7.5 Анализ отказов рдтт при стендовых испытаниях

Основные трудности отработки РДТТ состоят не только в разработке работоспособной конструкции и проведении необходимого количества всевозможных испытаний. Как правило, при отработке могут появиться отказы, предвидеть и заранее устранить которые не всегда представляется возможным, поскольку в каждом разрабатываемом РДТТ предусматриваются новые технические решения для повышения его эффективности, и которые трудно моделируемы на небольших экспериментальных двигателях. Выявление источников этих непредвиденных и неожиданно обнаруживающихся отказов возможно только при хорошей организации труда и правильном проведении диагностики отказов.

Проблема поиска и устранения причин отказов РДТТ не нова, и без её разрешения не обходится почти ни одна новая разработка ракетных комплексов [3, 40]. Разрабатывать и изготавливать действительно высоконадёжные РДТТ можно, лишь профилактически устраняя возможные отказы, оперативно выявляя и ликвидируя их источники, связанные с недостаточной глубиной познания протекающих в ракетном двигателе процессов или несовершенством разработанной технологии, а также методов контроля как при изготовлении, так и при приёмке готового РДТТ.

Решение задачи диагностики отказа осложняется ограничением запаса времени, средств на их решение, постоянным совершенствованием характеристик и технологии изготовления двигателей.

Диагностика отказов РДТТ – это, по существу, техническая криминалистика, узкая область технической диагностики, связанная с анализом не только таких состояний анализируемого объекта, которые приводят к отказам (или предотказовым состояниям). Диагностика отказов представляет собой сочетание методов и способов, используемых в медицинской диагностике и криминалистике, которые применяются вместе с некоторым количеством специфических для ракетно-косми-ческой техники алгоритмов поиска причин отказов [40].

Аномальные испытания могут сопровождаться разрушением ракетного двигателя или проявляться в виде недопустимых, выходящих за пределы заданных требований отклонений каких-либо параметров, например, давления в РДТТ.

Анализ неисправностей, отказов и аварий двигателя при стендовых испытаниях необходим не только для доработки двигателя, но и для своевременного в случае необходимости внесения корректив в методологию и техническую оснащенность стендовых испытаний [3].

Возможны следующие причины неисправностей:

• конструктивные недостатки двигателя;

• отступления от технологического процесса при изготовлении его узлов;

• производственные дефекты;

• искажения датчиковой аппаратуры;

• неполное представление об условиях работы двигателя на испытательном стенде;

• выход из строя стендового оборудования;

• неисправности в работе систем, установленных на двигателе.

На начальном этапе отработки возможные неисправности чаще всего связаны с недостаточным обоснованием новых схемно-конструк-тивных решений и неполнотой сведений о рабочих процессах и об условиях работы отдельных узлов; на поздних этапах отработки – со случайными производственными дефектами, с нарушениями условий подготовки и проведения испытаний.

При анализе результатов аномального испытания составляют перечень возможных причин, включая прежде всего индивидуальные конструктивные и технологические отличия данного конкретного двигателя и условий его испытания. Последствия оценивают с помощью математического и физического моделирования, стремясь к наиболее достоверному воспроизведению аномального процесса. Большую роль в успешном исследовании причин аномальных испытаний играет знание конструктором физических процессов, происходящих в проведенном опыте.

Аномальное испытание бывает для разработчика неожиданным. Чем быстрее будут установлены причины, тем быстрее будут приняты эффективные меры по их устранению.

Ход установления причины аномального испытания схематично можно представить в следующем виде [40]:

1. определяют индивидуальное отличие данного конкретного двигателя от предшествующих;

2. анализируют показания датчиков, в том числе видео- и киносъёмки;

3. анализируют условия проведения испытания, особенности использованной стапельной оснастки;

4. изучают состояние объекта, то есть проводят дефектацию, или собирают остатки и обломки, исследуют и фиксируют их состояние и характер повреждений;

5. реконструируют ход развития отказа, приведший к наблюдаемым в итоге результатам;

6. выявляют элемент, с отказа которого начался отказ двигателя;

7. ищут объяснения происшедшему и причинно-следственные связи, определяющие развитие и появление отказа;

8. раскрывают, выдвигая все возможные версии, вероятные механизмы и причины отказа;

9. проверяют справедливость выдвигаемых версий логическим анализом и проверочными расчётами;

10. проводят дополнительные исследования, необходимость которых выявилась при анализе версий.

Реконструкция хода развития отказа проводится с использованием всех собранных данных. Учитывая характер работы двигателя перед отказом и в период его развития, а также другую информацию, необходимо попытаться представить в обратной последовательности процессы, приведшие двигатель в состояние, которое установлено при дефектации (детальном осмотре двигателя после испытания).

Определение причин отказов по записям изменения давления, пульсаций и перепадов давления, тяги, вибраций, перемещений, деформаций и температуры корпуса двигателя проводится, по возможности, опытными специалистами, располагающими аналитическими способностями и глубокими знаниями в области СРТТ, внутренней баллистики, газовой динамики, теплопередачи, теории горения топлив, внутрикамерных процессов, экспериментальной баллистики РДТТ, отказов и надёжности РДТТ.

В процессе анализа измеряемых характеристик работы РДТТ проводят расчёты изменений давления и тяги во времени и перепадов давления по газодинамическому тракту, которые должны бы быть при справедливости выдвигаемых версий отказа, и сопоставляют их результаты с теми опытными зарегистрированными параметрами, которые были получены на опыте при отказе. При этих сопоставлениях отсеивается часть версий, а иногда такие сопоставления рождают новые более достоверные версии.

Просмотр (с остановкой кадров) кино- и телезаписей хода ОСИ позволяет определить место или элемент корпуса, с которого начался прогар ТЗП, силовой оболочки, уплотнений стыков и фланцев, резьбы штуцеров и газоходов отбора продуктов сгорания.

Сопоставляя все имеющиеся материалы, устанавливают наиболее вероятную причину (или их сочетание) и выпускается акт.

По результатам составляется план реализации мероприятий со всеми предполагаемыми и понятными причинами аномального испытания и сопутствующими сочетаниями усугубляющих факторов. От правильности установления причин аномальных испытаний существенно зависит рациональность затрат времени и материальных средств. Поэтому повторные (после аномальных) испытания требуют тщательной подготовки как при разработке программ и методик непосредственно испытания, так и при оснащении испытания средствами измерения [40].

В нередких случаях, когда причину отказа устанавливают лишь предположительно, а времени на её однозначное определение не остаётся, разрабатывают, реализовывают и проверяют эффективность ряда мероприятий, устраняющих все или наиболее вероятные предполагаемые причины. Идти на это нежелательно, так как внесение нескольких изменений не только увеличивает сроки и затраты на исправление положения, но и чревато появлением непредвиденных отрицательных последствий с тем большей вероятностью, чем больше количество изменений, принятых для устранения возможных причин отказа.

При диагностике выявляют виновников отказа (конструктор, технолог, расчётчик, сборщик, испытатель и т. п.). Это могут быть не только исполнители, но и их руководители, в обязанности которых входит организация и контроль работ, проверка полученных исполнителями результатов, организация своевременного и глубокого анализа проведённых испытаний.

Для ракетно-космической техники серьезность последствий от неточной диагностики зависит от того, на каком этапе её создания возникла и обнаружена причина отказа. Стоимость исправления ошибки, ведущей к отказу, возрастает на порядки по мере прохождения объекта от этапа проектирования к последующим этапам – экспериментальной отработки, серийного производства, эксплуатации (объект – это составная часть РДТТ: заряд, корпус, двигатель и т. п. или сам РДТТ).

Чем на более поздней стадии отработки возникает отказ (а испытания на воздействие эксплуатационных факторов, например, проводятся обычно после завершения основной отработки), тем сложнее ситуация с корректировкой конструкции и технологии, так как после проведения изменений для устранения причин отказа необходимо заново проводить некоторые испытания для проверки отсутствия непредвиденных отрицательных последствий для надёжности других элементов, внутрибаллистических параметров или энергетических характеристик. Поэтому желательно проводить предельные и форсированные испытания, выявляющие недостаточность запасов и надёжности конструкции на возможно более ранней стадии отработки. Но в начале отработки необходимо не только убедиться в наличии надёжности (из опыта известно, что в начальной стадии она недостаточна), но и проверить, работает ли двигатель вообще (проверка функционирования) и достаточно ли близки значения основных параметров двигателя (давления, тяги, удельного импульса, времени работы, времени выхода на режим) к требуемым [40]. Если РДТТ не работоспособен или значения некоторых параметров далеки от требований ТЗ, то его конструкцию необходимо изменять. Поскольку же доводку надёжности следует вести на окончательном варианте конструкции, то форсированные и предельные испытания зачастую оттягиваются до конца отработки. Оптимальное решение стратегии и тактики отработки следует искать с учётом первых огневых стендовых испытаний. Поэтому надо стремиться первые ОСИ провести даже на этапе эскизного проекта (на котором планируется порядок и объём отработки), несмотря на то, что это повышает вероятность возникновения отказа в первых опытах.

Появление отказов наряду с их предшественниками – дефектами  является следствием ошибок, допущенных при разработке, изготовлении и эксплуатации РДТТ, а в отдельных случаях – результатом возникновения новых неизвестных физико-механических явлений. Если бы этих ошибок и неполноты знаний не было, то отработка РДТТ была бы не нужна и не проводилась бы, это делается в некоторых других отраслях промышленности, где напряженность работы конструкций не столь велика, запасы не ограничены так жёстко, выполняемые объектами задачи не столь важны, а отказы не связаны с безопасностью для людей и большим ущербом [40].