Инженер-полковник В. МАЛИКОВ, доцент, кандидат технических наук

Множество самых различных движений встречаем мы на каждом шагу: вращаются колеса электровоза, упало яблоко с яблони, прочертил небо самолет… Но если внимательно присмотреться к процессам, протекающим в природе и технике, то легко подметить и выделить особую группу движений — тех, которые периодически, через равные промежутки времени, повторяются: качается маятник часов, волна за волной набегает на морской берег, четкую синусоиду (т. е. кривую линию волнистой формы, графически изображающую изменение синуса в зависимости от изменения угла) вычерчивает электронный луч на экране осциллографа. Физики давно занимаются изучением подобных процессов, и результаты их наблюдений, выводов широко используются в решении самых различных технических задач.

С разнообразными формами колебаний — электромагнитными, звуковыми, механическими и другими — сталкиваются и военные специалисты. Чтобы познакомиться подробнее с их работой в этом направлении, давайте остановимся только на механических колебаниях, многие виды которых успешно используются при создании различной военной техники и позволяют решать проблемы, связанные с повышением эффективности ее боевого применения. Вместе с тем некоторые виды механических колебаний, возникающие при эксплуатации отдельных образцов, вредны, снижают их боевые качества и требуют осуществления целого ряда специальных конструктивных и технологических мероприятий. Так, повышение дальнобойности и скорострельности наземной, и особенно зенитной, артиллерии вызвало увеличение колебаний стволов и орудий, что привело к значительному снижению кучности стрельбы. В связи с этим потребовалось усовершенствовать конструкции лафетов и стволов, чтобы снизить разброс снарядов.

С появлением на поле боя танков, корпуса которых подвержены трем видам угловых и трем видам линейных колебаний, возникла проблема повышения эффективности стрельбы с ходу, что было осуществлено разработкой систем стабилизации вооружения танка в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Моряки с незапамятных времен имеют дело с колебаниями судов в волнующемся море, с вибрациями отдельных частей корпуса судна из-за действия неуравновешенных масс судовых механизмов. Помимо вертикальных колебаний, корпус корабля подвергается так называемой бортовой и килевой качке. Для уменьшения таких колебаний разработаны специальные устройства, получившие названия поглотителей колебаний судовых механизмов и успокоителей качки корабля.

В авиации, в связи с увеличением скоростей, возникла проблема исключения вибраций крыла и других несущих поверхностей самолета от действия аэродинамических сил, которые могут вызвать вибрации с нарастающими амплитудами, получившие название флаттера.

Наконец, успешное развитие ракетной техники во многом определялось решением проблемы колебаний корпусов ракет, вибрации отдельных частей, устройств и систем. Вибрационные нагрузки, возникающие в корпусе ракеты во время старта и полета, как сообщалось в зарубежной печати, часто приводили к снижению надежности механических и электронных систем. Появились в ракетной технике и другие проблемы, связанные с защитой от механических колебаний. Американские военные круги, делая ставку на межконтинентальные баллистические ракеты, сильно обеспокоены тем обстоятельством, что ракеты легко уязвимы от воздействия ударной волны и других поражающих факторов ядерного взрыва. Это вынудило специалистов искать пути обеспечения неуязвимости ракет от воздействия ядерного оружия.

По мнению руководящих деятелей Пентагона, эта задача должна решаться созданием подземных, так называемых шахтных пусковых установок. Однако на деле это оказалось не так-то просто. При разработке и строительстве шахтных установок возник ряд сложных научно-технических проблем. Одна из них как раз и ставит вопросы обеспечения сохранности ракет и различного электронного пускового оборудования от силового воздействия взрывов ядерных зарядов и вызываемых ими колебаний грунтовых массивов в местах расположения защитных сооружений — пусковых шахт и центров управления ракетных баз. Решить эту задачу, как отмечали зарубежные специалисты, оказалось особенно трудно в связи с тем, что американские межконтинентальные ракеты на жидком топливе типа «Атлас» и «Титан» и на твердом топливе «Минитмен» весьма чувствительны к сравнительно небольшим силовым перегрузкам.

Известно, что при взрыве ядерного заряда на поверхность земли действует огромное давление. От эпицентра взрыва распространяются ударные волны в воздухе и волны сжатия в грунте. В результате их воздействия в сооружениях возникают, как правило, быстрые по времени перемещения, приводящие к вертикальным, горизонтальным и крутильным колебаниям шахтных пусковых установок с относительно большими амплитудами и частотами, а на ракеты и оборудование, размещенные в шахтах, действуют значительные инерционные и вибрационные нагрузки.

Характер колебательных движений шахты существенно зависит от физико-механических свойств грунта и геологического строения района, где сооружена шахтная пусковая установка. В специальной литературе указывается, что параметры движения шахты при одном и том же избыточном давлении больше зависят от геологических условий, чем от мощности ядерного взрыва. Если шахта заложена в мягком грунте, имеющем низкочастотные характеристики колебаний, она будет подвержена большим перемещениям и сравнительно малым ускорениям. Иное дело — шахта, размещенная в твердых породах, обладающих высокочастотными характеристиками колебаний. Под воздействием взрыва она получит лишь небольшие перемещения, но зато значительные по величине ускорения.

В большинстве случаев шахтные пусковые установки, из-за их больших вертикальных размеров, приходится располагать в неоднородных грунтах, характеризующихся различной плотностью и частотными характеристиками. В связи с этим в американской практике возникли два направления в проектировании таких установок. Первое базируется на заблаговременной геологической разведке в районах предполагаемого строительства ракетных баз. В зависимости от геологического разреза и расчетного эквивалента ядерного заряда определяются период и амплитуды колебаний грунта и расчетные параметры движения шахты. Второе направление предусматривает разработку и проектирование шахтных пусковых установок для наиболее распространенных, так называемых «стандартных», грунтовых условий, с последующим проведением проверочных расчетов применительно к конкретным геологическим условиям, выявленным в процессе проходки шахт и их возведения. В американской печати сообщалось, что, как правило, проектировщики используют второе направление и только в исключительных случаях первое.

На рис. 4 показана зависимость перемещений и ускорений шахты от частотных характеристик колебаний «стандартного» грунта, возникающих при наземном ядерном взрыве. Как видно из графиков, чем меньше частота колебаний грунта, тем больше перемещение и меньше ускорение шахты.

Рис. 4. Зависимость перемещений и ускорений пусковой шахты от частотных характеристик колебаний грунта

Проектирование и строительство шахтных пусковых установок и обеспечение сохранности ракет и электронного пускового оборудования, отмечалось в иностранной печати, в значительной степени усложняется, когда ракетные базы размещаются в районах с водонасыщенным грунтом. Требуется знать его гидростатическое давление (гидростатика — часть гидродинамики, изучающая равновесие жидкости, а также равновесие твердых тел, полностью или частично погруженных в жидкость). При наличии гидростатического давления грунтовых вод горизонтальные ускорения пусковой шахты по своей величине будут близкими к вертикальным и могут достичь весьма значительных величин.

Следует, однако, заметить, что источником нагрузок и вибраций могут быть не только взрывы ядерных зарядов, но и работа вспомогательных агрегатов и машин. Ее тоже приходится учитывать проектировщикам.

Колебания шахтных пусковых установок вызывают расстройство функций аппаратуры и систем, размещаемых на борту ракеты, а также механизмов технологического оборудования. Все это может сорвать боевой пуск ракет. И вот, для того чтобы снизить действующие на ракету перегрузки до безопасных значений, применяют специальные системы амортизации как для ракет в целом, так и для отдельных, наиболее чувствительных объектов технологического оборудования и пусковой аппаратуры.

Системы амортизации, по мнению зарубежных специалистов, значительно повышают вибростойкость ракет и позволяют изолировать от нежелательных колебаний оборудование шахты. Действительно, если ракета жестко соединена с опорным основанием шахтной пусковой установки, она и ее системы будут испытывать те же ускорения, скорости и перемещения, которым подвержена сама установка. Особенно опасны ускорения, поскольку они способны развивать значительные силы инерции и приводить в конечном счете к расстройству бортовых систем ракет и механизмов шахтного оборудования.

Чтобы избежать этих нежелательных явлений, ракеты в шахтах устанавливают на упругие элементы — амортизаторы, которые растягивают во времени действие сил инерции и таким образом уменьшают передаваемые усилия.

Однако разработка эффективных систем амортизации ракет и объектов технологического оборудования вызывает за рубежом значительные научно-технические трудности. Процессы взаимодействия шахт с грунтом при механическом действии ядерного взрыва еще недостаточно изучены. В американской практике расчетные параметры амортизации ракет и технологического оборудования выбираются на основании обобщения большого количества опытных данных с учетом собственных колебаний амортизируемых объектов.

Ракеты и другие крупные объекты технологического оборудования шахты имеют низкие частоты собственных колебаний, в то время как большинству элементов электронно-пусковой аппаратуры свойственна высокая частота колебаний. Поэтому системы амортизации ракет и оборудования шахт и центров управления ракетными базами в США конструктивно выполняются по трем различным схемам.

По первой схеме ракета и все оборудование шахты объединяются в общую клеть, снабженную единой системой амортизации.

По мнению американских специалистов, основное преимущество такой схемы заключается в том, что из-за большой массы она способна гасить высокочастотные колебания и ускорения шахты, а также снижать низкочастотные колебания. К таким колебаниям чувствительны ракеты и крупные объекты технологического оборудования.

При разработке подобной амортизации общая масса колебательной системы и суммарная жесткость ее упругих элементов выбирается в зависимости от частоты вынужденных колебаний шахты. Сообщалось, что, если удачно выбраны расчетные параметры, такая система значительно ослабляет действие вынужденных колебаний шахты на ракету и оборудование. Она особенно эффективна для шахт, размещаемых в грунтовых породах, частотные характеристики которых мало изменяются при взрывах ядерных зарядов различной мощности.

Надо сказать, что общая система амортизации накладывает определенные условия на конструктивную стойкость отдельных элементов оборудования. Элементы, находящиеся в общей колебательной системе, должны быть устойчивы к перегрузкам, возникающим при избыточных давлениях во фронте воздушной ударной волны до 2 кг/см2. Что же касается работающих агрегатов технологического оборудования, размещенных в шахте, то они должны иметь собственные системы виброизоляции, чтобы исключить передачу вибраций (колебаний, дрожаний) опорным основаниям.

Общая система амортизации нашла применение в шахтных пусковых установках для амортизации ракеты «Атлас». Она состоит из четырех пружинных блоков-подвесок, поддерживающих квадратную клеть с ракетой и необходимым оборудованием. Общий вес клети составляет 1350 т, высота ее 45 м при длине стороны основания 14,7 м.

В клеть вмонтирована ферма, обеспечивающая распределение нагрузки от четырех точек крепления на десять вертикальных несущих элементов. Верхняя часть пружинного блока крепится к металлическим кронштейнам на стене шахты, а нижняя — к кронштейнам клети. Каждая блок-подвеска представляет собой набор из шести пар параллельно работающих телескопических пружин. Диаметр одной пружины 600 мм, толщина прутка, из которого она изготовлена, — 62,5 мм.

Амортизация клети в вертикальной плоскости осуществляется за счет упругости пружин, а в горизонтальной плоскости — маятниковой конструкцией подвески. Для уменьшения амплитуд горизонтальных колебаний маятниковой подвески между клетью и стенками шахты установлены специальные гасители. Они ограничивают перемещения клёти до приемлемых пределов. Зазор между стенкой шахты и клетью составляет 45 см, что, по мнению зарубежных специалистов, достаточно для максимально возможных перемещений клети при действии на шахту избыточного давления во фронте воздушной ударной волны, равного 7 кг/см2.

По второй схеме для ракеты и каждого из объектов оборудования шахты разрабатывается отдельная, так называемая автономная, система амортизации. Сообщалось, что это требует не только огромной конструкторской работы, но и проведения весьма дорогих натурных или стендовых испытаний. Если же испытательные стенды, позволяющие воспроизводить или моделировать действия ядерного взрыва на шахты, отсутствуют, разработка систем автономной амортизации в еще большей степени затрудняется. Применение автономной системы амортизации за рубежом признается оправданным в конструкциях тех пусковых установок, где предусматривается небольшое количество объектов технологического оборудования, нуждающихся в амортизации, или если используются устройства, обладающие высокой стойкостью к механическому действию ядерного взрыва. По этой схеме выполнена, в частности, система амортизации американских ракет «Титан II» (рис. 5). Несколько другая, но основанная на тех же принципах система амортизации ракеты «Минитмен». Особенность ее — наличие специального устройства, обеспечивающего вертикальное положение ракеты путем поджатия или ослабления упругих элементов амортизаторов.

Рис. 5. Система амортизации ракеты

Третья схема предусматривает объединение групп оборудования, размещаемых на одном уровне (этаже) шахты или центра управления ракетными базами и применение для этой группы оборудования индивидуально-групповой системы амортизации. Такая схема амортизации получила наименование комбинированной. Она находит применение при амортизации электронно-пусковой аппаратуры как в шахтных пусковых установках, так и в центрах управления.

Так, центр управления шахтными пусковыми установками ракет «Минитмен» для защиты электронно-пускового оборудования и предупреждения травм у обслуживающего персонала при воздействии ядерного взрыва имеет маятниковую систему амортизации. Она представляет собой подвешенную к верхнему перекрытию платформу размером 8,4 на 3,6 м и весом 31,5 т. Четыре упругих элемента обеспечивают снижение перегрузок, действующих на платформу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Для гашения колебаний платформы в горизонтальном направлении предусмотрены четыре пневматических демпфера.

Вертикальные упругие элементы платформы представляют собой пневмопружинные амортизаторы. Они состоят из прикрепленного к платформе цилиндра высокого давления, поршня и штока, шарнирно соединенного с перекрытием. В статическом положении равновесия платформа удерживается давлением воздуха и пружиной, находящейся в цилиндре. Цилиндр подвески амортизатора размещается в воздушном баллоне, внутри которого находится воздух под тем же давлением, что и в цилиндре. Если под воздействием ядерного взрыва перекрытие пункта управления перемещается, увеличивается объем цилиндра и давление в нем уменьшается. Но тотчас в цилиндр из баллона начинает поступать воздух и динамичность нагрузки снижается. Уменьшается и перемещение платформы вниз. При обратном перемещении перекрытия избыточное давление в цилиндре снижается за счет выпуска воздуха.

Эффективность подобной системы амортизации может быть практически изменена в любом диапазоне путем изменения количества воздуха, поступающего в цилиндр и выпускаемого из него. По мнению зарубежных специалистов, основное достоинство пневмопружинных элементов состоит в том, что они позволяют достичь низкой частоты колебаний амортизируемой платформы. Это дает возможность в широком диапазоне снижать действующие нагрузки при относительно небольших горизонтальных перемещениях платформы. В целом же такая система обеспечивает снижение ускорений платформы центра управления вниз до 0,5 g, вверх до 3 g, а в горизонтальном направлении до 1 g, что, по американским данным, вполне допустимо для безопасного обслуживания оборудования управления подземными ракетными базами.

Многим читателям, вероятно, помнится описываемое в школьных учебниках явление резонанса. Оно состоит в том, что размах колебаний какого-либо тела резко возрастает, когда на его собственные колебания, частота которых определяется свойствами самого тела, накладывается действие внешних сил, имеющих ту же частоту. Классический пример резонанса — разрушение моста, по которому шел в ногу строй солдат.

О резонансе приходится думать и конструкторам систем амортизации ракет в шахтах. При расчетах они следят за тем, чтобы частота собственных колебаний ракетной амортизирующей системы, помещенной в шахту, находилась в определенном соотношении с частотой колебаний, которые могут возникнуть при воздействии ударной волны ядерного взрыва.

По мнению зарубежных специалистов, достоверный расчет систем амортизации предполагает очень точное предварительное знание всех собственных частот колебаний амортизируемого объекта и частот вынужденных колебаний шахтного сооружения. Но если первые определяются сравнительно просто, значения других зависят от многих трудно учитываемых факторов, а потому и вычисляются весьма приближенно. Существенное влияние на частоты и амплитуды колебаний шахтных сооружений оказывает характер колебательных движений грунтовых пород. Однако для того чтобы выяснить качественную и количественную картину этих колебаний, необходимы сложные экспериментальные работы. Последнее, как считают зарубежные специалисты, составляет одну из серьезных научно-технических проблем, разрешение которой может значительно повысить степень защищенности ракетных комплексов от воздействия ядерных взрывов.

Таковы некоторые особенности учета механических колебаний при создании современных образцов боевой техники. Как видно, они непросты и требуют глубокого проникновения в суть разнообразных физических процессов. С дальнейшим развитием военного дела круг подобных проблем будет, несомненно, расширяться. Ученым, инженерам придется решать все новые и новые задачи. А это, в свою очередь, повысит требования к знаниям, кругозору тех специалистов, которым придется эксплуатировать, использовать в бою новые образцы вооружения и боевой техники.