Конструкции, или почему не ломаются вещи - Джеймс Гордон

В гл. 10 мы уже упоминали о гибели корабля "Кэптэн". История с ним носила политический характер и вызвала в то время много дискуссий. Я полагаю, немногие катастрофы имели столь далеко идущие последствия. "Кэптен" знаменует собой поворотную точку в развитии паровых линкоров и, возможно, в развитии современной концепции "мировой державы". Слабо разбирающиеся в кораблестроении историки не раз упрекали Британское адмиралтейство в излишней медлительности при переходе от паруса к пару. Историки же рьяно критиковали "империалистическую экспансию" и т.п.

Однако следует иметь в виду, что вплоть до сравнительно недавнего времени из-за ненадежных машин, большого расхода угля и малого радиуса действия паровые военные корабли, стоило им только покинуть родные воды, оказывались целиком зависимыми от баз, пунктов заправки углем и т.д. Реализация концепции "мировой державы" с помощью парового военного флота была в корне отличной от политики и стратегии, осуществлявшейся с помощью парусного флота в XVIII в. Именно по этой причине Британское адмиралтейство так долго настаивало на сохранении почти на каждом линкоре в дополнение к паровым машинам парусного снаряжения.

Технические трудности комбинирования паруса и пара определялись не столько самими парусами и паровыми машинами, сколько необходимостью пушек и брони, возраставшей в течение всего XIX в. Башенные орудия были не только тяжелы, но и требовали широкого сектора обстрела. Еще тяжелее была необходимая защитная броня. Комбинирование большого сектора обстрела, необходимой остойчивости и полного парусного вооружения создавало чрезвычайно трудные задачи.

Понимавшее все это адмиралтейство в 60-е годы прошлого века намерено было вести в этом направлении весьма осторожную политику. Если бы ему позволили ее осуществить, технические трудности были бы преодолены и, возможно, некоторые страницы истории оказались бы совершенно иными. Эти планы были нарушены неким военным моряком Купером Коулсом, принадлежавшим к тому типу неглупых людей, звездные часы которых наступают в пылу полемики и саморекламы. Он изобрел орудийную башню нового типа и поставил перед собой цель убедить адмиралтейство "пристроить" к ней линкор с полным парусным снаряжением и, следовательно, неограниченной дальностью плавания. Коулсу удалось вовлечь в это дело не только адмиралтейство, но и обе палаты парламента, королевскую семью, редактора "Таймс" и практически всех англичан. Устав в конце концов от постоянных обвинений в косности со стороны половины газет и больше чем половины политиков страны, адмиралтейство уступило. Оно сделало то, чего никогда не делало раньше и наверняка никогда не сделает вновь: разрешило строевому морскому офицеру, не имеющему навыка в кораблестроении, спроектировать его собственный линкор и построить его за счет налогоплательщиков.

Корабль строился на верфях Лэйрда в Биркенхеде под руководством Коулса без обычных в таких случаях проверок проекта. Более того, строительство велось в атмосфере поношений и полемики. Сам Коулс большую часть времени был болен и не покидал своего дома на острове Уайт. В результате вес корабля оказался на 15% выше расчетного. Не случись этого, корабль, быть может, оказался бы удачным и сравнительно безопасным. Но в том виде, в каком "Кэптен" был спущен на воду, он имел слишком большую осадку и недопустимо высоко расположенный центр тяжести. Последующие расчеты показали, что он должен был бы перевернуться при крене около 21°. Тем не менее корабль с большой помпой был принят флотом в 1869 г. Он совершил два океанских плавания, к большому удовлетворению "Таймс" и первого лорда адмиралтейства, сын которого служил на нем мичманом. Казалось, что проблемы на пути "мировой державы" снова будут решаться одна за другой и можно будет избавиться от трудностей, связанных с разбросанными по всему миру портами и базами снабжения.

В третьем плавании (1870 г.), возвращаясь с эскадрой из Гибралтара, во время довольно обычного шторма в Бискайском заливе "Кэптен" внезапно перевернулся и затонул. Погибло 472 человека - больше, чем англичане потеряли в битве при Трафальгаре. Сам Купер Коулс и сын первого лорда адмиралтейства утонули. Спаслись лишь 17 матросов и один офицер.

Гибель "Кэптена" значительно повлияла на ускорение перехода от паруса к пару, точнее на изгнание парусного снаряжения с больших линкоров. Какими бы ни были технические последствия этого перехода, политические следствия оказались весьма резвыми. Напомним, что Сузцкий канал, открытый чуть ранее спуска на воду "Кэптена", первоначально принадлежал Франции. В 1874 г. Дизраэли купил акции Суэцкого канала для английского правительства, и строительство раскинутой по всему миру сети баз снабжения сделалось политической необходимостью. Вся история создания и гибели "Кэптена" довольно запутана, но непосредственная техническая причина катастрофы несомненно заключалась в стремлении, несмотря на излишний вес, сделать мачты и корпус корабля одинаково прочными. Это была одна из многих катастроф, когда ничто не разрушилось, но корень зла был именно в недостатках конструкции.

Аэроупругость, или тростник, колеблемый на ветру

Позади какого-либо препятствия, например дерева или каната, поток воздуха или воды образует завихрения. Такие завихрения можно увидеть, посмотрев на тростник или камыш, растущий в медленно текущей реке. Завихрения чаще всего образуются попеременно то с одной, то с другой его стороны. Это приводит к возникновению периодических колебаний давления в потоке: давление попеременно становится большим то на одной, то на другой стороне препятствия. Возникающая последовательность, или "дорожка" вихрей, называется "дорожкой Кармана" по имени впервые описавшего ее ученого-механика. Довольно часто можно видеть вихри на гладкой поверхности воды; воздушные вихри обычно невидимы, но их можно заметить по движению дыма, опадающих листьев или с помощью других индикаторов. В действительности такая же дорожка вихрей возникает и в потоке воздуха за флагом, деревом или проводом.

В результате такого попеременного образования вихрей то по одну, то по другую сторону препятствия полощутся на ветру флаги, качаются деревья, гудят и поют телеграфные провода. Именно поэтому свободное полотнище паруса хлопает на ветру и вполне может разорваться или ушибить. Я однажды сам видел, как человека сбила с ног вырвавшаяся рея шкота; в ней была запасена довольно большая энергия. Когда в свежий ветер большой корабль поворачивает на другой галс, издаваемый парусами хлопок бывает громче пушечного выстрела.

Если частота аэродинамического воздействия, вызванного вихрями, совпадет с одной из собственных частот колебаний обтекаемого тела, то амплитуда колебаний в этом теле может возрастать до тех пор, пока что-нибудь в нем не сломается. Именно благодаря этому механизму, а не постоянному давлению ветра ломаются в бурю деревья. То же самое довольно часто происходит с самолетами и подвесными мостами. Этого можно избежать, если сделать конструкцию достаточно жесткой, особенно на кручение. Как мы уже отмечали, именно требования достаточной крутильной жесткости в основном определяют проектирование и вес конструкции современного самолета.

Хотя подвесной мост Телфорда через Менай уже вскоре после своей постройки довольно сильно пострадал от вызванных ветром колебаний, потребовалось около ста лет, чтобы строители мостов осознали реальную опасность этого явления. Классическая катастрофа такого рода произошла в 1940 г. с мостом Тэкома Нэрроуз в США. Этот мост с пролетом в 840 м не имел достаточной жесткости на кручение. Уже при среднем ветре размах колебаний достигал такой величины, что местные жители прозвали его "скачущей Гертой". Довольно скоро после постройки при ветре всего около 70 км/час амплитуда его раскачки и крутильных колебаний достигла критической величины и он обвалился. Случилось так, что рядом оказался кто-то с заряженной кинокамерой в руках. Камера работала, и стоимость пленки оказалась прекрасно вложенным капиталом, поскольку с тех пор ее показывают по всему миру практически во всех инженерных институтах (рис. 157).

Рис. 157. Кадры, запечатлевшие разрушение подвесного места Тэкома Нэрроуз[129].

Этот опыт учли, и современные подвесные мосты имеют достаточную жесткость, особенно на кручение. Как и в случае самолетов, вес элементов, обеспечивающих нужную жесткость моста, составляет довольно значительную долю его общего веса. Так, пролет автомобильного моста через Северн (рис. 86) выполнен из огромных стальных труб шестигранного сечения, изготовленных из листов малоуглеродистой стали. При сооружении моста они секциями сплавлялись по воде, поднимались на место и затем сваривались в сплошную конструкцию.