Катастрофы, или очерк об ошибках, прегрешениях и усталости металла
Хитрее в мире повозки нет,
Построил мастер на сотню лет.
Прошло столетье в единый миг -
От той повозки остался...
Весь окружающий мир можно рассматривать как огромную энергетическую систему:величественный рынок, где одна форма энергии по определенным ценам и правиламнеминуемо переходит в другую. Энергетически предпочтительное обязательнопроизойдет. В этом смысле каждая конструкция существует лишь для того,чтобы отдалить что-то неизбежное, энергетически выгодное. Так, поднятыйгруз должен упасть, упругая энергия - выделиться и т.п. И действительно,рано или поздно груз падает, а упругая энергия выделяется. Задача конструкции- отложить это событие на год, на век или на тысячелетие. В конечном счетевсе сооружения будут разбиты или разрушатся сами, так же как и всем намв конце концов суждено умереть. Отложить это на некий приличный срок -задача медиков и инженеров.
Весь вопрос заключается в том, каков же этот "приличный срок". Каждаяконструкция должна быть надежной в течение определенного времени службы.Для ракеты это могут быть несколько минут, для автомобиля или самолета- 10-20 лет, для собора - тысячелетия.
Старый фаэтон Оливера Вандела Холмса, сконструированный ровно на столет, - ни на день больше, ни на день меньше, - развалился, как и было задумано,1 ноября 1855 г., лишь только священник добрался в своей проповеди до слов"в-пятых"… Ясно, что это вздор. Эксцентричный герой романа Невила Шьюта"Путь закрыт" предсказывает, что хвост авиалайнера "Райндер" отвалитсяиз-за "усталости металла" после 1440 полетных часов плюс минус один день.И это тоже вздор, о чем наверняка знал Нэвил Шьют, опытный авиационныйинженер.
Практически невозможно с такой точностью планировать время надежнойработы изделия. Возможен лишь статистический, основанный на опытных данных,подход к этой проблеме. Причем по самой природе вещей мы можем дать толькоболее или менее разумные вероятностные оценки надежности. Ослабив конструкциюсверх меры, ее можно сделать легкой и дешевой, но тогда недопустимо возрастаетвероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, "вечная" с человеческойточки зрения - а именно этого всегда жаждет публика - конструкция можетоказаться слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительныйвес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает.Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкциюдля реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пустьмалой, но конечной - вероятностью преждевременного выхода ее из строя.
Как указывает Альфред Пагсли в своей книге "Надежность конструкции",этот довольно интересный момент в рассуждениях как раз и может заставитьнас отказаться от строго логического подхода к проблеме. Как говорит Пагсли,человеку присуща боязнь разрушения - вот почему обыватель цепко и упрямодержится за мысль, что любая конструкция, с которой он лично связан, вообщене должна разрушаться. Последствия такой точки зрения могут быть самымиразличными; иногда это не приносит вреда, но иногда приводит к печальнымрезультатам.
Во время войны английские авиаконструкторы были поставлены перед необходимостьюразумного компромисса между прочностью и другими качествами самолета. Потерибомбардировщиков от действий немецкой противовоздушной обороны были оченьбольшими, примерно один из 20 самолетов не возвращался из каждого боевоговылета[120]. Напротив,потери самолетов вследствие разрушения конструкции были незначительными - многоменьше одного самолета из 10 тыс. Вес силовой конструкции самолета составляетпримерно треть его общего веса, и было бы, видимо, разумным еще уменьшить его вобмен на другое оборудование, дающее самолету дополнительные преимущества. Вэтом случае число катастроф несколько увеличилось бы, но сэкономленный такимобразом вес позволил бы увеличить число и калибр пушек или толщину брони, чтопривело бы к существенному общему снижению потерь. Но авиаторы не хотели дажеслышать об этом. Они предпочитали больший риск быть сбитыми гораздо меньшемуриску аварии по техническим причинам.
Чувство возмущения поломкой конструкции, по мнению Пагсли, унаследованонами от далеких предков, испытывавших постоянный страх, кроме всего прочего,и оттого, что сук или ветка дерева, на котором они жили, сломаются, и ихдети, да и они сами, окажутся в пасти какого-нибудь саблезубого тигра илипещерного медведя. Как бы то ни было, инженеры не могут не считаться сэтим чувством, хотя возникающий вследствие этого дополнительный вес можетзачастую привести и к увеличению опасности.
О точности расчетов на прочность
Любой рациональный подход к вопросам прочности и надежности требуетот инженера умения предсказать с достаточной точностью прочность предлагаемойим новой конструкции, даже если он толком не знает, на сколько времениэтой прочности хватит. Как мы видели в гл. 3, прочность таких простых конструкций,как канаты, цепи, прямые колонны или балки, можно рассчитать достаточнонадежно. Но этого не получается в случае весьма сложных конструкций, таких,как самолеты и корабли, для которых вопросы прочности особенно важны. Зная,что имеется огромный опыт проектирования различных сооружений, что существуетобширная и математически изощренная литература на эту тему, что читаютсябесконечные лекции по теории конструкций, мы можем не поверить последнемуутверждению. Но это действительно так.
Рассмотрим, например, статистику прочности самолетов. Так как экономиявеса здесь очень важна, а последствия разрушения всегда ужасны, проектированиесамолетов, естественно, ведется со всей тщательностью. Дотошно проверяетсякаждая деталь. Чертежи и расчеты делают высококвалифицированные специалисты,используя при этом самые передовые научные методы.
После окончания работы все расчеты совершенно независимо проверяютсядругой группой специалистов. Таким образом, окончательные результаты настолькобезошибочны и точны, насколько это вообще в человеческих силах. Наконец,для полной надежности полномасштабная модель самолета испытывается на стендахдо разрушения.
За последние годы было разработано лишь несколько новых моделей самолетов,так что современные данные статистически недостоверны. Однако, когда самолетыбыли проще и дешевле, сравнительно большое число моделей разрабатывалосьпо крайней мере до стадии опытного образца. В Англии между 1935 и 1955 гг. было построено и испытано на прочность около ста типов самолетов. Поэтомурезультаты, полученные в этот период, позволяют делать статистически достоверныевыводы.
Естественно, что величина требуемой прочности зависит от размеров и назначениясамолета. Однако можно сказать, что каждое конструкторское бюро стремится ктакой прочности, при которой самолет разрушится только при нагрузке,составляющей 120% от предельной эксплуатационнойнагрузки[121].
Если бы проектирование конструкций хоть сколько-нибудь походило на точнуюнауку, можно было бы ожидать, что результаты различных испытаний, нанесенныена график, или гистограмму, тесно соберутся вокруг величины, равной 120%от расчетной нагрузки, с очень небольшим разбросом. Другими словами, результатыдолжны изображаться узким "нормальным распределением", примерно таким,как показано на рис. 153. Однако известно, что в жизни ничего подобногоне происходит. Реальная гистограмма скорее похожа на рис. 154.
Рис. 153. Ожидаемое статистическое распределениевеличины разрушающей нагрузки самолета (схематическая диаграмма).
Рис. 154. Действительное распределение прочностисамолетов, испытанных на разрушение в течение 1935-1955 гг. (весьма приближенно).
Экспериментальная прочность оказывается почти равномерно распределенноймежду 50 и 150% от требуемой расчетной нагрузки. Поэтому можно утверждать,что даже наиболее выдающиеся конструкторы могут ошибиться в предсказаниипрочности самолета в 2-3 раза. Некоторые из испытанных самолетов имелименьше половины нужной прочности; некоторые были слишком прочны и поэтомуоказались значительно тяжелее, чем могли бы быть.
Что касается кораблей, то, оказывается, для них вообще не существуетданных, на которые можно было бы опереться, так как корабли почти никогдане подвергались испытаниям на разрушение в лабораторных условиях. Поэтомуневозможно сказать, хорошо или плохо делают свою работу конструкторы кораблей,по крайней мере в отношении расчетов на прочность. Однако, как мы виделив гл. 4, число аварий, вызванных конструктивными недостатками судов, весьмазначительно, и в настоящее время количество катастроф на тонно-милю, по-видимому,растет.
Что касается мостов, то расчеты на прочность здесь проще, чем в предыдущихслучаях, в основном благодаря более определенным нагрузкам. И все же количествоаварий современных мостов также довольно велико.
Проектирование с помощью эксперимента
Погрешности теоретического проектирования делают, конечно, необходимымиэкспериментальные исследования прочности всех разрабатываемых самолетов.Однако выгоды эмпирического подхода оказываются даже шире. Мы полагали,что целью конструктора является такая ситуация, при которой конструкцияразрушается, как только нагрузка достигнет расчетной величины. Но маловероятно,что даже тщательным образом рассчитанная конструкция окажется равнопрочнее.
На испытательном стенде конструкция разрушается в одном, самом слабомместе, следовательно, во всех остальных точках прочность конструкции выше.Если силовая конструкция самолета разрушается как раз при требуемых 120%расчетной нагрузки, то это значит, что большая часть конструкции обладаетизлишней прочностью, в которой просто нет необходимости. Но при этом мыничего не можем сказать о том, где и насколько можно облегчить конструкцию.Хотя повторные испытания больших сооружений требуют непомерных затрат времении денег, но там, где это возможно, все-таки лучше сделать так, чтобы первоеразрушение произошло при меньших нагрузках, чем требуемые. Такое испытаниеобнаруживает слабое место, которое следует усилить, затем испытание повторяюти т. д.
Один из самых удачных самолетов в истории авиации - бомбардировщик временвторой мировой войны "Москито" - первоначально разрушался в заднем лонжеронекрыла при 86% расчетной нагрузки. Постепенным упрочнением конструкции самолетабыла достигнута величина 118%. Своими выдающимися боевыми качествами этотсамолет был в значительной степени обязан чрезвычайно легкой и прочнойсиловой конструкции.
Грубо говоря, это - дарвиновский метод; так природа совершенствоваласвои собственные конструкции, правда, она имела на то больше времени именьше задумывалась о ценности жизни, чем нынешние инженеры. Аналогичныйметод с замечательным размахом используют автомобильные фирмы, а такжефирмы, выпускающие дешевые изделия массового производства. Они порой умышленновыбрасывают на прилавки менее прочную продукцию, чтобы на основании жалобпокупателей постепенно выявить дефекты своих изделий.
Таким образом, значительная доля проектирования элементов с заданнойпрочностью сводится к своеобразной игре, в которой последовательно латаютсяслабые места нагружаемой системы. Чем сложнее конструкция, тем это становитсятруднее и ненадежнее. Но, к счастью, проектирование большинства изделий,от мебели до самолетов, не становится совершенно невозможным благодарятому, что требования нужной жесткости часто оказываются значительно важнеетребований прочности. И конструкция, имеющая достаточную жесткость, зачастуюавтоматически оказывается и достаточно прочной. Так как перемещения конструкциизависят скорее от ее общего вида, чем от существования "слабейших" мест,то расчеты на жесткость делать проще и они гораздо надежнее расчетов напрочность. Именно это мы имеем в виду, говоря о проектировании "на глаз".
Сколько она будет служить?
В основу рассмотрения прочности и устойчивости каменных соборов профессорЖак Хейман положил любопытный принцип: "если строение простоит пятьминут, то оно простоит пять веков". Для каменных сооружений, построенныхна скальном грунте, это, наверное, так и есть. Однако множество зданийстроится на мягком грунте, и если почва ползет (см. гл. 6), а это происходитдовольно часто, то возникают такие феномены, как падающая Пизанская башня.Подобные смещения можно предвидеть, и происходят они достаточно медленно,но борьба с ними чрезвычайно дорогостояща, и многие здания, как древние,так и современные, либо развалились, либо были разобраны по этой причине.
Для большинства конструкций гниение и коррозия являются очень активнымифакторами разрушения. Отчасти именно страх перед гниением заставил английскихархитекторов и инженеров отвернуться от древесины. Однако "бедные невежественные"жители США, Канады, Скандинавских стран и Швейцарии строят около 1500 тыс.деревянных домов в год, по-видимому ни мало не беспокоясь о гниении, ибыло бы неплохо посмотреть, как же они с ним справляются. Использованиедревесины в этих странах растет.
Разные породы деревьев подвержены гниению в весьма различной степени, и регистр"Ллойда"[122] устанавливает определенный срок службы для каждого сорта древесины, используемой в кораблестроении. Однако при современном уровнезнаний и технологии можно добиться практически неограниченного срока службылюбой древесины.
Большинство металлов ржавеет, причем современная мягкая сталь ржавеетгораздо быстрее, чем викторианское кованое железо или чугун, поэтому борьбас коррозией является в некотором смысле проблемой последнего времени. Ручнойтруд сейчас очень дорог, поэтому велика стоимость окраски и содержаниястальных конструкций. Одна из важных причин широкого распространения железобетоназаключается в том, что армирующая бетон сталь не ржавеет.
Такие большие корабли, как современные танкеры, рассчитаны на эксплуатациюв течение примерно 15 лет, и, как правило, их дешевле разрезать на металлолом,чем красить. Срок службы автомобилей по той же причине обычно еще меньше.Правда, для некоторых конструкций можно использовать нержавеющую сталь,но она не всегда спасает от коррозии, к тому же она дорого стоит и значительнотруднее обрабатывается. Кроме того, нержавеющую сталь отличают невысокиеусталостные свойства.
Именно это послужило одной из причин широкого использования алюминиевыхсплавов. Но во многих случаях жесткость алюминия оказывается все же недостаточной,не говоря уже о его высокой стоимости. Существенным недостатком являютсятакже и трудности со сваркой. Некоторые социалистические страны видят заалюминием большое будущее и вкладывают значительные средства в развитиеего производства. В 1961 г. лондонская биржа была взволнована контрактамимежду "Тьюб инвестментс" и "Бритиш алюминиум". Однако рынок алюминия нерасширился в той мере, которой ожидали заинтересованные в этих сделкахбизнесмены. Кроме того, производство алюминия требует значительно большихэнергетических затрат, чем производство стали.
Даже если свойства материала, используемого в конструкции, со временемне ухудшаются, ее надежность все же зависит от различного рода случайностей,которые не всегда можно предвидеть. Многие конструкции разрушаются толькопри исключительных обстоятельствах (корабль - при чрезвычайно высоких волнах,самолет - при бешеном порыве ветра) и может пройти очень много времени,прежде чем это произойдет. Для некоторых сооружений фатально лишь необычноестечение нескольких обстоятельств. Для моста это может быть совпадениесильного ветра с чрезмерно интенсивным потоком транспорта. Хотя вероятностьподобных ситуаций необходимо предвидеть, зачастую проходят годы, преждечем они реализуются, и действительно, ненадежное сооружение может простоятьдолгие годы лишь потому, что оно так и не испытало настоящих нагрузок.
Конечно, инженеры, с ответственностью относящиеся к делу, в своих расчетахпытаются предвидеть необычайные ситуации, но очень часто пиковые нагрузкиявляются результатом того, что страховые компании называют "волейбожьей"[123].
Если корабль врежется в большой мост и при этом пострадает и мост, икорабль, как это произошло не так давно в Тасмании, то трудно сказать,что же именно нужно было учесть проектировщикам и моста, и корабля. Этапроблема относится не к конструкторам, а к местному отделению ассоциациисудоводителей. Нельзя также сделать самолет, на котором не отразилось быстолкновение с горой. Мы хотим (до определенной степени, конечно) иметьтакой автомобиль, чтобы, налетев на кирпичную стену, не нанести ущербаздоровью пассажиров, но не следует думать, что сам автомобиль после этогоокажется годным к дальнейшему использованию.
Усталость металла, мистер Хани и пр.
Одной из наиболее коварных причин, при которой конструкция теряет своюпрочность, является так называемая "усталость" - постепенно накапливающийсяэффект действия циклических нагрузок. Возможные драматические последствияусталости металла впервые обыграл Киплинг в 1895 г. в репортаже о событияхв Бискайском заливе, когда из-за появления усталостной трещины на концегребного вала отвалился винт "Гроткау". Киплинг вышел из моды, но интересширокой публики к усталости металлов был возрожден в 1948 г. романом НевилаШьюта "Путь закрыт". Отчасти своим успехом эта книга, как и поставленныйпо ней фильм, несомненно, обязаны характеру героя - мистера Хани, этоготипичнейшего ученого, а отчасти трем катастрофам самолетов "Комета", которыепроизошли вскоре одна за другой. Как заметил когда-то Вистлер, "Природакрадется за искусством". Обстоятельства аварий с "Кометами" отличалисьот описанных в романе только значительно большим числом жертв, эти катастрофынанесли серьезный урон английской авиационной промышленности.
В действительности, первые инженерные знания об усталостных эффектахносят столетнюю давность. Уже вскоре после промышленной революции былозамечено, что движущиеся части машин выходят из строя при таких нагрузках,которые были бы совершенно безопасны в случае, если бы они были неподвижными.Чрезвычайно опасными были разрушения осей железнодорожных вагонов, которыенеожиданно ломались без видимых причин после некоторого времени эксплуатации.Этот эффект вскоре стал известен как "усталость".
В середине XIX в. служащий немецких железных дорог Вёлер (1819-1914)провел классические исследования этой проблемы. На фотографии герр Вёлервыглядит именно так, как должен был, на наш взгляд, выглядеть типичныйнемецкий железнодорожный служащий того времени, но это не помешало емупроделать весьма полезную работу.
Как уже отмечалось в гл. 4, даже большие локальные напряжения не приведутк росту трещины, если ее длина не превышает "критической длины Гриффитса",поскольку рост трещины в этих условиях потребовал бы затрат энергии, превышающихработу разрушения материала. Однако в случае циклических нагрузок внутрикристаллической структуры металла происходит постоянная перестройка, вчем-то похожая на перестройку, возникающую в местах концентрации напряжений.Это приводит к уменьшению работы разрушения металла, и трещина, хотя иочень медленно, растет, даже если ее длина значительно меньше "критической".
Таким образом, крошечные, не видимые глазом трещинки могут появитьсяв любом отверстии, выемке или нерегулярности в напряженном металле и начатьраспространяться дальше, никак не изменяя внешнего вида детали. Рано илипоздно такая "усталостная трещина" достигает критической длины. При этомскорость ее распространения возрастает и трещина быстро проходит черезвесь материал, часто с очень серьезными последствиями. Уже после разрушенияусталостную трещину сравнительно легко распознать по характерному полосчатомувиду поверхности усталостного разрушения. Однако до разрушения начало усталостногопроцесса проследить практически невозможно.
Естественно, металловеды проводят многочисленные испытания материаловна усталость, для чего разработано очень много различных типов испытательныхмашин. Общепринято рассматривать усталостные свойства материала при знакопеременныхнапряжениях (±s), которые обычно возникают, например,во вращающихся осях любого транспортного средства. (Существуют способыпреобразования этих результатов применительно к другим условиям циклическогонагружения.) Величину знакопеременного напряжения ±sобычно откладывают на графике в зависимости от логарифма числа nциклов нагружения, при котором произошло разрушение образца. Этот графикназывают усталостной кривой (или ±s-n-диаграммой).Типичная усталостная кривая для обычной стали показана на рис. 155.
Рис. 155. Типичная усталостная кривая для железа или стали.
Можно заметить, что с увеличением n разрушающеенапряжение сначала падает, но после примерно миллиона циклов выходит напостоянный уровень, называемый "пределом усталости". Миллион циклов нагружениядля осей автомобиля или вагона эквивалентен пробегу примерно 3000 км, адля двигателя машины, коленчатый вал которого, конечно, вращается быстрееее колес, - примерно 10 ч работы.
Существование определенного предела усталости для материалов типа железаи стали весьма удобно для инженера. Если машина сделала 106или 107 оборотов, для чего может понадобиться лишь несколькочасов, то появляется надежда, что она будет работать почти бесконечно.Но усталость материала - это опасность, которая всегда нуждается в специальномрассмотрении.
Алюминиевые сплавы не имеют определенного предела усталости, их усталостнаяпрочность непрерывно падает с ростом n, как показано на рис. 156. Вследствиеэтого они более опасны в применении, что в какой-то мере оправдывает стародавнеепредубеждение к ним и предпочтение им стали.
Рис. 156. Сплавы цветных металлов, например сплавы алюминия или латунь,обычно не имеют фиксированного предела усталости.
Катастрофы с "Кометами", которые произошли в 1953 и 1954 гг., вызвали,конечно, вполне оправданную тревогу. Расследование этих инцидентов, предпринятоеАрнольдом Холлом совместно с большой группой экспертов, представляет собойклассический образец не только инженерного исследования, но и глубоководныхспасательных работ. Разрозненные части одного из самолетов, упавшего вСредиземное море, приходилось собирать на дне и поднимать с глубины околосотни метров. Спасателям удалось собрать практически все, и бесчисленныеобломки самолета покрыли пол большого ангара в Фарнборо. При этом, насколькоя помню, максимальный размер обломка не превышал 60-90 см.
"Комета" была одним из первых самолетов, имевших фюзеляж с наддувом,чтобы избавить пассажиров от дискомфорта, связанного с резким перепадоматмосферного давления при изменении высоты. Сегодня мы уже забыли, чтопрежде, пролетая над горами, приходилось обедать в кислородной маске. Всамолетах с наддувом фюзеляж представляет собой цилиндрический сосуд стонкими стенками, перепад внутреннего и наружного давления для этого сосударастет с каждым набором высоты и падает с каждым снижением самолета.
Роковая ошибка конструкторов "Кометы" состояла в том, что в этих условияхони не обратили достаточного внимания на опасность "усталости" металлав местах концентрации напряжений. Фюзеляж "Кометы" был изготовлен из алюминиевыхсплавов, а предыдущий опыт фирмы "Хэвиленд" относился к производству восновном деревянных самолетов, в том числе и триумфального "Москито". Яне хочу предположить даже на минуту, что конструкторы фирмы "Хэвиленд"ничего не знали об усталости, но, возможно, именно опасность усталостиалюминиевых сплавов не проникла достаточно глубоко в сознание коллектива.Дерево гораздо менее чувствительно к усталости, и в этом заключается одноиз больших его преимуществ.
В каждой из этих аварий трещины, образуясь скорее всего около небольшихотверстий в фюзеляже, медленно и незаметно развивались, пока их длина недостигала "критической длины Гриффитса". После этого обшивка мгновенноразрушалась и весь самолет взрывался, словно надутый воздушный шар. Многократнонадувая воздухом фюзеляж "Кометы" в наполненном водой бассейне в Фарнборо,Арнольду Холлу удалось воспроизвести этот эффект так, что его можно былонаблюдать, как при замеделенной съемке.
Одна из основных причин описанных аварий крылась в том, что усталостныхтрещин никто никогда не замечал. Скорее всего, на них трудно было обратитьвнимание из-за очень малой длины: они были невидимы при обычном осмотре.В настоящее время самолеты проектируются в расчете на сохранность фюзеляжапри трещине длиной в десятки сантиметров, а такую трещину нельзя не заметитьдаже при самом поверхностном осмотре. Тем не менее известна анекдотичнаяистория о двух уборщицах лондонского аэропорта. Поздно ночью, закончивуборку пустого салона самолета и закрыв дверь, они остановились на ступенькахтрапа, и здесь между ними произошел такой разговор.
— Мэри, ты не выключила свет в туалете.
— Откуда ты знаешь?
— Разве ты не видишь - вон светится трещина в стенке?
Катастрофы деревянных кораблей
Во времена, когда еще не было железных дорог, почти все тяжелые грузыдоставлялись по воде. Кроме океанской и континентальной торговли, а такжевнутренней торговли, осуществлявшейся по рекам и каналам, процветала интенсивнаяприбрежная торговля. Тысячи маленьких бригов и шхун, запечатленных на карикатурахУ.У. Джекобса, перевозили всех и вся не только между прибрежными гаванямии портами, но и между самыми разными точками берега. Корабль приставалк берегу во время прилива, а с наступлением отлива разгружал свой груз(уголь, кирпич, известку или мебель) прямо в телеги, выстраивавшиеся вдольего бортов. С приливом судно опять уходило в море, чтобы повторить всесначала где-нибудь в другом месте.
Естественно, это было довольно рискованным занятием, но в XVIII в. большинствоэтих маленьких посудин в самые суровые зимние месяцы позволяло себе отдохнуть,подремонтироваться, а команда тем временем навещала свои семьи и местныепитейные заведения. Это довольно идиллическое и не связанное со слишкомуж большими опасностями течение дел в XIX в. было нарушено возросшей конкуренцией.Под давлением условий коммерции суда были вынуждены плавать в течение всегогода, не позволяя себе, как правило, дожидаться хорошей погоды. Регулярностьплавания этих корабликов заставила бы краснеть служащих многих современныхжелезных дорог.
Но, конечно, за все приходится платить. В середине 30-х годов XIX в.у побережья Англии ежегодно происходило в среднем 567 кораблекрушений,в результате чего в год погибало в среднем 894 человека. Не мне судить,хуже ли это или лучше, на тонну-милю перевезенного груза, чем у современныхгрузовиков, но, во всяком случае, общественное мнение было взволнованои парламент образовал специальный комитет для расследования причин кораблекрушений.Заслушав огромное количество свидетелей, комитет установил, что, за незначительнымисключением, причиной случившегося послужили: 1) дефекты конструкции, 2)недостатки в оснастке судов, 3) отсутствие своевременного ремонта.
В докладе комитета утверждалось, что дефекты в конструкции судов в значительнойстепени стимулированы использовавшейся в период с 1798 по 1834 г. системойих классификации (то есть правилами, определяющими постройку и ремонт),установленной ассоциацией страховых компаний. Предполагалось, чтобы системаустановления правительственного налога на тоннаж судна заставляла бы придаватьсудам определенную форму корпуса. Бюрократический ум, надо думать, вовсене изменился за последние сто лет.
Честно говоря, проблема регламентации строительства кораблей или любыхдругих конструкций, обеспечивающая требуемую их прочность и безопасность,необычайно сложна. Без сомнения, с 30-х годов прошлого века здесь достигнутопределенный прогресс. Но в то же время ничто так не мешает развитию техники,как строгая регламентация конструирования и постройки. Пагсли в уже упоминавшейсякниге "Надежность конструкций" указывает, что в принципе невозможно установитьсистему регламентаций прочности, направленную против дураков и жуликов,которая одновременно не тормозила бы или по крайней мере не отодвигалаприменение усовершенствований и полезных нововведений. Правила контролябезопасности конструкций, вероятно, необходимы, однако некоторые из нихне только смешны, но и могут стать действительной причиной катастроф.
Однако вернемся к деревянным кораблям. Не только клиперы, но и маленькиебриги, бригантины, шхуны и барки, которые были так же прекрасны, как исовершенны, канули в Лету, а на верфях, где их строили, теперь делают яхты.Конструировать деревянные яхты и проще, и сложнее, чем большие суда. Конечно,корпуса яхт не бьются о береговые камни, пока их грузят щебнем и углем,но здесь есть другая проблема - их тонкая обшивка с трудом выдерживаетместные нагрузки и удары.
Теперь, когда так популярны длительные океанские путешествия на маленькихяхтах, проблема сосредоточенных нагрузок стала очень важной, и виноватыв этом кашалоты. При весе 6 т и скорости до 30 узлов эти животные испытываютособую ненависть к маленьким суденышкам, атакуют их, таранят и пробиваюткорпус ниже ватерлинии. В последнее время это случается так часто, чтоуже не может рассматриваться как "воля божья" (точнее Посейдонова), и кэтой опасности следует относиться серьезно и серьезно от нее защищаться.
По-видимому, нецелесообразно делать корпус маленькой яхты настолькотолстым и прочным, чтобы он мог выдержать удар кашалота. Лучше, вероятно,предусмотреть некоторые надувные устройства, которые в случае полученияпробоины удерживали бы яхту на плаву, а еще лучше, позволяли бы ей продолжатьидти под парусом. До сих пор пострадавшие от встреч с кашалотами были вынужденыспасаться на шлюпках, в которых они проводили много неприятных дней и даженедель, прежде чем их подбирал какой-нибудь пароход.
Еще о котлах, сосудах давления и о кипящем в них масле
На протяжении многих лет, еще до того, как получила достаточное развитиесеть железных дорог, львиная доля пассажиров и срочных грузов перевозиласьпо воде. В первой половине XIX в. не только больше, чем сейчас, пароходовходило из Англии в самые разные порты Европы, но и существовало весьмаразвитое пароходное сообщение между городами Великобритании. Самым дешевыми часто самым быстрым и удобным способом добраться из Лондона в Ньюкасл,Эдинбург или Абердин было путешествие на пароходе.
Аварии на пароходах случались реже, чем на парусных судах, просто потому,что последних было намного больше. Тем не менее, между 1817 и 1839 гг.в британских водах произошли 92 крупные пароходные аварии. Из них 23 быливызваны взрывом котлов. Хотя, конечно, это не шло ни в какое сравнениес американским рекордом, установленным речными пароходами несколькими годамипозже, но было все же достаточно печально.
Некоторые из первых котлов делались из совершенно неподходящих материалов,например из чугуна. Так, при взрыве чугунного котла на "Норвиче" погиблонесколько человек. Даже если котлы были сделаны из железа и более или менеетак, как надо, обращались с ними довольно небрежно, позволяя ржаветь до техпор, пока они, наконец, не взрывались. Это послужило причиной гибели"Форфэршира" у берегов Исландии в 1838 г. Пять человек были спасеныисключительно благодаря мореходному искусству и мужеству ГрейсДарлинг[124].
Снова парламент назначил специальный комитет, который в 1839 г. выпустилобширный, изобилующий фактами скрупулезно составленный документ, которыйвыглядит сейчас почти неправдоподобно. В те годы бурного распространенияпаровых машин найти честного, знающего, ответственного и умного механикабыло почти невозможно даже за очень приличное жалованье. И невежды обращалисьс машинами и котлами столь безответственно, что в это просто невозможноповерить.
"Капитан парохода, шедшего ночью при спокойном море из Ирландиив Шотландию, заметил, что скорость судна значительно превышает обычную.Механика на месте не оказалось, и капитан приказал кочегару объяснить,почему машина так работает. Кочегар ничего вразумительного не сказал, крометого, что пар очень маленький и ему непрерывно приходится подбрасыватьуголь. Капитан начал осматривать машину и, подойдя к трубе, на которойбыли расположены предохранительные клапаны, обнаружил там спящего в тепломместечке пассажира. Этот человек с помощью нехитрой поклажи умудрился сделатьсебе постель прямо на плоских грузах предохранительного клапана и давилна них весом всего своего тела. Когда его растолкали и подняли, клапаноткрылся и пар начал выходить с ревом, свидетельствовавшим об очень высокомдавлении.
Здесь не было ртутного манометра, и кочегар привык поддерживать давлениепримерно на том уровне, когда пар начинал выходить из предохранительногоклапана; не слыша этого звука, он продолжал шуровать в топке. Он был слишкомневежественным, чтобы по увеличивающимся оборотам машины сообразить, чтопроисходит что-то неладное.
Несколько свидетелей сообщили нам также, что часто видели кочегаров,машинистов и даже механиков сидящими или стоящими на грузах предохранительныхклапанов, нередко они подвешивали дополнительные грузы или повисали самина рычагах предохранительного клапана, чтобы "поднять пар" в момент старта".
Это выдержка из упомянутого выше доклада. Далее говорится, что "… былопринято также ставить на рычаг клапана угольную корзину". Это послужилопричиной взрыва на пароходе "Геркулес". Удивительно только, что зарассматриваемый период из-за взрывов котлов на английских пароходах погиблолишь 77 человек. На железных дорогах положение было примерно таким же и причиныбыли в основном те же. Непрерывная цепь серьезных катастроф растянулась на 70или 80 лет. Наверное, последняя из них произошла в 1909 г. Взорвался котелпаровоза, хотя манометр показывал нулевое давление. Оказалось, что рабочийнеправильно собрал предохранительный клапан, так что он не мог стравливать пар.Манометр показывал нуль потому, что его стрелка сделала полный оборот иуперлась в стопор с противоположной стороны. Три человека было убито и троетяжело ранено.
В наши дни котлы взрываются значительно реже. Отчасти это связано стем, что их производство и эксплуатация тщательно регламентируются закономи страховыми компаниями, но в еще большей степени из-за того, что сейчаспочти не осталось паровых машин. Действующие паровые котлы находятся, какправило, на больших предприятиях, таких, как электростанции, и обслуживаются,по-видимому, достаточно компетентными людьми.
Но что называть котлом? Это довольно интересный юридический вопрос. Впромышленности существует множество типов сосудов высокого давления,использующихся в различных технологических процессах. Многие из них выглядятсовершенно непохожими на традиционные котлы, вследствие чего их опасностьзачастую бывает не столь очевидна. Вообще говоря, контроль за их производствоми эксплуатацией менее строг, чем в случае обычных котлов[125]. Однако,поскольку многие из этих сосудов нагреваются технологическим паром или горячиммаслом под давлением, последствия аварии могут быть не менее драматичными, чемдля обычных котлов. Следует иметь в виду, что предел усталости металла сварногошва в конструкциях из обычной стали, подвергающихся воздействию влажного пара,может быть не больше 20 МН/м2 (1,5 кгс/мм2).
В одном случае, с которым мне пришлось разбираться, два больших вращающихсябарабана для изготовления покрытой пластиком бумаги перевели с подогревамаслом низкого давления на технический пар высокого давления. Надо сказать,что инспектор страховой компании настаивал на том, что барабаны должныбыть "усилены" с помощью треугольных косынок из мягкой стали, приваренныхизнутри к поверхности цилиндра и к плоским крышкам барабана.
Вскоре после переоборудования оба барабана взорвались во время работы.Имея в руках чертежи, я рассчитал, что в этих барабанах было по крайнеймере 48 мест, где должна была бы произойти авария. Но моя оценка оказаласьслишком пессимистической - на самом деле разрыв произошел только в 47 местах.Слава богу, никто не был убит и никто серьезно не пострадал; все это явилосьударом для инспектора страховой компании, который был, надо полагать, прилежными достаточно рассудительным маленьким человеком.
Другой случай оказался более трагическим. Фирма химического машиностроениязакупила где-то на стороне сосуд-смеситель, который предполагалось использоватькак часть строящегося для заказчика завода. Так как смеситель должен былнагреваться маслом под давлением, то нагревательная рубашка была подвергнутаконтрольным испытаниям холодной водой. Она выдержала давление в 5 ат безкаких-либо видимых повреждений. Однако, когда установка была поставленазаказчику и рубашка заполнена очень горячим маслом под давлением всегов 1,5 ат, она взорвалась после нескольких часов работы, обрызгав человекамаслом температурой 280°С, в результате чего тот умер через несколько дней.
Согласно докладу официального инспектора, авария могла произойти тольковследствие халатности моего клиента - фирмы химического машиностроения.В результате фирма была вовлечена в очень сложный и дорогостоящий судебныйпроцесс.
В действительности же официальный доклад об аварии был основан на неверныхвыводах, сделанных на основании осмотра осколков. Резервуар взорвался непотому, что мои клиенты использовали его неподобающим образом, причинойаварии явились ошибки в проекте и изготовлении. И хотя природа техническихпричин аварии была довольно сложной, как мои клиенты, так и непосредственныеизготовители сосуда полагали, что конструирование такого сооружения - задачатривиальная. На самом деле сосуд по-настоящему даже не проектировался,а был "скроен на глазок" и сварен в какой-то третьеразрядной мастерской.
В результате произошло следующее. Во время испытаний под высоким давлениемсварные швы нагревательной рубашки сильно пострадали, но никто этого незаметил. Швы были настолько близки к разрушению, что нескольких цикловнагружения при гораздо меньших давлениях оказалось достаточно для усталостногоразрушения, приведшего к трагическим последствиям. Знающий и опытный инженердолжен был бы предусмотреть такую возможность. По закону и, возможно, посправедливости основная тяжесть вины ложилась на изготовителей сосуда,но я не мог избавиться от мысли, что компетентная фирма, располагавшаяопытными инженерами-химиками, могла бы предотвратить беду. Когда я оказалсяна этой фирме, директор пригласил меня обедать. В ходе беседы я между прочимспросил его:
— Сколько в вашей фирме дипломированных инженеров, мистер…?
И услышал в ответ:
— Ни одного, слава богу!
О вырезании дыр
Вообще говоря, вырезать дырки в уже существующих конструкциях довольнобезрассудно, и тем не менее некоторые просто не могут противиться соблазнупроделать это. Случай, о котором пойдет речь, произошел с самолетом "Мастер",построенным перед войной в качестве учебного самолета Королевских военно-воздушныхсил. По характеру исполнения и стилю управления он был похож на "Харрикейн"и "Спитфайер". В трудные дни 1940 г. некоторые из этих самолетов были переоборудованыв истребители, для чего в крыле поставили шесть скорострельных пушек. Первоначальныйучебный вариант машины имел тросовый привод механизмов управления, которыйхотя и прекрасно работал, но был слишком "мягким" для настоящего истребителя.Поэтому кто-то решил заменить в истребительном варианте "Мастера" тросына металлические тяги. Чтобы пропустить тяги, управляющие рулями высотыи поворота, в шпангоуте хвостовой части были сделаны соответствующие вырезы.
Прошло совсем немного времени, и последовала серия из трех катастрофсо смертельным исходом. Во всех трех случаях у самолета в полете отваливалсяхвост. При стендовых испытаниях фюзеляжа выяснилось, что его прочностьупала до 45% расчетной нагрузки. Мораль, я думаю, ясна.
Гораздо более известная катастрофа такого же типа с огромным количеством жертвпроизошла с транспортом "Биркенхед". Этот металлический пароход был спущен наводу в 1846 г. как военный корабль. Он имел должную прочность и был снабжен внужном количестве водонепроницаемыми переборками. Когда его переоборудовали втранспорт, военное ведомство настояло, чтобы в поперечныхпереборках[126] были сделаны большие отверстия, дабы в помещениях для солдат былобольше места и света.
В 1852 г. "Биркенхед" отправился в Индию через Кейптаун, имея на борту648 человек, в том числе 20 женщин и детей. В результате навигационнойошибки судно налетело на одинокую скалу в 4 милях от побережья Южной Африки.Корабль получил огромную пробоину в носовой части, и поскольку переборкикорпуса были практически вырезаны, все люди, находившиеся в носовой частикорабля, были затоплены водой почти мгновенно. Многие солдаты не успелипроснуться: было 2 часа ночи. Под напором заполнившей корабль воды передняячасть его обломилась и быстро пошла ко дну. Было темно, море кишело акулами,спасательных шлюпок не хватало. Оставшиеся в живых сгрудились на корме,которая тонула медленнее. Солдаты вели себя храбро и дисциплинированно:они собрались на верхней палубе, в то время как женщин и детей посадилив немногие уцелевшие шлюпки и отправили на берег. Все женщины и дети былиспасены. Уцелело лишь 173 человека, остальные утонули или были съеденыакулами.
Быстрое затопление водой большинства отсеков корабля явилось очевиднымследствием того, что во многих переборках были вырезаны отверстия, чтои послужило, конечно, причиной гибели судна. Жертв было бы, наверное, значительноменьше, если бы корабль не разломился надвое, что произошло, по-видимому,в результате ослабления корпуса как целого.
История с "Биркенхедом" стала широко известна как пример дисциплиныи героизма экипажа. Когда известие достигло Берлина, прусский король приказалзачитать его перед строем в каждой армейской части. Возможно, было бы лучше,если бы он заставил военное министерство не вмешиваться в вопросы конструкциикораблей - предмет, в котором армейские чины всегда мало что понимали.
Как отмечает К. Барнэби, известный кораблестроитель, представление о том, что втранспортах свежий воздух и свободное пространство важнее безопасности, быловесьма живучим. Он говорит, что даже в 1882 г. судовладельцы жаловались, что,когда они, согласно требованиям адмиралтейства, устанавливали дополнительныепереборки, военные власти отказывались принимать суда на том основании, чтопространство между переборками слишком мало[127].
Об излишнем весе
Почти каждая конструкция почему-то оказывается тяжелее, чем предполагалее автор. Отчасти это происходит из-за слишком оптимистических оценок тех,кто занимается весом будущей конструкции, но отчасти благодаря заботе почтикаждого участника о ее "безопасности". Каждый делает свою деталь чуть-чутьтолще и чуть-чуть тяжелее, чем это в действительности необходимо. В глазахмногих это своего рода добродетель, признак честности и порядочности. Всловах "построено основательно" сквозит оттенок похвалы, в то время какслова "легкая конструкция" звучит скорее как "легковесная", "ненадежная".
Иногда все это не играет роли, но иногда от этого зависит очень многое.Вес самолета имеет тенденцию постоянно возрастать от самой чертежной доски.Лишний вес, естественно, ограничивает запас горючего и радиус действиясамолета. Кроме того, увеличение общего веса почему-то всегда приводитк смещению центра тяжести самолета назад. Другими словами, вес хвоста всегдарастет быстрее, чем вес всех остальных частей .аппарата. Это может иметьсерьезные последствия. Если центр тяжести слишком сильно переместится назад,то самолет будет иметь весьма опасные летные характеристики. Он легко срываетсяв штопор, из которого не может потом выйти. По этой причине удивительномного самолетов - в том числе и самых знаменитых - пролетало всю свою жизньс постоянно прикрученным болтами свинцовым грузом на носу. Не стоит и говорить,насколько это плохо.
Излишний вес судов может оказаться еще более вредным. В этом случае не толькоувеличивается общий вес корпуса, но и смещается центр тяжести, причем всегдатолько вверх. Остойчивость корабля, то есть его способность плавать так, какнадо, а не вверх килем или на боку, определяется так называемой"метацентрической высотой". Она представляет собой расстояние по вертикалимежду несколько мистической, но очень важной точкой, называемойметацентром[128], и его центромтяжести. По весьма веским причинам метацентрическая высота даже большогокорабля обычно довольно мала, она составляет 30-60 см или даже меньше, поэтомуподъем центра тяжести всего на 10 см значительно меняет метацентрическуювысоту, что может сильно сказаться на остойчивости и, следовательно, набезопасности судна. Многие корабли переворачивались из-за этого уже при спускена воду, причем ни корабельные мастера, ни все остальные, кто несетответственность за излишний вес корабля, почему-то не считали себя в этомвиноватыми.
В гл. 10 мы уже упоминали о гибели корабля "Кэптэн". История с ним носилаполитический характер и вызвала в то время много дискуссий. Я полагаю,немногие катастрофы имели столь далеко идущие последствия. "Кэптен" знаменуетсобой поворотную точку в развитии паровых линкоров и, возможно, в развитиисовременной концепции "мировой державы". Слабо разбирающиеся в кораблестроенииисторики не раз упрекали Британское адмиралтейство в излишней медлительностипри переходе от паруса к пару. Историки же рьяно критиковали "империалистическуюэкспансию" и т.п.
Однако следует иметь в виду, что вплоть до сравнительно недавнего времени из-заненадежных машин, большого расхода угля и малого радиуса действия паровыевоенные корабли, стоило им только покинуть родные воды, оказывались целикомзависимыми от баз, пунктов заправки углем и т.д. Реализация концепции "мировойдержавы" с помощью парового военного флота была в корне отличной от политики истратегии, осуществлявшейся с помощью парусного флота в XVIII в. Именно по этойпричине Британское адмиралтейство так долго настаивало на сохранении почти накаждом линкоре в дополнение к паровым машинам парусного снаряжения.
Технические трудности комбинирования паруса и пара определялись не столькосамими 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 необходимаязащитная броня. Комбинирование большого сектора обстрела, необходимой остойчивостии полного парусного вооружения создавало чрезвычайно трудные задачи.
Понимавшее все это адмиралтейство в 60-е годы прошлого века намеренобыло вести в этом направлении весьма осторожную политику. Если бы ему позволилиее осуществить, технические трудности были бы преодолены и, возможно, некоторыестраницы истории оказались бы совершенно иными. Эти планы были нарушенынеким военным моряком Купером Коулсом, принадлежавшим к тому типу неглупыхлюдей, звездные часы которых наступают в пылу полемики и саморекламы. Онизобрел орудийную башню нового типа и поставил перед собой цель убедитьадмиралтейство "пристроить" к ней линкор с полным парусным снаряжениеми, следовательно, неограниченной дальностью плавания. Коулсу удалось вовлечьв это дело не только адмиралтейство, но и обе палаты парламента, королевскуюсемью, редактора "Таймс" и практически всех англичан. Устав в конце концовот постоянных обвинений в косности со стороны половины газет и больше чемполовины политиков страны, адмиралтейство уступило. Оно сделало то, чегоникогда не делало раньше и наверняка никогда не сделает вновь: разрешилостроевому морскому офицеру, не имеющему навыка в кораблестроении, спроектироватьего собственный линкор и построить его за счет налогоплательщиков.
Корабль строился на верфях Лэйрда в Биркенхеде под руководством Коулсабез обычных в таких случаях проверок проекта. Более того, строительствовелось в атмосфере поношений и полемики. Сам Коулс большую часть временибыл болен и не покидал своего дома на острове Уайт. В результате вес корабляоказался 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 высокорасположенный центр тяжести. Последующие расчеты показали, что он долженбыл бы перевернуться при крене около 21°. Тем не менее корабль с большойпомпой был принят флотом в 1869 г. Он совершил два океанских плавания,к большому удовлетворению "Таймс" и первого лорда адмиралтейства, сын которогослужил 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" внезапноперевернулся и затонул. Погибло 472 человека - больше, чем англичане потерялив битве при Трафальгаре. Сам Купер Коулс и сын первого лорда адмиралтействаутонули. Спаслись лишь 17 матросов и один офицер.
Гибель "Кэптена" значительно повлияла на ускорение перехода от парусак пару, точнее на изгнание парусного снаряжения с больших линкоров. Какимибы ни были технические последствия этого перехода, политические следствияоказались весьма резвыми. Напомним, что Сузцкий канал, открытый чуть ранееспуска на воду "Кэптена", первоначально принадлежал Франции. В 1874 г.Дизраэли купил акции Суэцкого канала для английского правительства, и строительствораскинутой по всему миру сети баз снабжения сделалось политической необходимостью.Вся история создания и гибели "Кэптена" довольно запутана, но непосредственнаятехническая причина катастрофы несомненно заключалась в стремлении, несмотряна излишний вес, сделать мачты и корпус корабля одинаково прочными. Этобыла одна из многих катастроф, когда ничто не разрушилось, но корень злабыл именно в недостатках конструкции.
Аэроупругость, или тростник, колеблемый на ветру
Позади какого-либо препятствия, например дерева или каната, поток воздухаили воды образует завихрения. Такие завихрения можно увидеть, посмотревна тростник или камыш, растущий в медленно текущей реке. Завихрения чащевсего образуются попеременно то с одной, то с другой его стороны. Это приводитк возникновению периодических колебаний давления в потоке: давление попеременностановится большим то на одной, то на другой стороне препятствия. Возникающаяпоследовательность, или "дорожка" вихрей, называется "дорожкой Кармана"по имени впервые описавшего ее ученого-механика. Довольно часто можно видетьвихри на гладкой поверхности воды; воздушные вихри обычно невидимы, ноих можно заметить по движению дыма, опадающих листьев или с помощью другихиндикаторов. В действительности такая же дорожка вихрей возникает и в потокевоздуха за флагом, деревом или проводом.
В результате такого попеременного образования вихрей то по одну, топо другую сторону препятствия полощутся на ветру флаги, качаются деревья,гудят и поют телеграфные провода. Именно поэтому свободное полотнище парусахлопает на ветру и вполне может разорваться или ушибить. Я однажды самвидел, как человека сбила с ног вырвавшаяся рея шкота; в ней была запасенадовольно большая энергия. Когда в свежий ветер большой корабль поворачиваетна другой галс, издаваемый парусами хлопок бывает громче пушечного выстрела.
Если частота аэродинамического воздействия, вызванного вихрями, совпадетс одной из собственных частот колебаний обтекаемого тела, то амплитудаколебаний в этом теле может возрастать до тех пор, пока что-нибудь в немне сломается. Именно благодаря этому механизму, а не постоянному давлениюветра ломаются в бурю деревья. То же самое довольно часто происходит ссамолетами и подвесными мостами. Этого можно избежать, если сделать конструкциюдостаточно жесткой, особенно на кручение. Как мы уже отмечали, именно требованиядостаточной крутильной жесткости в основном определяют проектирование ивес конструкции современного самолета.
Хотя подвесной мост Телфорда через Менай уже вскоре после своей постройкидовольно сильно пострадал от вызванных ветром колебаний, потребовалосьоколо ста лет, чтобы строители мостов осознали реальную опасность этогоявления. Классическая катастрофа такого рода произошла в 1940 г. с мостомТэкома Нэрроуз в США. Этот мост с пролетом в 840 м не имел достаточнойжесткости на кручение. Уже при среднем ветре размах колебаний достигалтакой величины, что местные жители прозвали его "скачущей Гертой". Довольноскоро после постройки при ветре всего около 70 км/час амплитуда его раскачкии крутильных колебаний достигла критической величины и он обвалился. Случилосьтак, что рядом оказался кто-то с заряженной кинокамерой в руках. Камераработала, и стоимость пленки оказалась прекрасно вложенным капиталом, посколькус тех пор ее показывают по всему миру практически во всех инженерных институтах(рис. 157).
Рис. 157. Кадры, запечатлевшие разрушение подвесного места ТэкомаНэрроуз[129].
Этот опыт учли, и современные подвесные мосты имеют достаточную жесткость,особенно на кручение. Как и в случае самолетов, вес элементов, обеспечивающихнужную жесткость моста, составляет довольно значительную долю его общеговеса. Так, пролет автомобильного моста через Северн (рис. 86) выполнениз огромных стальных труб шестигранного сечения, изготовленных из листовмалоуглеродистой стали. При сооружении моста они секциями сплавлялись поводе, поднимались на место и затем сваривались в сплошную конструкцию.
Проектирование как прикладная теология
Причины любой катастрофы лежат на двух уровнях. Первый связан с непосредственнымимеханическими или технологическими факторами, второй - с факторами субъективногохарактера. Не подлежит сомнению утверждение, что проектирование - не оченьточный предмет, иногда случаются неожиданности, допускаются ошибки и т.д.,однако в большинстве случаев "истинные" причины катастроф кроются в оплошностях,сделанных теми или иными людьми, и этих оплошностей вполне можно было быизбежать.
Сегодня довольно распространено мнение, что оплошность относится к разрядутех слабостей, за которые человека нельзя по-настоящему осуждать, ведьон "сделал все, что мог", он жертва своего воспитания, среды или социальнойсистемы и т.д. и т.п. Но оплошность незаметно переходит в то, что называетсяочень непопулярным сейчас словом "грех". В течение своей долгой профессиональнойжизни, потраченной (или растраченной) на изучение прочности материалови конструкций, мне пришлось разбираться в немалом количестве катастроф,нередко сопровождавшихся гибелью людей. Мой опыт привел меня к убеждению,что лишь немногие из катастроф случаются сами по себе на морально нейтральнойпочве. Девять из десяти происходят не по технически сложным причинам, ав результате стародавних человеческих прегрешений, часто опускающихся доочевидной безнравственности.
Конечно, я не имею в виду такие грязные грехи, как умышленное убийство,особо крупное мошенничество или сексуальные преступления. Причинами гибелилюдей в авариях являются более жалкие грехи: "не знал", "не побеспокоился","не спросил", "вы ничего мне не сказали", "не подумал", гордыня, завистьи жадность, легкомыслие и бездеятельность. Хотя многие технические фирмыимеют прекрасный штат конструкторов, персонал слишком многих фирм в Англиивсе еще технически некомпетентен, и часто в преступной мере. Многие сотрудникитаких фирм не получили должного образования и из-за присущей им спеси всочетании с невежеством обижаются на любое предложение послушаться хорошегосовета или нанять квалифицированный персонал.
Мой опыт свидетельствует о том, что далеко не все аварии попадают настраницы газет и что обычно они вызваны отсутствием должной добросовестностив работе и профессиональной компетентности. Сильно сомневаюсь, что лекарствоот этой болезни можно сыскать на пути большей регламентации всех операций.Что действительно необходимо, так это воспитание такого общественного мнения,чтобы на виновных в подобных "ошибках" смотрели как на людей аморальных.Человек не там, где нужно, просверлил отверстие в деревянном лонжеронекрыла, просто заткнул его и никому ничего не сказал. Он был оправдан. Возможно,присяжные сочли его вину с моральной точки зрения незначительной.
Хотелось бы также большей гласности. Ведь если действительные причиныаварии сделать известными широкой публике, то кое-кому придется не толькопокраснеть, но и понести урон - деловая и профессиональная репутация этихлюдей сильно пострадает. Большинство профессиональных инженеров это оченьостро осознает, и они либо вынужденно ведут себя тихо, либо рискуют понестисерьезные убытки. По-моему, эту трудность следовало бы попытаться как-тообойти. Хотя большинство аварий обычно происходит далеко не на центральныхулицах, а на задворках, о которых многие даже не слышали, случаются и весьмагромкие драматичные катастрофы, которые подолгу не сходят с первой полосыгазет. Такими были катастрофа с мостом через Тай в 1879 г., гибель "Кэптена"в 1870 г. и крушение дирижабля R101. Подобные катастрофы часто несут насебе отпечаток человеческих и политических страстей, имеющих в своей основеглавным образом амбицию и спесь. Такова была гибель "Кэптена". Два человека,которые несли наибольшую моральную ответственность за катастрофу, дорогозаплатили за свои ошибки, один - собственной жизнью, другой - жизнью своегосына. К несчастью, погибли и многие другие.
Крушение дирижабля R101, сгоревшего в Бюво в 1930 г. после удара о землю,имело в своей основе те же причины. Подробно эти события описаны НевиломШьютом в его книге "Логарифмическая линейка". Технической причиной авариибыл разрыв оболочки, которая протерлась в результате неправильного обращения.Однако истинными причинами катастрофы были гордость, зависть и политическиеамбиции. Министр авиации лейбористского правительства Томсон, на которомлежала основная ответственность, сгорел при аварии вместе со своим лакееми экипажем в количестве 50 человек. События, предшестовавшие катастрофе,развивались как раз таким образом, как, согласно моему собственному опыту,это обычно и происходит в подобных ситуациях. Сразу бросается в глаза атмосферанеизбежности всего происходящего. Из-за гордости и зависти, амбиции и политическогосоперничества внимание концентрируется только на каждодневных мелочах.Здесь уже не до широты суждений и здравого смысла - основы инженерногопроектирования. Все становится неуправляемым и на глазах катится к катастрофе.
Людей, работающих в мире техники, не минуют извечные человеческие слабости.Многие катастрофы несут на себе отпечаток драматичности и неизбежности,присущие греческим трагедиям. Быть может, некоторые наши учебники должныбыть написаны пером, похожим на перо Эсхила и Софокла, которые не былигуманистами.