О этапах создании трубопроводной арматуры для летающей лаборатории-самолета Ту-155 на водородном топливе [дополненная версия, - на основе статей автора, опубликованных в журнале «Трубопроводная арматура и оборудование»]

Мулюкин О.П., профессор, Самара

Учиться разрабатывать водородную трубопроводную арматуру нашей конструкторской бригаде, возглавляемой Ю.И. Кондрашовым («кондрашевцам») пришлось практически с нуля, так как до этого коллективу ККБ «Арматурпроект» не приходилось иметь дело с такой арматурой…

Наша «конструкторская рать», слева направо: Брюхнов Юрий Николаевич, Бондарева Людмила Константиновна, Мулюкин О.П., Орлова Елена Георгиевна, Тяпугин Геннадий Владимирович и наш шеф, начальник КБ-2 Кондрашов Юрий Иванович

Верно говорится, что «век живи – век учись»…

В те годы мне пришлось «покататься» по фирмам чуть не по всему бывшему Советскому Союзу в рамках консультирования и изучения опыта ведущих специалистов отечественных предприятий по водородной тематике и привлечения к работам нашего КБ ученых-специалистов из других городов. Прежде всего речь идет о московском предприятии генерального конструктора двигателей Архипа Михайловича Люльки, - ММЗ «Наука», - где мне были представлены результаты бесценных наработок и рекомендации ученых и производственников по водородной арматуре.

Кроме Москвы, отмечу, в первую очередь, Балашихинское  ВНИИ «Криогенмаш», где в то время начальником КБ работал Николай Николаевич Коленко, оказавший нам, самарцам, большую, неоценимую помощь в выборе уплотнений затворов водородных конструкций арматуры и проверке ряда наших уплотнительных устройств на криогенных средах у себя на производстве (с этим исключительно талантливым, интеллигентным и коммуникабельным человеком я до сих пор поддерживаю дружеские отношения и контактирую в научно-производственной деятельности), специализированное предприятие в Нижней Пышме (подбор ферромагнитов под системы контроля положений затворов на магнитоуправляемых герметичных контактах, -  герконах), специализированное КБ  в  Санкт-Петербурге (оценка возможностей фирмы-разработчика многослойных сильфонов из нержавеющей стали), киевские КИИГА и УФ ЦКБА (вопросы оценки ресурса разнотипных разграничителей сред), Каунасский университет (знакомство с возможностями пьезоэлектрических датчиков под разрабатываемые системы контроля перемещений исполнительных органов), машиностроительное предприятие в Павловске-на Оке (консультации по гидроприводам) и другие предприятия и организации. 

Встреча друзей-коллег на научной конференции (Москва, МВЦ «Крокус Экспо», 2015 год). Слева направо: Алексей Митрофанович Долотов, Николай Николаевич Коленко и Олег Петрович Мулюкин…

Командировки в тот период стали второй моей жизнью и позволили мне познакомиться со многими замечательными людьми, некоторые из которых впоследствии стали моими друзьями. В частности, ушедший из жизни в 2016 году мой друг, профессор Алексей Митрофанович Долотов, тогда работавший в Братском государственном университете, тоже был привлечен к разработке в ККБ «Арматурпроект» водородной арматуры на базе конусных затворов с оболочечными седлами.

Но приходит время, когда сбор материала/учеба и поездки заканчиваются. По результатам изучения опыта на других предприятиях Советского Союза мной в КБ был выпущен серьезный (по качеству и числу страниц, рисунков и библиографического списка) отчет, который использовался впоследствии конструкторами, привлеченными к разработке водородной арматуры.

В самом начале проектной работы согласно техническому заданию (ТЗ) от Заказчика началась текущая работа по эскизному проектированию, а после утверждения эскизных проектов по каждому наименованию трубопроводной арматуры начался выпуск конструкторской документации, согласование её со службами КБ и на конечном этапе согласование со службами Заказчика и запуск в находящееся при КБ производство для изготовления опытной партии агрегатов каждого наименования.

После изготовления опытных партий арматуры определенное их число каждой номенклатуры отправлялось на находящийся на территории КБ испытательный цех для на испытания на сжатом воздухе.

Вспомнился случай затянувшегося испытания одного из изделий с клапанным уплотнением на основе поликарбонатной смолы ПК-М-3 (дифлон С), не отвечающего по герметичности заданным требованиям…Конструкторы никак не могли «влезть» в допускаемую норму перетечек воздуха через дифлоновое клапанное уплотнение, поджатое заданным усилием привода, и вновь и вновь искали способ достижения заданной герметичности во время испытаний… И вдруг  слесари-испытатели сообщили, что клапан стал герметичным  «без всяких усилий с их стороны». Но под давлением конструкторов они признались, что самостоятельно (по догадке, без указания цехового начальства) дали десять срабатываний по клапанному уплотнению приводом, путем подвода и сброса управляющего давления в сильфонный привод. Вообще то всякое нарушение технологической дисциплины на авиационном производстве советского периода каралось крайне жестко, но в этот раз конструкторы не стали поднимать лишний шум, так уяснили, что умельцы-нарушители помогли им ускорить доводку изделия, доказав, что такими (не предусмотренными чертежом) срабатываниями изделия они провели «выжигание дефектов» в поликарбонатном уплотнении по фактической поверхности контакта с металлическим седлом. Разумеется, что лишнее (непредусмотренное документацией) количество срабатываний изделия уменьшило на это же количество допустимое (регламентируемое ГОСТ) количество срабатываний многослойного сильфона привода, и, соответственно, на это же число срабатываний уменьшился гарантийный ресурс изделия. Но так как у изделия был большой запас по допускаемому числу срабатываний (в сравнении с заявленным в ТЗ), то в документацию на изделие перед проверкой герметичности клапанного уплотнения затвора была введена операция по десятикратной перекладке затвора с седла. Кроме того, для крупногабаритных изделий данного типа была принята целесообразной 30-минутная выдержка/прогрев их в камерах при температуре порядка 50⁰ С перед проведением операции «по выжигу дефектов».  И проблемы с герметичностью изделий такого типа были сняты.

После отработки изделий на воздушных стендах они были отправлены на ММЗ «Опыт» для прохождения испытаний на рабочей среде – жидком водороде – с газообразной гелиевой управляющей средой в сильфонном приводе. Испытания проводились в городе Видном под Москвой в специально созданном водородном криостате. Из отправленных на испытания порядка шести наименований агрегатов не прошло испытания на водороде только одно изделие, - пускоотсечной клапан 850.600.

Пускоотсечной клапан 850.600 нормально закрытого типа

1- корпус; 2,9 – разрезные центрирующие кольца (из поликарбоната ПК-М-3); 3,8 – сильфонный привод (один – на открытие, второй – для экстренного закрытия); 4 – толкатель; 5 – клапан; 6,7 – пружина

Характер отказа заключался в следующем. После погружения изделия в криостат производилось его захолаживание до температуры жидкого водорода и осуществлялось срабатывание, - открытие с отходом от седла – путем подачи управляющего давления гелия в сильфонный привод 2 на открытие  клапана. Однако, если в начале захолаживания изделие четко срабатывало, то после полного захолаживания (выравнивания температуры корпуса изделия с температурой жидкого водорода в криостате) оно отказывалось срабатывать, то есть привод не мог сдвинуть затвор для открытия тракта. Что усложняло дело, так это то, что «на носу» были государственные испытания объекта в целом, а поэтому вопрос с отказом изделия из нашего КБ требовалось закрыть очень быстро. Руководство срочно рекомендовало меня в Видное для выяснения причины отказа изделия и устранения самого отказа.

Хорошо помню, что в дорогу я оделся очень легко, по-летнему, ибо, несмотря на осень, в Самаре стояло бабье лето и было очень тепло. Но Видное встретило меня холодной, мрачной погодой (холодным ветром с моросящим дождем), а криостат стоял не внутри помещения (цеха), как я рассчитывал, а на открытой площадке предприятия, продуваемой ветром…

Выручил меня прибывший на испытания москвич, ведущий инженер одного из подразделений туполевской фирмы ММЗ «Опыт», большой умница Сергей Борисович Гальперин, раздобывший для меня у местных испытателей тулупчик (как когда-то Гринев, подаривший свою шубу  Пугачеву в пушкинской «Капитанской дочке»)…

Спасший меня от холода, когда-то ведущий инженер ММЗ «Опыт», а ныне директор дирекции программы МС-21 в ОАО «Корпорация «Иркут» Сергей Борисович Гальперин

Я попросил повторить испытания отказавшего изделия в криостате и убедился в верности трактовки испытателями характера отказа: действительно, пока изделие полностью не охладилось, оно срабатывало нормально, а после полного охлаждения срабатывать под действием сильфонного гелиевого привода отказывалось. Стал тщательно рассматривать сборочный чертеж изделия, ибо догадывался о сути отказа – при полном захолаживании конструкции происходило коробление тонкостенных звеньев сопряжения «затвор – бронзовая направляющая», что приводило к заклиниванию самого сопряжения. И нашёл, что искал: в конструкции по недосмотру была завышена длина контактируемых участков деталей в подвижном цилиндрическом сопряжении, которая согласно общепринятым конструкторским рекомендациям должна приниматься порядка (1,1… 1,2)d, где d - диаметр сопряжения.

Дал команду на разборку изделия здесь же в цехе: на станке был срезан сварной шов по фланцам резьбового соединения со стороны сильфонного привода 8, произвели частичную разборку изделия, бронзовую направляющую под клапан 5 извлекли и укоротили на токарном станке на 40 мм, изделие вновь собрали, а вместо сварочного герметизирующего шва в стык поставили временную графитовую прокладку, которую поджали приличным моментом.

Собранное изделие поместили в криостат, дали ему охладиться «с лихвой» и произвели порядка десяти срабатываний при помощи гелиевого сильфонного привода. Изделие заработало, как часы.

Был составлен акт об устранении отказа, который подписали начальник испытательного цеха предприятия в Видном, представитель ММЗ «Опыт» С.Б. Гальперин и я, как представитель ККБ «Арматурпроект»…

Кстати, работы мы проводили в субботу, в тяжелейших условиях, начали с утра, а закончили почти в ночь -  при свете лампочек…

Сергей Борисович на прощание мне сказал, что Квасов должен оценить мою работу, ибо я сберег руководство от нагоняя, а за саму работу, меня, по его мнению, ждет приличная премия и минимум парочка отгулов…

Владимир Михайлович Квасов, бывший главный конструктор ККБ «Арматурпроект», к.т.н., доцент

По прибытию поездом в Самару я сразу же с вокзала поехал в свое КБ для доклада к главному… Как москвич ошибался, «купоны стричь не пришлось», не было и отгулов, никто из руководства особо не обратил внимания на мои страдания и старание, соответственно, не было разговоров и об отдельном премировании…

После закрытия отказа изделия вся партия этих изделий была срочно доставлена из Москвы к нам в КБ, где они были доработаны согласно записи в Видном, далее изделия по внешнему стыку были вновь заварены, прошли повторные приемо-сдаточные испытания на наших воздушных стендах и вновь были отправлены в Москву для установки на объект. Больше замечаний по работе нашей водородной арматуры, в том числе при полете в составе самолета-летающей лаборатории Ту-155 не было…

Примечание. 15 апреля 1988 года состоялся первый полет Ту-155 на жидком водороде продолжительностью 21 минута. Согласно данным зарубежной прессы, а также по высказываниям иностранных специалистов на международном конгрессе по водородной энергетике, который проходил в Москве с 25 по 29 сентября 1988 года, – Советский Союз на пять лет опередили Запад в применении жидкого водорода в качестве топлива для авиации. После апреля 1988 года было проведено еще шесть полетов самолета Ту-155 с двигателем НК-88, после чего работы по жидкому водороду были приостановлены. Это произошло из-за того, что обещанного производства дешевого жидкого водорода не было и в ближайшее десятилетие не предвиделось. Перевод отечественной авиации с керосина на водород был неосуществим из-за больших финансовых затрат…  В рамках развития закрываемой темы специалистами фирмы академика Н.Д. Кузнецова было теоретически и экспериментально доказано, что имеющуюся жидководородную систему топливопитания с ТНА, теплообменником и агрегатами управления можно применить и для СПГ с незначительными переделками, которые позволят быстро осуществить переход с жидкого водорода на СПГ… 

И 18 января 1989 года был совершен первый полет самолета Ту-155 с двигателем  НК-88 на СПГ продолжительностью 21 минута, но на тот момент я уже в ККБ «Арматурпроект» не работал, так как был приглашен на работу в альма-матер, - Самарский государственный аэрокосмический университет, а моим шефом стал мой однокашник по КуАИ и друг Дмитрий Евгеньевич Чегодаев…