Анатолий Валентинович Тиль
Этапы творческого пути. Из воспоминаний советского инженера
Магнитные подвесы
Развитие нового вида гироскопической техники
Моё увлечение магнитными подвесами началось в 1963 г. со встречи в НИИ-10 с академиком В.И. Кузнецовым, который мне показал трофейные материалы, из которых следовала невозможность создания таких подвесов. Как я выяснил через несколько лет, в 1937 г. в одном университете США удалось подвесить иголку в магнитном поле. Эта информация как-то не попала к немецким учёным.
Через пару месяцев после встречи с В.И. Кузнецовым у меня уже начались эксперименты с подвешенными в магнитном поле ферромагнитными телами массой от нескольких грамм до 13 кг.
Стальной ротор шарового гироскопа диаметром 152 мм, подвешенный в поле электромагнита магнитодинамического подвеса. Фото из личного архива автора
В подвесе, показанном на рисунке, практически отсутствуют моменты сопротивления вращению подвешенного тела вокруг вертикальной оси. Такие подвесы применяются в центрифугах для разделения изотопов радиоактивных веществ. Исследовалось взаимодействие большого количества тел различной формы с магнитными полями различной конфигурации.
Высокочувствительный физический маятник. Фото из личного архива автора
На рисунке показан высокочувствительный физический маятник. Подвесы такого типа в дальнейшем были применены в гирокомпасе «Меридиан» и в артиллерийских наземных гирокомпасах.
Естественно, хотелось применить эту технику для создания гироскопа, способного работать при любой ориентации относительно направлений гравитационного поля и сил инерции, возникающих при маневрировании подвижных объектов. В 1965 г. для исследования возможности создания такого гироскопа в НИИ-303 была вначале открыта НИР, а в дальнейшем – и ОКР.
В процессе исследований различных принципов построения гироскопов был разработан подвес переменного тока магниторезонансного типа, отличающийся конструктивной и схемотехнической простотой. Для работы в переменном магнитном поле такого подвеса необходим был сферический ротор, изготовленный из магнитного материала с большим удельным сопротивлением, т.е. обладающего свойствами изолятора. Таким материалом принципиально мог быть феррит, но он не имел в то время необходимых электрических и механических свойств.
Для решения такой задачи были привлечены специалисты Министерства Электротехнической промышленности. Там по нашим заданиям был выполнен большой объём работ по созданию феррита и улучшению его физико-механических и электромагнитных параметров. Эти работы проводились по 5 темам и завершились в 1973 г. Работы вначале выполнялись в НИИ-56 под руководством начальника отдела Н.Н. Шольц, а затем, под её же руководством, – в НИИ Магнитодиэлектриков, где она стала Главным инженером.
Необходимо отметить заметный вклад в создание гироскопа коллектива специально созданного подразделения в НИИ Прикладной Математики и Кибернетики при Горьковском университете. Этим подразделением вначале руководил д.ф.м.н. Ю.И. Неймарк – известный математик. НИИПМК являлось соисполнителем наших работ. Необходимо также отметить большое творческое участие в разработке гироскопа моего сотрудника – к.т.н. М.В. Баркана.
Результаты испытаний экспериментальных образцов гироскопов подтвердили состоятельность принятых технических решений. Постоянные времени гироскопов доходили до 6000 с, в то время как у применявшихся тогда шаровых гироскопов с аэродинамическим подвесом они едва достигали 150 с. Уходы гироскопов на длительных интервалах времени (70 часов) находились в пределах 0,0003 – 0,001 градуса в час. Это всё – рекордные результаты.
Гироскоп МСГ и его блоки демпфирования. Фото из личного архива автора
Две опытных партии гироскопов к 1970 г. успешно прошли стендовые испытания и позволили приступить к разработке соответствующих гироскопических приборов. На рисунке изображён гироскоп МСГ и его блоки демпфирования, содержащие конденсаторы магниторезонансного подвеса и обеспечивающие его устойчивость.
Сферический ротор гироскопа, изготовленный из феррита, имеет диаметр 25 мм. Сердечники электромагнитов подвеса также изготовлены из феррита. Внутри гироскопа миниатюрным насосом создаётся глубокий вакуум. Вакуум сохраняется в корпусе гироскопа в течение нескольких лет его хранения.
Гироскоп выгодно отличался от известного в то время гироскопа США с электростатическим подвесом большей перегрузочной способностью, наличием датчиков моментов для управления его движением, а также простотой и технологичностью конструкции.
Гироскопы МСГ не имеют зарубежных аналогов.
Наивысшая точность работы гироскопа реализуется при отсутствии управления его угловой ориентацией. Если ротор такого гироскопа ориентировать в заданную точку мирового пространства, то его ориентация относительно горизонтальной системы координат будет изменяться во времени аналогично движению звезды или планеты на небосводе.
Работающий в таком режиме гироскоп США с электростатическим подвесом иногда называли «Звездой в бутылке». Гироскоп МСГ также может работать в таком режиме. Для решения задач навигации и ориентации подвижного объекта необходимо не менее двух таких «звёзд».
Гироскопический прибор разработки ЦНИИ «Электроприбор». Фото из личного архива автора
На рисунке изображён гироскопический прибор со снятыми крышками, разработанный в 1973 г. в ЦНИИ «Электроприбор» по ОКР под руководством автора. В верхней части прибора расположена четырёхосная карданова система, на внутренней платформе которой установлен один из МСГ.
В приборе измеряются текущие значения высоты и азимута «звезды» и по ним вычисляются географические курс и широта, а также приращение географической долготы объекта. Определяются также углы качки объекта. Предусмотрена возможность совместной обработки информации с другим прибором такого типа, но другой ориентацией «звезды».
Нижняя часть прибора содержит оригинальный амортизатор, защищающий верхнюю часть прибора от интенсивного удара с ускорением до 1000 g и перемещениями основания прибора при ударе до 60 мм. Цилиндрическая форма прибора и его размеры обусловлены диаметром люка подводной лодки.
Испытания системы в статике и при качке показали, что погрешность определения географической широты не превысила 1,5 угловой минуты, а погрешность определения курса не превысила 3 угловых минут. Это очень хорошие результаты.
Гироскопический прибор с двумя управляемыми МСГ и его стойка управления. Фото из личного архива автора
По этой же ОКР была разработана, изготовлена и испытана гироскопическая система с двумя управляемыми МСГ, которая определяла координаты, углы качки и курс объекта. В этом гироскопическом приборе использовалась трёхосная карданова система. На рисунке представлены гироскопический прибор этого типа и его стойка управления.
Как видно из рисунков, конструкции гироскопических приборов в значительной мере унифицированы. Разработанные изделия планировалось испытать в морских условиях.
Ликвидация и возрождение
В ЦНИИ «Электроприбор», по инициативе и вначале под руководством автора, проводились также небольшие работы по созданию гироскопа с электростатическим подвесом ротора – аналога гироскопа США. Процесс создания этого гироскопа (ЭСГ) отставал от разработки МСГ на 5-7 лет, что было обусловлено трудоёмкостью.
Руководством предприятия и министерства (МСП) было решено форсировать работы по созданию ЭСГ и затормозить внедрение его конкурента – МСГ. С 1974 г. меня устранили от всякого участия в работах с гироскопическими приборами с МСГ, а в дальнейшем – вообще прекратили эти работы. Мои обращения в различные вышестоящие организации с обоснованиями необходимости применения в судостроении имеющихся научно-технических достижений не имели успеха.
Что же было делать? Согласиться с ликвидацией результатов моего многолетнего труда или бороться дальше? Я решил передать другим предприятиям СССР результаты своего труда. Для этого было необходимо найти соответствующие организации и убедить их в том, что новое направление лучше того, чем они занимались до сих пор. Необходимо было также получить разрешение на передачу научно-технических достижений. Предприятие и министерство выступали категорически против этого, т.е. поступали так: «Сам не ам, но и другому не дам!».
В 1980 г. я взял кратковременный отпуск за свой счёт, съездил в Москву и зашёл в приёмную министра Обороны Д.Ф. Устинова. Там я написал на его имя соответствующее письмо и попросил этому письму присвоить гриф «Секретно». В дальнейшем мне стало известно, что я, на удивление всем, получил разрешение на передачу научно-технических достижений в другие отрасли промышленности.
В МСП поднялся шум: «Кто подписал сопроводительное письмо Устинову? Кто командировал Тиля в Москву? Лишить его допуска к секретным работам!». Последнее было эквивалентно увольнению, но не нашло поддержки специализированного Управления КГБ.
Решив со временем первую задачу, я передал документацию на МСГ:
– в Московский Институт Электромеханики и Автоматики,
– в Ижевский Механический Завод («Ижмаш»),
– в ПО Омский Электромеханический Завод.
Также я получил некоторую информацию НПО «Электромеханики», г. Миасс.
Таким образом, к работе были привлечены специализированные предприятия трёх оборонных министерств МАП, МОП и МОМ. На всех этих предприятиях, к удивлению их сотрудников, изготовленные по переданной документации гироскопы стали работать с необходимой точностью. Это послужило толчком к собственной разработке гироскопов с учётом особенностей их применения в данных отраслях промышленности.
Так уж получилось, что автор оказывал сотрудникам предприятий консультативную помощь в решении новых задач. Полезно было бы также взаимодействие предприятий между собой, чему мешали ведомственные барьеры. Для преодоления этих барьеров по инициативе автора и при поддержке ВПК была создана «Всесоюзная межотраслевая научно-техническая программа по применению магнитных гироскопов». Программу утвердили три министра оборонных отраслей промышленности. К программе формально присоединился также ЦНИИ «Электроприбор» и была получена подпись министра МСП.
В дальнейшем ЦНИИ «Электроприбор» разработал и поставил системы с ранними модификациями магнитных гироскопов на подводные лодки, изготовленные для ВМФ Индии. Научным руководителем программы был автор записки. Время функционирования программы: 1987 −1990 гг.
Совместные работы с «Ижмаш» проводились как в Ижевске, так и в Ленинграде. В последнем случае у нас работали прикомандированные к нам конструкторы вновь организованного в «Ижмаш» СКБ. Сотрудничество было очень эффективным.
Комплекс 9К714 «Ока», предоставленный автору для опытных работ. Фото из личного архива автора
Была разработана документация на две модификации гироскопов с принципиально новой конструкцией магнитного подвеса сферического ротора, что позволило существенно увеличить перегрузочную способность гироскопов и сократить их размеры. Был получен совместный патент РФ на основной элемент магнитного подвеса.
«Ижмаш» – не только прославленное предприятие по разработке и изготовлению стрелкового оружия. Имелось весьма совершенное чистовое производство для изготовления гироскопической высокоточной техники, расположенное в рукотворном сосновом лесу вдали от основных цехов. На этом производстве было изготовлено несколько опытных партий гироскопов с магнитным подвесом ротора. Один из гироскопов использовался мною в гирокомпасе «Викинг». «Ижмаш» в дальнейшем применял гироскопы в инклинометрах, выпускавшихся для определения траекторий нефтяных скважин.