...
Выяснилось, что частота осцилляции 2,295 герца является рубежной между макросдвигом поплавка и его колебаниями в пределах предварительного смещения. Кроме того, я показала, что при искусственном введении дисбаланса в ротор гиромотора, радиальные колебания поплавка с остаточной плавучестью 0,1 грамма и вибрационным ускорением на воздухе 0,8 g также приводят к возникновению жидкостного трения, допустимого с точки зрения обеспечения требуемых точностных характеристик гироскопа ГПА-200. Экспериментальное исследование прибора подтвердило выводы теоретического исследования об отсутствии снижения трения при изменении частоты осцилляции от 400 до 18 герц. В диапазоне же частот от 18 до 4,69 герц наблюдалось значительное уменьшение трения.
Проведённые в секторе Веры Васильевны испытания ГПА-200 с искусственно введённым в ротор гиромотора дисбалансом также подтвердили данные теоретического исследования о снижении трения в опоре и достижении в одном и том же приборе различных режимов трения: жидкостного и виброударного, который приводит к разбросу величины случайной составляющей скорости дрейфа от 0,006 град/час до величин на порядок больше.
Начальник отдела был весьма впечатлён полученными результатами и решил, что для него настало время защитить кандидатскую диссертацию. Он предложил мне написать её. Я согласилась, поскольку материала для кандидатской диссертации к тому времени было накоплено уже достаточно. Взамен он пообещал мне дополнительный месячный отпуск, чем я не замедлила воспользоваться, съездив по турпутёвке в Среднюю Азию. Всё это время я числилась в командировке на заводе в Раменском. Когда я вернулась из этой "командировки", Гаранкин с большим воодушевлением сообщил мне, что собирается создать "гироскоп века", в котором благодаря колебаниям поплавка, обусловленным искусственно введённым в ротор гиромотора дисбалансом, будет отсутствовать граничное трение, и прибор покажет невиданную доселе точность. Я была потрясена, потому что ранее полагала, что в диссертации должна идти речь о способах уменьшения трения в опорах подвеса, а не о новом гироскопе с гидродинамическим подвесом.
Тем не менее, по заданию начальника отдела я приступила к работе по определению величины поддерживающей силы при колебаниях, вызванных искусственно введённым в ротор гиромотора динамическим дисбалансом, при различных значениях зазора в шаровой опоре, а также различном взаимном расположении центра шаровой опоры относительно центра внутренней сферической поверхности корпуса гироскопа. Иными словами, рассматривалась возможность создания поплавкового гироскопа с гидродинамическим подвесом, и при этом анализировались возможные погрешности такого гироскопа. Важным выводом этой работы явилось то, что поскольку конец вектора кинетического момента гироскопа описывает при колебаниях замкнутую кривую в пространстве, то в таких случаях, согласно недавним исследованиям теоретиков в области гироскопии, уходы прибора могут достигать больших величин. Кроме того, было показано, что моменты сопротивления токоподводов при поступательном перемещении поплавка не обеспечат требуемой величины случайной составляющей скорости дрейфа. Начальник отдела стал соисполнителем этой работы. В соавторстве с ним я написала также статью "Исследование характеристик поплавкового гироскопа с гидродинамическим подвесом, создаваемым при колебаниях поплавка", опубликованную в 1984 году в сборнике "Труды предприятий отрасли".
Несмотря на полученные неутешительные результаты теоретического исследования, Вадим Александрович утвердил тему диссертации и был непреклонен в своём решении разрабатывать "гироскоп века". Все денежные средства, выделенные отделу на проведение научно-исследовательской работы, он направил на изготовление и испытание макета нового прибора. Поскольку я не желала рисковать своей репутацией специалиста, то написала докладную записку начальнику отделения, в которой указала, что требуемая точность прибора обеспечена не будет и деньги, направленные на проведение научно-исследовательской работы, будут израсходованы напрасно.
Действительно, когда макет прибора был изготовлен и испытан, его дрейф не укладывался ни в какие допустимые границы. О диссертации не могло быть и речи. Меня до сих пор мучает совесть, что я воспользовалась предложением начальника отдела на незаконный отпуск, но диссертацию ему так и не написала, но он сам виноват, потому что он был максималистом по натуре. Ему нужно было бы создавать не "гироскоп века", а защитить диссертацию по уже проверенным на практике теоретически обоснованным методам снижения величины граничного трения при осцилляции и искусственно введённом в ротор гиромотора дисбалансе. В моей дальнейшей работе также было много тем, которые можно было бы использовать в качестве диссертационной работы. Но не сложилось…
Глава 7 Обкатка
Посвящается всем дерзновенным, самозабвенно ищущим Истину.
Шёл тысяча девятьсот восемьдесят третий год. Я занималась расчётами на прочность при ударных нагрузках различных типов акселерометров – приборов, устанавливаемых на гиростабилизированной платформе и измеряющих ускорение летательных аппаратов. В том же году я приступила к теоретическому исследованию инструментальных погрешностей разработанного на нашем предприятии поплавкового астатического гироскопа. И в течение практически всего этого года краем уха я слышала о необычном поведении поплавкового гироскопа другой конструкции, переданного на наше предприятие в качестве трофея со сбитого иностранного самолёта в ходе войны во Вьетнаме.
Знакомиться с этим явлением приезжали многие маститые учёные из МАИ, МГУ и других организаций. Все они спускались в подвальное помещение на фундамент, где был установлен гироскоп, осциллограф и другое необходимое для проведения испытаний оборудование, а затем пытались найти объяснение увиденной ими "обкатки" кожуха по упору при их соприкосновении. На нашем предприятии этой задачей занимался кандидат физико-математических наук Сергей Кухтевич, выпускник МФТИ, самого лучшего, с моей точки зрения, вуза тогдашнего СССР. К концу года Сергей написал отчёт об исследовании поведения этого гироскопа, в котором описал конструкцию гироскопа и суть наблюдаемого явления.
...
Гироузел, или кожух гироскопа, в котором установлен быстровращающийся ротор, представляет собой сплошную бериллиевую сферу и является внутренней рамкой карданова подвеса. Внешняя рамка карданова подвеса, выполненная в виде тонкого кольца, утоплена в кожухе. Опоры ротора представляют собой газодинамические подшипники. По направлению кинетического момента ротора в кожухе имеются два цилиндрических углубления. Упоры – металлические стержни, закрепленные в корпусе, входят в эти углубления, ограничивая рабочую зону гироскопа, – величину отклонения вектора кинетического момента ротора от нулевого положения до соприкосновения кожуха с упором.
Экспериментально обнаружено следующее явление: при соприкосновении кожуха с упором возникает "обкатка" упора, т.е. кинетический момент ротора начинает описывать конус, причём кожух всё время остаётся в контакте с упором. Частота обкатки меняется от прибора к прибору и составляет от семи десятых до семи герц. Скорость обкатки не зависит от скорости подхода гироскопа к упору и превосходит скорость ухода из-за вращения Земли на два-три порядка. Обсуждение постановки задачи, гипотез о физической сущности наблюдаемого явления и результатов исследования проводилось совместно с доцентом кафедры теоретической механики Александром Исааковичем Кобриным.
В разделе "Заключение" указывалось: "Рассмотренные в настоящем отчёте силы, действующие на кожух (силы нормальной реакции упора, сухого и вязкого трения, силы, возникающие при колебаниях ротора в газодинамических опорах) не могут вызвать наблюдаемое движение гироскопа на упоре. Для объяснения наблюдаемого режима обкатки необходимо проведение дополнительных экспериментальных и теоретических исследований природы и величины сил, действующих на кожух и ротор гироскопа гидродинамических, упругих, электромагнитных и т.д".
Однако свои изыскания Сергей не продолжил.
В конце года, когда стало очевидно, что никто из видных учёных, занимавшихся этой задачей, не выдвинул рабочую гипотезу, объясняющую причину возникновения обкатки, я изъявила желание взяться за решение этой головоломки и получила "добро" от начальства. В данном случае начальство ничем не рисковало: корифеи не сумели найти ответ на загадку, поэтому в случае моей неудачи это было бы воспринято как должное. В первый же рабочий день после Нового года я приступила к работе. Я прекрасно понимала, что знаю теорию гироскопов значительно слабее, чем все те маститые учёные, которые проявили интерес к решению этой задачи. Я понимала также, что мне предстоит отыскать какое-то ранее не принятое во внимание явление, которое способно вызвать столь необычное поведение гироскопа на упоре. Согласно "классике", при соприкосновении кожуха с упором на площадке их контакта возникает сила нормальной реакции и сила трения, момент от которой должен отводить контактирующие поверхности друг от друга. В действительности же кожух постоянно находился в контакте с упором.
Прежде всего, мне нужно было познакомиться с конструкцией прибора и теми условиями, при которых проводились эксперименты. Я, как и все предыдущие исследователи этого явления, решила воочию убедиться в удивительном поведении гироскопа, установленного, как это обычно делается при испытаниях, на фундаменте на отгоризонтированном основании.
...
Эксперимент заключался в следующем: на обмотки статора гиродвигателя подавалось напряжение питания, и ротор начинал вращаться с большой скоростью. Сигналы с выходных обмоток датчиков угла, установленных по осям подвеса гироскопа и характеризующих величину отклонения вектора кинетического момента от нулевого положения, подавались на вход осциллографа. При замыкании цепей обратной связи, то есть при подаче напряжения питания на обмотки датчиков момента, вектор кинетического момента находился в центре рабочей зоны, занимая нулевое положение. В режиме свободного гироскопа, т.е. при размыкании цепей обратной связи, ротор сохранял неизменным направление вектора кинетического момента в пространстве. Корпус же гироскопа под воздействием угловой скорости вращения Земли поворачивался в пространстве, вызывая так называемый кажущийся уход гироскопа, что на экране осциллографа фиксировалось в виде прямой линии. После соприкосновения с упором вектор кинетического момента начинал описывать конус, и на экране осциллографаэто проецировалось в виде окружности.
Ознакомившись с этими исходными данными, я начала разрабатывать различные гипотезы, которые могли бы объяснить наблюдаемое явление. Правда, сначала я поехала к Виктору Филипповичу Журавлёву, доктору физико-математических наук, руководителю кандидатской диссертации Сергея Кухтевича. С Виктором я была хорошо знакома, так как по окончании МВТУ он был распределён на работу в Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики, где, будучи молодым специалистом, работала и я. Здесь Виктор проработал несколько лет, проявив исключительные способности. Кстати, Виктор был ознакомлен с задачей, которую теперь предстояло решать уже мне. Не знаю, сколько времени он уделил этой задаче, но, во всяком случае, к тому моменту, когда я взялась за неё, ответа на поставленный вопрос не было ни у кого. Я поехала к Виктору, чтобы выяснить у него, насколько трудной, с его точки зрения, является стоявшая передо мной задача, каковы у меня шансы найти на неё ответ и какова квалификация Сергея как специалиста, поскольку мы работали в разных отделах и по производственным вопросам до сих пор не сталкивались. Сергей работал в теоретическом отделе, а я занималась теоретическими исследованиями в отделе, в котором проводились испытания гироскопов и разрабатывалась сопровождающая приборы документация.
Виктор сообщил мне, что задача сложная, что Сергей – высококвалифицированный специалист, и выразил сомнение в том, что мне удастся справиться с этой задачей. Однако я не была обескуражена, а, выслушав мнение Виктора, с головой окунулась в работу. Ещё раз спустилась на фундамент, изолированный от внешних вибраций и всех иных воздействий, включая вибрации здания института. Наблюдая за обкаткой, я обратила внимание на то, что лучик на экране осциллографа, описывая окружность с разной угловой скоростью, характерной для различных гироскопов, при этом слегка дрожит. Тогда я не поняла, почему это происходит, но все увиденные мной на экране осциллографа картинки чётко запечатлелись в моей памяти. Я искала явление, которое заставляло контактирующие поверхности кожуха и упора прижиматься друг к другу. А это могло происходить только в случае изменения направления силы трения в какие-то моменты их контакта. Этот эффект казался мне фантастическим.
Первый отчёт о моих изысканиях назывался "Разработка гипотез условий возникновения обкатки гироузла по упору… Часть I". В процессе работы мне понадобились консультации по математике, ибо в этой части я всю жизнь ощущала значительный пробел. В годы моей учёбы в МВТУ математика преподавалась лишь на двух первых курсах, что, возможно, было достаточно для инженера-практика, но совершенно недостаточно для специалиста, занимающегося теоретическими исследованиями в области гироскопии. Сейчас МВТУ переименовано в МГТУ, так что математике, должно быть, уделяется больше внимания. Я же по окончании МВТУ поступила не на мехмат МГУ, как предполагала ещё на втором курсе, а на вечерний факультет иняза.
Рассмотренные в этом отчёте гипотезы не позволили выдвинуть рабочую гипотезу. Вряд ли кто-нибудь верил в успех решения этой задачи, но я упорно продолжала свои поиски. Начальник нашего отдела Вадим Александрович Гаранкин не торопил меня, понимая, что я отдаю делу все свои силы. Он только как-то сказал: "Алла Дмитриевна, если мы с Вами решим эту задачу, то в ближайшие десять лет нам не будут страшны никакие бури!"
Я всё больше склонялась к мысли, что обкатка вызвана какими-то механическими колебаниями, но делиться своими предположениями ни с кем не собиралась. Узнав от начальника теоретического отдела Валентина Федоровича Рафельсона о том, что передо мной стоит такая задача, летом для беседы со мной к нам на предприятие приехал Александр Исаакович Кобрин, доцент кафедры теоретической механики МЭИ. Если бы в ответ на его прямой вопрос я поделилась с ним своими соображениями, он, возможно, даже опередил бы меня в разработке физической модели обкатки, не говоря уже о том, что он – выпускник механико-математического факультета МГУ – с лёгкостью решил бы соответствующие математические уравнения. Этого я не могла допустить, и потому всё время, пока он находился на нашем предприятии, я пряталась в дамской комнате. И до сих пор считаю это правильным, так как к тому времени я знала уже половину ответа на поставленный вопрос. Это была уже моя "интеллектуальная собственность".
Лето подходило к концу. Все мои силы и помыслы были направлены на поиск источника механических колебаний кожуха. Эта проблема не выходила у меня из головы буквально круглые сутки. Я чувствовала, что вот-вот придёт решение. В какой-то момент я почувствовала, что мне необходимо сосредоточиться, чтобы никто не мешал мне, – ни на работе, ни дома. Я поехала в библиотеку имени Ленина, не заказала ни одной книги и не была в состоянии нормально сидеть на стуле. Опершись на стол локтями и стоя на стуле на коленях, я обхватила голову руками и, закрыв глаза, какое-то время находилась в этом положении в полной неподвижности, не замечая никого и ничего вокруг. И вдруг пришло озарение. Эврика! Эти колебания вызваны динамическим дисбалансом ротора гиродвигателя! При вращении ротора против часовой стрелки из-за колебаний кожуха с частотой вращения ротора момент от силы трения в среднем равен нулю, и кожух постоянно приходит в соприкосновение с упором. Момент же от силы нормальной реакции обусловливает движение кожуха по упору по часовой стрелке.
Я села на стул уже нормально и записала эти несколько фраз. Затем нашла телефон-автомат и набрала номер телефона начальника отдела. Рабочий день закончился, но Гаранкин, как и обычно, задержался на работе. Я зачитала ему написанное на бумажке, чтобы не сбиться. Голос мой звенел от радости, я почти кричала в трубку. И в ответ мне он тоже закричал: "Алла Дмитриевна! Вы – у-у-умница!"
Это было истинное счастье. Такое не повторилось больше никогда в жизни. Поэтому именно этот момент я считаю кульминацией своего творческого пути, хотя и потом, позже, мне также довелось заниматься интересными и сложными проблемами. Я, как мать своё дитя, буквально вынашивала решение этой задачи.
До конца года я подготовила два следующих отчёта по исследованию поведения гироскопа на упоре. В первом уточнялись гипотезы условий возникновения обкатки и была предложена рабочая гипотеза. Во втором исследовались уравнения движения гироскопа и определялось влияние жёсткости упора на скорость обкатки. Составив приближённые уравнения движения кожуха и внешней рамки, я представила их решение на одном периоде колебаний кожуха, вызванных динамическим дисбалансом ротора. Эти решения показали, что в зависимости от жёсткости упора кожух может постоянно находиться в контакте с упором, вдавливаясь в него, либо отходить от него на части периода высокочастотных колебаний кожуха. Моя гипотеза была полностью подтверждена экспериментальными данными как по частоте обкатки, так и по характеру взаимодействия контактирующих поверхностей.
С моими отчётами были ознакомлены сотрудники теоретического отдела. Им, в свою очередь, предстояло убедиться в правильности предложенной мной гипотезы о причине возникновения обкатки – из-за динамического дисбаланса ротора гиродвигателя – путём программирования и решения уравнений движения гироскопа на ЭВМ. Эту работу выполнили Сергей Кухтевич и Владимир Исаев. Необходимо было получить решение не только на периоде колебаний кожуха, вызванных дисбалансом ротора, которое получила я, но на периоде обкатки гироузлом упора, то есть на бесконечно большом числе высокочастотных колебаний кожуха. Для этого мне не хватило бы целой жизни, и именно поэтому потребовалось моделирование процесса обкатки на ЭВМ. В результате моделирования было получено периодическое решение с ожидаемой частотой, что подтверждало правильность выбранной гипотезы. Это означало, что кожух "закатался" по упору. Тут уже наступило всеобщее ликование. Мы выступали с докладами в НИАС, МГУ и других организациях. Я видела восхищение коллег, их признание меня как специалиста. Профессор кафедры прикладной механики МГУ Игорь Васильевич Новожилов сказал: "Эта женщина всем нам дала фору".
Конечно, мне не терпелось поскорей опубликовать статью о поведении гироскопа на упоре в журнале "Механика твёрдого тела", одном из лучших журналов тогдашнего СССР. Статья должна была быть написана на высочайшем математическом уровне. Лучше Сергея Кухтевича это сделать не смог бы никто. Однако работа над статьей продвигалась достаточно медленно, потому что стоявшая перед Сергеем задача была не из лёгких.