Динамика в моей жизни
Жизнь университетского профессора со стороны кажется размеренной, неторопливой и очень далекой от тех событий, которые происходят рядом. На самом деле серьезный научный результат неразрывно связан с частной жизнью исследователя и зависит от той среды, в которой он существует. Об этом я и пытаюсь рассказать, вспоминая некоторые свои наиболее значитель ные работы по динамике сплошных сред и анализируя обстоятельства, их сопровождающие.
В декабре 1929 года я перевелся из Казанского университета в Московский на первый курс физико-математичес кого факультета. Первые два года учебы были отданы напряженным теоретическим занятиям физикой и математикой, следующие два - изучению специальных дисциплин: аналитической динамики, аэродинамики, гидромеханики, теории упругости, гидравлики, сопротивления материалов, а также лабораторным занятиям и специальным курсам по теории крыла и винта, статике и динамике сооружений, прикладной механике. Была еще производственная практика, она дала мне звание техника. Так что, уже имея квалификацию станочника по дереву, приобретенную за год работы на производстве до поступления в Казанский университет, пришлось освоить слесарно-кузнечное дело.
Собственно научная и инженерная работа началась для меня весной 1932 года в Секции летных исследований Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) - главного центра авиационной науки страны, созданного в 1918 году Н. Е. Жуковским.
Здесь изучали тогда динамику одной из наиболее сложных фигур высшего пилотажа - "штопора", его выполнение нередко оканчивалось аварией. Для увеличения числа витков "штопора" в хвостовую и боковые части самолета У-2 перед полетом добавляли песок. Мне поручили расчетным путем точно определить изменения центровки и моментов инерции самолета. На решение этой задачи натолкнула статья Н. Е. Жуковского "Колебания маятника о двух степенях свободы". Результатом ее осмысления стал метод определения тензора инерции самолета, основанный на его качании и одновременном кручении на специальных подвесках. В испытаниях участвовали опытные бывалые летчики и даже руководитель темы Ю. А. Победоносцев - они качались в подвешенной машине во время ее подготовки к полету.
Вскоре меня перевели в отдел особых конструкций. Ими называли тогда автожиры и вертолеты. Я занимался расчетами лопастей несущего винта. Сравнивая данные своих таблиц с опытными, я обнаружил эффекты кориолисовых ускорений, которые очень меня заинтересовали.
В общетеоретическом отделе ЦАГИ под руководством академика С. А. Чаплыгина работали в то время В. В. Голубев, А. И. Некрасов, Л. Н. Сретенский, Н. Е. Кочин, М. А. Лаврентьев. Слушая незабываемые лекции по механике А. И. Некрасова и А. П. Минакова, я увлекся идеей построить невиданный до той поры аттракцион "Параболоид чудес". Его посетители могли бы в полной мере на себе ощутить воздействие криволинейного поля ускорений, особенно знаменитого "кориолиса". Местом для него выбрали Центральный парк культуры и отдыха имени М. Горького. Директор парка Бетти Глан доверила мне, молодому инженеру ЦАГИ, и моему школьному товарищу, технику-строителю А. Я. Эпштейну, проектирование и строительство параболоида.
Летом 1934 года новый аттракцион был построен. Параболоид чудес представлял собой деревянный шар диаметром 10 метров с горизонтально отрезанной верхней частью. Изнутри это был точный параболоид, по верхнему контуру присоединенный к крыше, сделанной в виде конуса. Согласно расчетам, каждый, кто находился внутри параболоида у его верхнего края, ощущал на ногах двойной "собственный вес", говоря языком космонавтов, испытывал коэффициент перегрузки, равный двум (двойное ускорение силы тяжести). Шар окружал кольцевой балкон. Была в нем входная дверь, через нее участники аттракциона (до 10 человек) входили внутрь шара, дверь закрывалась, и он начинал вращаться вокруг вертикальной оси. При скорости 18 оборотов в минуту начинались все "чудеса" криволинейного поля ускорений и относительности: нельзя было понять, где верх, где низ, брошенный мяч летел по спирали, при быстром изменении взгляда кружилась голова. Люди стояли в странных позах, кто на стенах, кто вниз головой на потолке.
Параболоид чудес был прототипом будущего тренажера для космонавтов. И все же невесомость в нем недостижима, поскольку коэффициент перегрузки может возрастать и убывать, но не ниже нормального, земного притяжения, равного единице. К сожалению, сильно динамически нагруженная деревянная конструкция параболоида постепенно теряла прочность, поэтому ему установили "срок жизни" всего 4 года. После этого аттракцион закрыли, а затем и разобрали.
В 1934 году после защиты диплома я поступил в аспирантуру МГУ и тогда же начал заведовать лабораторией сопротивления материалов, которую вскоре превратил в лабораторию сложных динамических процессов, и занялся созданием первого линейного механического ускорителя в виде пневматического скоростного копра. Этот ускоритель открыл для меня тематику будущих исследований в области больших скоростей и давлений. Одновременно я занялся поиском методов моделирования динамических процессов, включая и проблемы артиллерии.
Свой скоростной коп?р мы смонтировали прямо в лаборатории, в бывшей парикмахерской МГУ на Моховой. Он представлял собой небольшой воздушный компрессор (давление 10 - 15 атмосфер) с электромотором, задвижкой с быстрым пусковым устройством и трубой диаметром около 20 сантиметров и длиной 1 метр. Внутри трубы двигался полый снаряд, в него помещали испытуемые модели и измерители. Главным элементом была мощная, открыто заделанная в железобетонный фундамент высокопрочная и вязкая броневая плита площадью два квадратных метра и толщиной 30 сантиметров. Вместе с ассистентом С. М. Поповым и слесарем, токарем, фрезеровщиком в одном лице В. М. Рябовым (это был настоящий универсал) мы имитировали на ускорителе падение на землю авиационных бомб и добивались реальных высоких давлений и напряжений, возникающих при их воздействии.
Я больше теоретик, хотя всю жизнь занимался экспериментами. В теории пластичности меня как аэрогидроди намика привлекали в основном большие деформации и общая картина течений среды. В 1936-38 годах я написал и защитил кандидатскую и доктор-скую диссертации по вязко-пластическим течениям. В этих работах впервые в теорию пластичности были введены термодинамика, уравнения распространения тепла, решались и новые задачи. Свойства вязкопластических материалов экспериментально определялись гидравлическими методами, а свойства твердых тел - на нашем пневматическом скоростном копре.
Работа на оборону
Пришла война, и все беды обрушились сразу. Наши войска, отступая и оставляя в тылу у немцев военные базы, технику и боеприпасы, оказались перед "снарядным голодом". Вся артиллерия - полевая, танковая, авиационная, морская - без снарядов становилась бессильной. Таково было положение под Москвой в ноябре - декабре 1941 года.
В это время Государственный комитет обороны принял решение срочно увеличить производство артиллерий -ских снарядов за счет упрощения технологии их изготовления при безусловном обеспечении безопасности выстрела. Это подписанное Сталиным, требующее неукоснительного исполнения распоряжение, по-видимому, было воспринято в Президиуме АН СССР как поручение металлургам-технологам. Во всяком случае, директор эвакуированного в Татарию Института механики АН СССР Б. Г. Галеркин узнал о нем уже в Казани, и ему казалось, что механики тут ничего сделать не могут.
Мой приезд в Казань в это время был следствием ряда случайностей. 16 октября 1941 года вместе с группой других ученых я выехал из Москвы последним поездом в Ашхабад. Понимая бессмысленность и бесцельность этого путешествия, я выдумывал разные способы возвращения, но движение поездов в сторону Москвы в то время было категорически запрещено. В Перми я "совершенно случайно" оставил поезд и попал на буксирный пароход. На нем путь мой лежал вниз по Каме, вверх по Волге, и вот - я в Казани. В Институте механики АН СССР при первой же встрече с Б. Г. Галеркиным я в деталях узнал содержание распоряжения Комитета обороны и вплотную занялся этой проблемой.
Уже в ноябре 1941 года я начал исследовать развитие деформационных подходов в теории пластичности. Буквально за два месяца удалось создать фундамент теории малых упругопластических деформаций и доказать, что простейшая деформационная теория пластичности физически достоверна для простых (пропорциональных) нагружений. Необходимо только, чтобы процессы нагружений могли существовать одновременно во всех точках внутри тела. При соблюдении этих условий получаемые расчетные результаты совпадают с опытными, и за правильность расчетов можно ручаться. Это было доказано рядом теорем. Главным же теоретическим итогом этих исследований стало создание так называемого "метода упругих решений конкретных задач".
Все эти общие теоремы и методы
были созданы для того, чтобы
разобраться в явлениях,
происходящих в артиллерийском
снаряде при движении по каналу
ствола. Они помогли обосновать
возможность нового подхода к
изготовлению артснарядов и
коренным образом изменить,
упростить и удешевить их
проектирование и расчет, а главное -
производство и военную приемку. До
конца войны мы с
С. М. Поповым и сотрудниками кафедры
теории упругости МГУ и Института
механики АН СССР, где я также
заведовал отделом прочности,
провели большую научную работу по
артиллерийским снарядам.
Чтобы получить представление о расходе артснарядов во время военных действий, достаточно сказать, что значительно больше половины всего производимого в стране черного металла идет не на корпуса танков, самолетов, кораблей и строительные конструкции, а именно на артснаряды.
К началу войны артиллерийский снаряд представлял собой стальной, довольно толстостенный цилиндр со скругленной головной частью и слегка конической донной. Между ними по окружности располагался ведущий поясок, придающий снаряду вращение вокруг оси при движении по нарезам в канале ствола.
Передо мной встала проблема увеличить прочность снарядов при выстреле. Военная приемка на заводах проверяла тогда снаряды по наибольшей остаточной деформации корпуса. На полигонах снаряды отстреливали по мягким грунтам, собирали и индикаторами измеряли деформацию поверхности рядом с ведущим пояском: если она была меньше 0,25 миллиметра по диаметру, то снаряд считался годным, если нет - отбраковывался. Когда это условие прочности не выполнялось, забраковывалась вся партия, и их было много.
Налицо было явное противоречие: прочность снаряда определялась по остаточной, то есть пластической деформации, возникающей в нем при прохождении ствола, а проектирование и расчеты на прочность велись во всем мире методами теории упругости. Иными словами, мои предшественники не учитывали совместных деформаций ствола и движущегося в нем снаряда.
Отсюда понятен поворот моих научных изысканий от теории пластического течения к созданию теории малых упругопластических деформаций, точнее, к физически достоверной теории пластичности. Новая теория давала в расчетах на прочность надежные числовые значения основных параметров изделий. В это время нашу и без того "обескровленную" артиллерию настигла еще одна беда: случались, хотя и нечасто, преждевременные взрывы снарядов в каналах стволов, уничтожающие пушки и обслуживающие их солдат-ские расчеты.
В результате исследований удалось определить, что такое несущая способность корпуса снаряда и критерий ее сохранения, найти теоретически допустимые и остаточные прогибы, рассчитать нормы военной приемки. Что касается причин преждевременных взрывов снарядов в канале ствола, то были установлены эффект "трещины" - взрыв вследствие образования кольцевой трещины на внутренней поверхности корпуса под пояском и эффект "спички" - воспламенение взрывчатки из-за трения при проталкивании ее силами инерции на очень высокой скорости от головной к донной части корпуса.
В 1942 году новые методы расчетов, проектирования, технологии производства снарядов и нормы их военной приемки не только были признаны, но и стали законом. Удалось от трудоемкого литья и сложных токарно-фрезер ных работ перейти к элементарной штамповке снарядов, причем не из дорогостоящей стали, а из пластичного, так называемого сталистого чугуна. Только отмена термообработки давала экономию десятков тысяч тонн топлива. Была ликвидирована шлифовка, снизились нормы приемки. "Снарядный голод" резко пошел на убыль, вскоре появился даже избыток снарядов. Только тогда у военного командования появилась возможность организовывать крупномасштабные операции типа Сталинградского артиллерийского кольца.
Повороты судьбы
В 1947 году меня пригласили в только
что организованный ракетный центр
НИИ-88 в подмосковном Калинингра де
(теперь это
ЦНИИМАШ, если можно так сказать,
нечто вроде ракетного ЦАГИ) и
вскоре назначили заместителем
начальника института по науке.
Заведующим конструкторским
отделом НИИ-88 был тогда С. П.
Королев, членами Совета - М. К.
Тихонравов, Ю. Л. Победоносцев...
По примеру ЦАГИ в НИИ-88 началось создание теоретико-экспериментальных отделов динамики прочности и аэродинамики. Я пригласил туда на работу известных профессоров МГУ - Н. Д. Моисеева, Г. Н. Дубошина, Х. А. Рахматулина, В. М. Панферова, А. В. Кармишина, П. Е. Краснушкина и способную молодежь. Тогда же встал вопрос о том, как быть с аэродинамическими расчетами, точнее, с экспериментальным определением аэродинамических коэффициентов сил и моментов ракет, если нужные для этого сверхзвуковые аэродинамические трубы очень малого диаметра были в то время только в МГУ да ЦАГИ. Начались поиски теоретического решения этой проблемы газодинамическими методами.
В том же 1947 году я сформулировал и доказал закон плоских сечений в аэродинамике больших сверхзвуковых скоростей. Он позволял пространственную задачу представить как плоскую и решать ее более простыми и доступными методами. Специально собравшаяся для обсуждения закона комиссия сочла его неправдоподобным. Впрочем, один из членов комиссии - бывший тогда проректором МГУ известный во всем мире математик И. М. Виноградов молчал, да и другой - М. В. Келдыш не спешил с выводом. А Л. И. Седов был ярым противником нового закона и утверждал, что его вообще не может быть. Тем не менее в НИИ-88 закон сразу стали использовать для определения сверхзвуковых аэродинамических коэффициентов, а вскоре он был принят и в ЦАГИ.
Создание научно-исследовательского института, особенно такого, как НИИ-88, - дело непростое и очень ответственное. Меня захлестывало множество организационных вопросов, но это была уже не моя профессия. Весной 1950 года я ушел из института и стал ректором Ленинградского университета, а через два года меня назначили заместителем Ю. Б. Харитона в Арзамас-16. Там не было суматохи и организационных хлопот, можно было спокойно заняться наукой. Мы с Н. Н. Боголюбовым и М. А. Лаврентьевым проводили теоретико-экспериментальные работы. После напряженного дня отдыхали - ходили в театр, в гости друг к другу. Боголюбов был великий знаток и мастер приготовления кофе, Лаврентьев подбирал коньяки, ну а я готовил всевозможные шашлыки. И. В. Курчатов - верховный руководитель всех работ - в наших встречах не участвовал.
За время работы в Арзамасе-16 я вместе с другими руководителями работ по атомным производствам три раза встречался с Л. П. Берия. Помню, он всегда был непреклонен, если речь заходила об удлинении сроков работ: "Сделаете в срок - всем будут награды, не сделаете - тюрьма". Сроки выполнялись. Меня миновали и тюрьма, и награды (за небольшим исключением).
Когда решался вопрос о новом изделии - самой мощной бомбе, - А. Д. Сахаров выступил за термоядерный вариант, я определенно и активно поддерживал его. Ю. Б. Харитон и его сторонники возражали, считая, что необходимой мощности взрыва можно достичь, если увеличить уже существующую атомную бомбу. Но это было неперспективно. Победил вариант Сахарова.
В 1954 году меня избрали директором Института механики АН СССР. (Шесть лет спустя он был переименован в Институт проблем механики - ИПМ АН СССР.) Я вновь занялся совершенствованием пневматического скоростного копра, разрабатывал теорию подобия и моделирования динамических процессов на линейных механических ускорителях. Результатом этой работы стала книга "Механика сплошной среды", выдержавшая с 1965 по 1990 годы несколько изданий.
С помощью копра мы моделировали и имитировали подземные взрывы, по мощности эквивалентные около тысячи тоннам тротила на глубине 100 метров. Был построен ускоритель, дающий 100-кратную перегрузку. Он имел свободно падающий тяжелый ковш диаметром около 0,8 метра, глубиной 0,6 метра (в натуре - 80 и 60 метров). В ковш можно было, например, насыпать грунт, сделать в нем канал с водой и взорвать детонатор, по мощности в реальных условиях соответствующий тротиловому эквиваленту около 0,3-0,5 тонны. Скоростная съемка такого взрыва показывала естественное разбегание волн по берегам канала и сдвижку перекрывающего его блока (бетонного моста). Переброска горных пород взрывом имитировалась в ковше вполне достоверно. Этот ускоритель до сих пор используется в Институте горного дела Киргизии для изучения взрывов в ущельях или на склонах гор.
В 1950-е годы в Институте механики впервые были созданы вычислительный центр, новые стенды и лаборатории, в том числе газодинамическая с ударной трубой. Там работали известные ученые: Н. Г. Четаев, В. З. Власов, А. Л. Гольденвейзер, В. В. Соколов-ский, Б. Н. Юрьев, П. Я. Кочин, Ю. Н. Работнов. Издавался журнал "Прикладная математика и механика" АН СССР, был образован "Инженерный сборник", реорганизованный позже в журнал "Механика твердого тела". В институте работал Научный совет Академии наук СССР по проблемам прочности и пластичности, сыгравший тогда немалую роль в координации научных работ вузов и отраслевых организаций.
В это же время в МГУ на Ленинских горах возводились новые лаборатории Института механики МГУ. Я помогал строить стендовый зал с новыми силовозбудителями, динамическую лабораторию, лабораторию механики полимеров. Словом, в эти восемь лет я оказался сидящим на двух (если не больше) стульях и снова очень уставал, главным образом от организационных дел. Подошли выборы на пост директора Института механики АН СССР на третий срок. Вероятно, они были согласованы, а точнее, предопределены в ЦК КПСС. Несмотря на то, что наметили мою кандидатуру, я категорически отказался быть директором. И не стал им, и был исключен из "номенклатуры", так как после этого мне уже не предлагали высоких постов.
В 60-е годы я снова оказался на своей кафедре теории упругости МГУ. Начался этап оформления идей, создания теории упруго-пластических процессов, общей математической теории термовязкопластичности и термодинами ки сплошных сред .
Словарик к статье
Вязкость (внутреннее трение) - свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Динамика сплошных сред - раздел механики, посвященный изучению движения газообраз ных, жидких и твердых деформируемых тел под действием приложенных к ним сил.
Инерция (инертность) - свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, когда действующие на него силы уравновешены или отсутствуют.
Кориолисово (поворотное) ускорение - составляющая полного ускорения, которая проявляет ся при сложном, включающем вращательное, движении.
Момент инерции - величина, характеризующая распределение масс в теле и являющаяся наряду с массой мерой инертности тела при сложном движении.
Параболоид - незамкнутая поверхность, образованная вращением параболы вокруг своей оси.
Пластичность - свойство материалов твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые ее вызвали.
Тензор инерции - совокупность моментов инерции масс тела при сложном движении.
Упругость - свойство тел изменять форму и размеры под действием нагрузок и самопроиз вольно восстанавливать первоначальную конфигурацию при прекращении внешних воздействий.
