шаговым приводами трехколечных опор. Требование по уменьшению возмущающих моментов шарикоподшипников вызвало необходимость в развитии их методов расчета. Выделены две составляющие возмущающих моментов: диссипативная, определяемая силой трения в контакте элементов шарикоподшипников; консервативная, определяемая погрешностями геометрической формы элементов шарикоподшипника.
Для шарикоподшипников выявлена экспоненциальная зависимость момента сил трения от угла поворота подвижного кольца (в малых пределах менее 10). Это дало возможность установить аналитические зависимости моментов сил трения от линейной и вибрационной перегрузок, амплитуды и частоты колебаний колец, которые хорошо подтвердились при испытаниях на специально разработанных стендах и установках.
Анализ консервативных составляющих возмущающего момента позволил выработать рекомендации по обеспечению заданного минимума момента сил трения и геометрии элементов шарикоподшипников. Интересный результат по обеспечению заданного момента сил трения и долговечности опор получен при применении специально разработанных смазок, в частности, при эксплуатации приборов в космосе.
На базе теоретических расчетов создано десять опытных гиробло-ков на трехколечных шарикоподшипниках с приводом от шагового двигателя, которые при массе 300 г и сравнительно небольшой стоимости имели скорость дрейфа 0,1°/час. Жаль, что «перестройка» погубила их внедрение.
В конце 70х годов в СССР обратились к разработке динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ). Побудительным мотивом послужила информация о разработке ДНГ в США. Ряду фирм «ЦКБ Алмаз», НИИ ПМ им. Кузнецова, «РПКБ», «МИИА» правительство поручило разработку ДНГ, создав тем самым здоровую конкуренцию. Центральное конструкторское бюро (ЦКБ) «Алмаз» с МВТУ им. Н.Э. Баумана заключили договор в соответствии с Постановлением СМ СССР. Кафедре П - 4 поручалась разработка теоретических вопросов. Первые работы были написаны Пельпором Д.С. и Бромбергом П.В., в которых рассматривалась механика ДНГ, найдены условия динамической настройки и устойчивости, а также приближенные расчеты скорости дрейфа ДНГ. Автор возглавил научно-исследовательскую группу (Арсеньев В.Д., Абуллин Н.И. и другие), кото-
рая совместно с сотрудниками лаборатории ЦКБ «Алмаз» (Томили-ным В.К., Подчезерцевым В.П. и др.) развивала теоретические основы проектирования и разработку методики экспериментального исследования ДНГ. В ДНГ должны комплексно решаться вопросы, связанные с разработкой подвеса, вакуумированием прибора, его газодинамикой, работой прибора в широких диапазонах температур и в условиях ударных, вибрационных и линейных перегрузок, влиянием магнитных полей и т.д. В соответствии с этим представлением намечена программа исследования ДНГ. Анализ упругого подвеса с различным изготовлением элементов колец, упругих опор, технологии крепления упругих элементов (клеи с наполнителем, лазерная сварка) привел к выводу, что для создания прецизионного ДНГ необходимо изготовление подвеса и ротора из единой заготовки металла. Эта задача блестяще решена конструкторами и технологами «СКБ-36» ЦКБ «Алмаз». Создана единая деталь, в которой был ротор, упругий кардановый подвес с двойными параллельно расположенными кольцами и главной осью гироскопа. Для обеспечения добротности ДНГ необходима разряженная газовая атмосфера, в которой вращается ротор. Вакуумирование оказалось неэффективным, так как примерно через час после вакуумирования давление достигало 1 мм.рт.ст. из-за испарений смазки, газовыделений из изоляции проводов и других элементов конструкции. Постановка гетерогенного насоса не решала проблему, так как испарения смазки в шарикоподшипниках ротора не обеспечивало заданный срок службы. Было принято решение об обеспечении оптимального давления, резко уменьшающего испарение смазки, а основную составляющую погрешности при наличии газовой атмосферы компенсировать алгоритмически обработкой выходной информации ДНГ. Кстати, позже в 1976 г., выполняли работу (совместно с Марианом Л.Н.) в НПЦАП им Н.А. Пилюгина по определению характеристик газодинамической опоры (ГДО) поплавковых интегрирующих гироскопов. Расчет ГДО при давлении (100..250) мм.рт.ст. показал возможность использования в ДНГ газодинамической опоры. В дальнейшем малогабаритные ДНГ с ГДО получили широкое распространение.
Построение тепловой модели с конечным количеством элементов позволило получить рекомендации по построению рациональной системы термостатирования. Проведена оценка влияния магнитного поля на работу прибора. Подробный анализ явлений, происходящих в ДНГ, позволил раскрыть более 30 причин возникновения погрешностейДНГ, включая влияние несовершенства подвеса, газодинамики, тепловых и магнитных полей, перегрузок, времени работы и т.д. Построена модель скорости дрейфа, предложена методика определения составляющих этой модели на специально разработанном стенде. Первые образцы ДНГ изготовленные на 1 МПЗ (Первый Московский приборостроительный завод), с двухколь-цевым подвесом показали среднюю точность по скорости дрейфа, прибли-
зительно 0,1°/час. Опыт проектирования ДНГ раскрыт в монографиях, учебных пособиях и многочисленных статьях, работа получила государственное признание.
В начале 80х годов показалось интересным заняться волновым твердотельным гироскопом (ВТГ) после прочтения рекламной статьи в американском журнале. Связавшись с профессором кафедры сопромата О.А. Нарайкиным, решили выполнить расчет вращающейся оболочки на основе гипотезы Кирхгофа - Лява с учетом кориолисовых сил инерции. В дальнейшем программа расчета легла в основе эскизного проекта ВТГ. В журнале «Известия вузов», серии «Машиностроение» выходит уже после издания классической монографии В.Ф. Журавлева, Д.М. Климова статья в соавторстве с О.С. Нарайкиным и И.П. Ивановым, которая по непонятным причинам пролежала 2,5 года в редколлегии. Совместно с представителями РПКБ приняли участие в разработке методики балансировки кварцевого резонатора (Я=50 мм), систем управления, съема и обработки выходной информации модели скоростного дрейфа ВТГ. Основные результаты работы изложены в учебном пособии «Проектирование ВТГ» в соавторстве с В.И. Липатниковым и А.В. Алехиным. В дальнейшем работы продолжаются инициативном порядке в МГТУ им.Н.Э. Баумана с участием М.А. Басараба и Б.С. Лунина. Рассматриваются вопросы повышения точности балансировки резонатора, построение тепловой модели ВТГ, создания ВТГ с металлическим резонатором, разработки испытательной аппаратуры и стендов системы термостатирования. К сожалению, отсутствие должного концентрированного финансирования не позволяет организовать серийное производство отечественных ВТГ. Точность созданных лучших образцов ВТГ с кварцевым резонатором может находится в предела (0,01..0,005) °/час, с металлическим резонатором ~10 °/час.
В конце 70х годов возникает идея использования эффекта высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) при разработке акселерометров и гироскопов. Совместно с И.В. Карпочкиным разработано соответствующее техническое задание; однако финансирование не было открыто. В инициативном порядке разработали конструкцию быстро вращающейся опоры на базе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Здесь нам исключительно повезло, встретив канд. техн. наук О.Л. Полущенко, а в дальнейшем Н.А. Нежельского, которые сумели наладить мелкосерийное производство ВТСП на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана в Дмитрове. В то же время разработана инженерная методика расчета опоры с активнейшим участием О.Ф. Орлова, созданы экспериментальные стенды для определения характеристик ВТСП - опор. Спроектированы и изготовлены опытные образцы ВТСП - опор в различных вариантах исполнения. Участие сотрудника фирмы «Салют» В. А. Маевского позволило создать рабочую опору для кинетического накопителя энергии, разрабаты-
ваемого под руководством профессора МАИ К.В. Ковалева. Достигнутые результаты применения ВТСП позволяют их рекомендовать в отечественной космонавтике.
В процессе работы совместно с НИИ ПМ им. В.И. Кузнецова решена задача создания прецизионного гироинтегратора поплавкового типа (10-3..10-4 °/час) с магнитным безгистерезисным подвесом, созданы стенды и установки для испытаний гироприборов. Упомяну вкратце некоторые работы за последние годы. Опыт работы в гироскопии позволил принять участие в исследованиях, связанных с криогеникой, под руководством профессора А.М. Архарова. Работы посвящены медико-технической проблеме в области детской хирургии, реабилитации спортсменов, создания комплекса аппаратуры для получения сверхчистых инертных газов и получили государственное признание.
По указанию ректора МГТУ им. Н.Э. Баумана И.Б. Федорова организовано издание серии монографий «Информатика в техническом университете». На сегодня выпущено 20 томов, куда вошли, в том числе, результаты разработок сотрудников МГТУ им. Н.Э. Баумана в области современных информационных технологий. В данный момент успешно ведутся работы научно-образовательного центра «Авионика» совместно с фондом, возглавляемым известным ученым и разработчиком отечественной авионики профессором Г.И. Джанджгавой, интеллектуальных систем управления вертолетами, малых искусственных спутников, бесплатформенных инерциальных систем, ведутся дальнейшие работы по ВТГ и созданию ВТСП - опор, волоконно-оптическому гироскопу и др.
В заключение мне хочется высказать огромную благодарность всем тем, с кем мне пришлось активно работать. Особенно добрым словом хочется отметить своих руководителей на разных этапах жизни: А.Я. Шай-денко, Е.А. Никитина, П.В. Бромберга, Д.С. Пельпора, Н.П. Маслова, М.Л. Еффи, А.М. Архарова, А.А. Байкова, Г.А. Сломянского и многих других.
Матвеев Валерий Александрович, д-р техн. наук, проф., руководитель НУЦ, зав. кафедрой, haiimana hmstii.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
YEARS OF STUDY AND PROFESSIONAL ACTIVITIES V.A. Matveev
Descrihed developments of scientific work as a student and postgraduate. Presents
goal setting and their results of decisions in creating advanced models of gyroscopic technology.
Key words: student, graduate student, the developer.
Matveev Valeriy Alexandrovich, doctor of technical science, professor, manager of kathedra, hauman@,hmstu. ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University
