На предприятиях космической отрасли созданы и достаточно эффективно работают системы обеспечения качества выпускаемой продукции. К одним из главных свойств, которые характеризуют качество любых изделий, относятся их надежность и безопасность. Исключительно важную роль в обеспечении требуемого уровня этих свойств играют методы неразрушающего контроля (НК).
Использование неразрушающего контроля и технической диагностики приобретает все большее значение, особенно при производстве и эксплуатации дорогостоящих и наукоемких объектов, к которым относятся изделия ракетно-космической техники (РКТ). Вполне очевидно, что недостаточность контроля или его недостоверность могут приводить к значительным экономическим потерям, а в ряде случаев – к серьезным авариям и экологическим катастрофам.
Все возрастающие требования к полноте и достоверности контроля качества, а также применение в разрабатываемых перспективных образцах РКТ оригинальных конструктивных решений, современных материалов и покрытий стимулируют создание и внедрение в практику их производства и эксплуатации новых наукоемких методов и средств неразрушающего контроля.
На первый взгляд может показаться, что для внедрения методов НК в производство и эксплуатацию достаточно иметь современные приборы НК и специалистов, умеющих ими пользоваться. Однако это далеко не так.
Решение проблем дефектоскопии должно начинаться не с дефектоскопов, а с изучения образцов конструкций — объектов контроля (ОК) и заканчиваться выполнением на ОК работ по определению их состояния.
В результате изучения ОК должна быть сформирована его математическая модель, адекватно описывающая подлежащие контролю свойства и параметры, их характеризующие. Особенно важно иметь математическую модель ОК в случае, если он характеризуется стохастическим распределением дефектов в двух- или трех-мерном пространстве. При неразрушающем контроле таких объектов, в сущности, проводится измерительный статистический эксперимент, который невозможно оценить, не имея математической модели ОК.
Одновременно с разработкой математической модели ОК должны быть выявлены его конструктивные особенности, знание которых позволит определить необходимые моменты контроля (например, до сборки или после сборки), места контроля и т.п.
Зная конструктивные особенности ОК и параметры, характеризующие его потребительские свойства, можно выбрать метод или совокупность методов их измерения и разработать (выбрать среди известных) методику измерений, которые будут гарантировать минимизацию методической погрешности.
Далее на основе выбранных метода и методики следует подобрать (разработать) средства измерений с нормированными метрологическими характеристиками (рабочий диапазон, погрешность, чувствительность и ее порог и др.). Выбранные метод (методы) контроля и средства измерений диктуют требования по подготовке ОК к измерениям.
Совокупные сведения, полученные на рассмотренных подготовительных этапах, позволяют разработать методику испытаний ОК, позволяющую определить его состояние. Эта методика, в результате которой можно сделать заключение о качестве (состоянии) ОК, должна определять номенклатуру необходимых средств измерений и требования к ним, места измерений, необходимое количество измерений и технологию их проведения, требования к квалификации специалистов и алгоритмы обработки результатов измерений.
Именно с указанных позиций авторами данной монографии создавались научно-практические основы решения актуальных проблем неразрушающего контроля космической техники.
В первом разделе изложены вопросы научно-методического обеспечения применения перспективных методов контроля качества при производстве космической техники. Освещены актуальные в настоящее время вопросы неразрушающего контроля специальных покрытий жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) магнитными и вихретоковыми методами; эндоскопического контроля внутренних полостей ЖРД и турбонасосных агрегатов (ТНА); акустического контроля резьбовых разъемных соединений; радиографического контроля на основе современных цифровых технологий, включая рентгеновскую томографию; контроля толстослойных теплоизолирующих покрытий типа «изолан» и контроля качества изделий космической техники с использованием ультразвуковых поверхностных волн.
Одним из важнейших вопросов обеспечения безопасности пилотируемых полетов в космосе является вопрос своевременного выявления факта и локализации негерметичности космического аппарата. Наиболее перспективные методы обнаружения и локализации негерметичности пилотируемых космических комплексов в орбитальном полете рассмотрены во втором разделе. В этом разделе представлены новые технологии контроля герметичности космической техники при наземной отработке и в условиях орбитального полета на основе применения методов акустической эмиссии, акустического контактного течеискания, индикации внешних проявлений течи по изменению газо- и термодинамических параметров и визуализации линий тока, а также рассмотрены:
- сущность, содержание и классификация методов контроля герметичности на различных этапах жизненного цикла космической техники;
- физические явления, сопровождающие истечение рабочих сред через негерметичности, и вопросы их моделирования;
- внутренняя газо- и термодинамика процессов негерме-тичности;
- газо- и гидродинамические режимы утечек: истечение в вакуум; ламинарные и турбулентные режимы утечек; пульсации давления и акустические колебания; капельная и пузырьковая течь, взаимодействие течи с пробными волокнистыми и дисперсными индикаторами.
В третьем разделе изложен метод тепловизионного контроля теплоизоляции криогенных баков, емкостей и трубопроводов, основанный на запатентованном способе создания температурного перепада между внутренней полостью и наружной поверхностью изоляции за счет наддува внутренней полости газом до оптимального давления, обеспечивающего максимально возможное адиабатное повышение температуры газа.
Для реализации метода разработан уникальный аппаратно-программный комплекс тепловизионного контроля технического состояния оборудования, отличающийся расширенными возможностями при оперативной обработке термографических изображений, а также синтезе эталонных термограмм дефектов произвольной фор-мы и размеров на основе решения трехмерного нестационарного уравнения теплопроводности с сопряженными граничными усло-виями.
Программное обеспечение построено на основе принципа кроссплатформенности, допускающего возможность применения различных операционных сред.
В четвертом разделе описана методика оценки технического состояния уникальных объектов технических и стартовых комплексов по результатам акустико-эмиссионного и ультразвукового контроля на основе использования результатов прочностных расчетов. Проанализированы достоинства и недостатки методики, обоснована область ее применения.
Представлена методика получения приближенных значений максимального эквивалентного напряжения в окрестностях дефекта при сложном нагружении в области дефекта.
Пятый раздел посвящен вопросу повышения эффективности систем аварийной защиты ЖРД за счет диагностирования высокочастотной неустойчивости его рабочего процесса на основе электрофизических измерений. Представлена информационная модель рабочего процесса в ЖРД, позволяющая сформировать диагностические признаки, характеризующие состояние этого процесса, и проанализировать их информативность. При разработке этой модели сгорание топлива в камере ЖРД рассматривалось как сложный физико-химический процесс, состоящий из перекрывающих друг друга процессов подготовки, воспламенения и сгорания топливной смеси, а продукты сгорания – как слабоионизированная низкотемпературная плазма, подверженная высокочастотным акустическим воздействиям со стороны реакционной зоны.
В этом разделе описаны методика диагностирования высокочастотной неустойчивости рабочего процесса в камере ЖРД, синтезированная на основе разработанной модели, и методика экспериментального исследования электрофизических сигналов, формируемых в струе продуктов сгорания модельных ЖРД в условиях неустойчивости рабочего процесса.
В настоящее время углубленный контроль технического состояния оборудования методами неразрушающего контроля осуществляется только до начала функционирования и в некоторых случаях после окончания. Полученная при этом информация не позволяет с высокой достоверностью прогнозировать значения параметров оборудования, которые будут иметь место в процессе его функционирования. Этот недостаток может быть устранен за счет использования как при испытаниях, так и при эксплуатации ракетно-космической техники системы функционального мони-торинга.
В шестом разделе рассмотрены методологические аспекты создания и применения систем функционального мониторинга механического оборудования ракетно-космических комплексов. Изложена методика формирования характеристик объектов функционального мониторинга. Дано оригинальное математическое описание процессов деградации механического оборудования, позволяющее более полно учесть факторы, влияющие на этот процесс. Предложены направления реализации системы функционального мониторинга в системе эксплуатации ракетно-космичес-ких комплексов.
После каждого раздела приводится список литературы. Список литературы первого раздела дополнительно структурирован по подразделам.
Настоящая монография является результатом плодотворного сотрудничества ряда российских организаций, занимающихся разработкой, применением и научно-методическим обеспечением новых методов и средств неразрушающего контроля ракетно-космической техники при ее производстве и эксплуатации, и Национальной Академии наук Республики Беларусь. В её написании приняли участие сотрудники ФГУП «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры» и его Санкт-Петербургского филиала, Учреждения науки «Инженерно-конструкторский центр сопровождения эксплуатации космической техники», ОАО «Научно-производственное объединение "Энергомаш" имени академика В.П. Глушко», ФГУП «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева», ФГУП Федеральный центр двойных технологий "Союз"», космодромов Байконур и Плесецк, а также Института прикладной физики НАН Беларуси.
Общая редакция книги выполнена к.т.н. Ю.Н. Макаровым; д.т.н., профессором В.Е. Прохоровичем; к.т.н., профессором А.И. Птушкиным. Монографию написали: предисловие – к.т.н. Ю.Н. Макаров; раздел 1 – д.т.н. А.А. Лухвич (подразделы 1.1, 1.2); д.т.н. В.А. Рудницкий (подраздел 1.1); А.Л. Лукьянов, А.К. Шукевич (подраздел 1.2); В.А. Калошин (подразделы 1.2 – 1.4, 1.7); к.т.н. А.С. Бакунов (подраздел 1.3); А.В. Елисеев (подраздел 1.4); к.т.н. Д.В. Решетников (подраздел 1.5); к.т.н. И.А. Вайнберг, д.т.н. Э.И. Вайнберг, д.т.н. Ю.М. Мирош (подраздел 1.6); А.В. Гульшин (подраздел 1.7); д.т.н. В.И. Гончаров, к.т.н. В.А. Афонин, С.Н. Бояр-шинов (подраздел 1.8); д.т.н. А.В. Полупан (подраздел 1.9); к.т.н. В.Г. Шипша (подразделы 1.2 – 1.8; общая редакция раздела 1); раздел 2 – д.т.н. Д.В. Садин, к.т.н. К.В. Алексеев, А.Н. Добролюбов, к.т.н. Ю.Г. Шаргин, к.т.н. В.Г. Шипша; раздел 3 – д.т.н. М.М. Пеньков, к.т.н. А.В. Клепов, к.т.н. А.Г. Гончар, к.т.н. И.В. Наумчик; раздел 4 – А.В. Алпатов, С.А. Коллин, С.В. Костарев; раздел 5 – к.т.н. В.А. Грибакин, к.т.н. А.Г. Гончар, к.т.н. К.Б. Болдырев, А.С. Перфильев; раздел 6 – д.т.н. Г.Д. Петров, к.т.н. Ю.Н. Макаров, д.т.н. Б.К. Гранкин, д.т.н. В.В. Козлов.
Авторы считают своим приятным долгом выразить глубокую признательность сотрудникам ФГУП ЦНИИМАШ, ОАО «НПО "Энергомаш" им. академика В. П. Глушко» и ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хруничева за рекомендации, благодаря которым в монографию включены результаты исследований наиболее важных и острых проблем космической отрасли в области неразрушающего контроля.
Авторы также искренне благодарны рецензентам: Первому заместителю Генерального директора, Главному конструктору ОАО «НПО “Энергомаш” им. академика В.П. Глушко» д.т.н., профессору В.К. Чванову и заведующему кафедрой «Металловедение и технология металлов» Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий заслуженному деятелю науки и техники РФ, д.т.н., профессору Ю.П. Солнцеву, а также председателю санкт-петербургского отделения Российского общества неразрушающего контроля и технической диагностики д.т.н., профессору А.К. Гурвичу, взявшим на себя тяжелый труд по ознакомлению со столь объемной работой, в результате которого были даны ценные советы по улучшению ее содержания.
Особая благодарность – директору ФГУП «Центр эксплуатации объектов космической инфраструктуры» А. С. Фадееву за постоянную поддержку, которую авторы ощущали на всех этапах работы над монографией.