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... Оливер Вандел Холмc.
"Старый фаэтон" |
Весь окружающий мир можно рассматривать как огромную энергетическую систему: величественный рынок, где одна форма энергии по определенным ценам и правилам неминуемо переходит в другую. Энергетически предпочтительное обязательно произойдет. В этом смысле каждая конструкция существует лишь для того, чтобы отдалить что-то неизбежное, энергетически выгодное. Так, поднятый груз 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 счете все сооружения будут разбиты или разрушатся сами, так же как и всем нам в конце концов суждено умереть. Отложить это на некий приличный срок - задача медиков и инженеров.
Весь вопрос заключается в том, каков же этот "приличный срок". Каждая конструкция 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 сто лет, - 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" отвалится из-за "усталости металла" после 1440 полетных часов плюс минус один день. И это тоже вздор, о чем наверняка знал Нэвил Шьют, опытный авиационный инженер.
Практически невозможно с такой точностью планировать время надежной работы изделия. Возможен лишь статистический, основанный на опытных данных, подход к этой проблеме. Причем по самой природе вещей мы можем дать только более или менее разумные вероятностные оценки надежности. Ослабив конструкцию сверх меры, ее можно сделать легкой и дешевой, но тогда недопустимо возрастает вероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, "вечная" с человеческой точки зрения - а именно этого всегда жаждет публика - конструкция может оказаться слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительный вес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает. Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкцию для реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пусть малой, 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 заставить нас отказаться от строго логического подхода к проблеме. Как говорит Пагсли, человеку присуща боязнь разрушения - вот почему обыватель цепко и упрямо держится за мысль, что любая конструкция, с которой он лично связан, вообще не должна разрушаться. Последствия такой точки зрения могут быть самыми различными; иногда это не приносит вреда, но иногда приводит к печальным результатам.
Во время войны английские авиаконструкторы были поставлены перед необходимостью разумного компромисса между прочностью и другими качествами самолета. Потери бомбардировщиков от действий немецкой противовоздушной обороны были очень большими, примерно один из 20 самолетов не возвращался из каждого боевого вылета *. Напротив, потери самолетов вследствие разрушения конструкции были незначительными - много меньше одного самолета из 10 тыс. Вес силовой конструкции самолета составляет примерно треть его общего веса, и было бы, видимо, разумным еще уменьшить его в обмен на другое оборудование, дающее самолету дополнительные преимущества. В этом случае число катастроф несколько увеличилось бы, но сэкономленный таким образом вес позволил бы увеличить число и калибр пушек или толщину брони, что привело бы к существенному общему снижению потерь. Но авиаторы не хотели даже слышать об этом. Они предпочитали больший риск быть сбитыми гораздо меньшему риску аварии по техническим причинам.
* Каждый "тур долга" для летчика бомбардировочной авиации состоял из 30 боевых вылетов. Их служба поэтому была исключительно опасной. Потери в бомбардировочной авиации были сравнимы с потерями среди экипажей немецких подводных лодок, которые были весьма высокими.
Чувство возмущения поломкой конструкции, по мнению Пагсли, унаследовано нами от далеких предков, испытывавших постоянный страх, кроме всего прочего, и оттого, что сук или ветка дерева, на котором они жили, сломаются, и их дети, да и они сами, окажутся в пасти какого-нибудь саблезубого тигра или пещерного медведя. Как бы то ни было, инженеры не могут не считаться с этим чувством, хотя возникающий вследствие этого дополнительный вес может зачастую привести и к увеличению опасности.
О точности расчетов на прочность
Любой рациональный подход к вопросам прочности и надежности требует от инженера умения предсказать с достаточной точностью прочность предлагаемой им новой конструкции, даже если он толком не знает, на сколько времени этой прочности хватит. Как мы видели в гл. 3, прочность таких простых конструкций, как канаты, цепи, прямые колонны или балки, можно рассчитать достаточно надежно. 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 существует обширная и математически изощренная литература на эту тему, что читаются бесконечные лекции по теории конструкций, мы можем не поверить последнему утверждению. Но это действительно так.
Рассмотрим, например, статистику прочности самолетов. Так как экономия веса здесь очень важна, а последствия разрушения всегда ужасны, проектирование самолетов, естественно, ведется со всей тщательностью. Дотошно проверяется каждая деталь. Чертежи и расчеты делают высококвалифицированные специалисты, используя при этом самые передовые научные методы.
После окончания работы все расчеты совершенно независимо проверяются другой группой специалистов. Таким образом, окончательные результаты настолько безошибочны и точны, насколько это вообще в человеческих силах. Наконец, для полной надежности полномасштабная модель самолета испытывается на стендах до разрушения.
За последние годы было разработано лишь несколько новых моделей самолетов, так что современные данные статистически недостоверны. Однако, когда самолеты были проще и дешевле, сравнительно большое число моделей разрабатывалось по крайней мере до стадии опытного образца. В Англии между 1935 и 1955 гг. было построено и испытано на прочность около ста типов самолетов. Поэтому результаты, полученные в этот период, позволяют делать статистически достоверные выводы.
Естественно, что величина требуемой прочности зависит от размеров и назначения самолета. Однако можно сказать, что каждое конструкторское бюро стремится к такой прочности, при которой самолет разрушится только при нагрузке, составляющей 120% от предельной эксплуатационной нагрузки *.
* Лишние 20% требуются, как утверждают авиационные авторитеты, из-за колебаний качества материалов и технологии сборки.
Если бы проектирование конструкций хоть сколько-нибудь походило на точную
науку, можно было бы ожидать, что результаты различных испытаний, нанесенные
на график, или гистограмму, тесно соберутся вокруг величины, равной 120%
от расчетной нагрузки, с очень небольшим разбросом. Другими словами, результаты
должны изображаться узким "нормальным распределением", примерно таким,
как показано на рис. 153. Однако известно, что в жизни ничего подобного
не происходит. Реальная гистограмма скорее похожа на рис. 154.
 |
 |
| Рис. 153. Ожидаемое статистическое распределение величины разрушающей нагрузки самолета (схематическая диаграмма). | Рис. 154. Действительное распределение прочности самолетов, испытанных на разрушение в течение 1935-1955 гг. (весьма приближенно). |
Экспериментальная прочность оказывается почти равномерно распределенной между 50 и 150% от требуемой расчетной нагрузки. Поэтому можно утверждать, что даже наиболее выдающиеся конструкторы могут ошибиться в предсказании прочности самолета в 2-3 раза. Некоторые из испытанных самолетов имели меньше половины нужной прочности; некоторые были слишком прочны и поэтому оказались значительно тяжелее, чем могли бы быть.
Что касается кораблей, то, оказывается, для них вообще не существует данных, на которые можно было бы опереться, так как корабли почти никогда не подвергались испытаниям на разрушение в лабораторных условиях. Поэтому невозможно сказать, хорошо или плохо делают свою работу конструкторы кораблей, по крайней мере в отношении расчетов на прочность. Однако, как мы видели в гл. 4, число аварий, вызванных конструктивными недостатками судов, весьма значительно, и в настоящее время количество катастроф на тонно-милю, по-видимому, растет.
Что касается мостов, то расчеты на прочность здесь проще, чем в предыдущих случаях, в основном благодаря более определенным нагрузкам. И все же количество аварий современных мостов также довольно велико.
Проектирование с помощью эксперимента
Погрешности теоретического проектирования делают, конечно, необходимыми экспериментальные исследования прочности всех разрабатываемых самолетов. Однако выгоды эмпирического подхода оказываются даже шире. Мы полагали, что целью конструктора является такая ситуация, при которой конструкция разрушается, как только нагрузка достигнет расчетной величины. Но маловероятно, что даже тщательным образом рассчитанная конструкция окажется равнопрочное.
На испытательном стенде конструкция разрушается в одном, самом слабом месте, 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 обладает излишней прочностью, в которой просто нет необходимости. Но при этом мы ничего не можем сказать о том, где и насколько можно облегчить конструкцию. Хотя повторные испытания больших сооружений требуют непомерных затрат времени и денег, но там, где это возможно, все-таки лучше сделать так, чтобы первое разрушение произошло при меньших нагрузках, чем требуемые. Такое испытание обнаруживает слабое место, которое следует усилить, затем испытание повторяют и т. д.
Один из самых удачных самолетов в истории авиации - бомбардировщик времен второй мировой войны "Москито" - первоначально разрушался в заднем лонжероне крыла при 86% расчетной нагрузки. Постепенным упрочнением конструкции самолета была достигнута величина 118%. Своими выдающимися боевыми качествами этот самолет был в значительной степени обязан чрезвычайно легкой и прочной силовой конструкции.
Грубо говоря, это - дарвиновский метод; так природа совершенствовала свои собственные конструкции, правда, она имела на то больше времени и меньше задумывалась о ценности жизни, чем нынешние инженеры. Аналогичный метод с замечательным размахом используют автомобильные фирмы, а также фирмы, выпускающие дешевые изделия массового производства. Они порой умышленно выбрасывают на прилавки менее прочную продукцию, чтобы на основании жалоб покупателей постепенно выявить дефекты своих изделий.
Таким образом, значительная доля проектирования элементов с заданной прочностью сводится к своеобразной игре, в которой последовательно латаются слабые места нагружаемой системы. Чем сложнее конструкция, тем это становится труднее и ненадежнее. Но, к счастью, проектирование большинства изделий, от мебели до самолетов, не становится совершенно невозможным благодаря тому, что требования нужной жесткости часто оказываются значительно важнее требований прочности. И конструкция, имеющая достаточную жесткость, зачастую автоматически оказывается и достаточно прочной. Так как перемещения конструкции зависят скорее от ее общего вида, чем от существования "слабейших" мест, то расчеты на жесткость делать проще и они гораздо надежнее расчетов на прочность. Именно это мы имеем в виду, говоря о проектировании "на глаз".
Сколько она будет служить?
В основу рассмотрения прочности и устойчивости каменных соборов профессор Жак Хейман положил любопытный принцип: "если строение простоит пять минут, то оно простоит пять веков". Для каменных сооружений, построенных на скальном грунте, это, наверное, так и есть. Однако множество зданий строится на мягком грунте, и если почва ползет (см. гл. 6), а это происходит довольно 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 активными факторами разрушения. Отчасти именно страх перед гниением заставил английских архитекторов 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, и было бы неплохо посмотреть, как же они с ним справляются. Использование древесины в этих странах растет.
Разные породы деревьев подвержены гниению в весьма различной степени, и регистр "Ллойда" * устанавливает определенный срок службы для каждого сорта древесины, используемой в кораблестроении. Однако при современном уровне знаний и технологии можно добиться практически неограниченного срока службы любой древесины.
* "Ллойд" - ассоциация английских страховых компании. - Прим. ред.
Большинство металлов ржавеет, причем современная мягкая сталь ржавеет гораздо быстрее, чем викторианское кованое железо или чугун, поэтому борьба с коррозией является в некотором смысле проблемой последнего времени. Ручной труд сейчас очень дорог, поэтому велика стоимость окраски и содержания стальных конструкций. Одна из важных причин широкого распространения железобетона заключается в том, что армирующая бетон сталь не ржавеет.
Такие большие корабли, как современные танкеры, рассчитаны на эксплуатацию в 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 значительно труднее обрабатывается. Кроме того, нержавеющую сталь отличают невысокие усталостные свойства.
Именно это послужило одной из причин широкого использования алюминиевых сплавов. Но во многих случаях жесткость алюминия оказывается все же недостаточной, не говоря уже о его высокой стоимости. Существенным недостатком являются также и трудности со сваркой. Некоторые социалистические страны видят за алюминием большое будущее и вкладывают значительные средства в развитие его производства. В 1961 г. лондонская биржа была взволнована контрактами между "Тьюб инвестментс" и "Бритиш алюминиум". Однако рынок алюминия не расширился в той мере, которой ожидали заинтересованные в этих сделках бизнесмены. Кроме того, производство алюминия требует значительно больших энергетических затрат, чем производство стали.
Даже если свойства материала, используемого в конструкции, со временем не ухудшаются, ее надежность все же зависит от различного рода случайностей, которые не всегда можно предвидеть. Многие конструкции разрушаются только при 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 необычное стечение нескольких обстоятельств. Для моста это может быть совпадение сильного ветра с чрезмерно интенсивным потоком транспорта. Хотя вероятность подобных ситуаций необходимо предвидеть, зачастую проходят годы, прежде чем они реализуются, и действительно, ненадежное сооружение может простоять долгие годы лишь потому, что оно так и не испытало настоящих нагрузок.
Конечно, инженеры, с ответственностью относящиеся к делу, в своих расчетах пытаются предвидеть необычайные ситуации, но очень часто пиковые нагрузки являются результатом того, что страховые компании называют "волей божьей" *.
* А.П. Херберт определил "волю божью" как "то, чего не может ожидать ни один разумный человек".
Если корабль врежется в большой мост и при этом пострадает и мост, и корабль, как это произошло не так давно в Тасмании, то трудно сказать, что же именно нужно было учесть проектировщикам и моста, и корабля. Эта проблема относится не к конструкторам, а к местному отделению ассоциации судоводителей. Нельзя также сделать самолет, на котором не отразилось бы столкновение с горой. Мы хотим (до определенной степени, конечно) иметь такой автомобиль, чтобы, налетев на кирпичную стену, не нанести ущерба здоровью пассажиров, но не следует думать, что сам автомобиль после этого окажется годным к дальнейшему использованию.
Усталость металла, мистер Хани и пр.
Одной из наиболее коварных причин, при которой конструкция теряет свою прочность, является так называемая "усталость" - постепенно накапливающийся эффект действия циклических нагрузок. Возможные драматические последсгвия усталости металла впервые обыграл Киплинг в 1895 г. в репортаже о событиях в Бискайском заливе, когда из-за появления усталостной трещины на конце гребного вала отвалился винт "Гроткау". Киплинг вышел из моды, но интерес широкой публики к усталости металлов был возрожден в 1948 г. романом Невила Шьюта "Путь закрыт". Отчасти своим успехом эта книга, как и поставленный по ней фильм, несомненно, обязаны характеру героя - мистера Хани, этого типичнейшего ученого, а отчасти трем катастрофам самолетов "Комета", которые произошли вскоре одна за другой. Как заметил когда-то Вистлер, "Природа крадется за искусством". Обстоятельства аварий с "Кометами" отличались от описанных в романе только значительно большим числом жертв, эти катастрофы нанесли серьезный урон английской авиационной промышленности.
В действительности, первые инженерные знания об усталостных эффектах носят столетнюю давность. Уже вскоре после промышленной революции было замечено, 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, которые неожиданно 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 Вёлер выглядит именно так, как должен был, на наш взгляд, выглядеть типичный немецкий железнодорожный служащий того времени, но это не помешало ему проделать весьма полезную работу.
Как уже отмечалось в гл. 4, даже большие локальные напряжения не приведут к росту трещины, если ее длина не превышает "критической длины Гриффитса", поскольку рост трещины в этих условиях потребовал бы затрат энергии, превышающих работу разрушения материала. Однако в случае циклических нагрузок внутри кристаллической структуры металла происходит постоянная перестройка, в чем-то похожая на перестройку, возникающую в местах концентрации напряжений. Это приводит к уменьшению работы разрушения металла, и трещина, хотя и очень медленно, растет, даже если ее длина значительно меньше "критической".
Таким образом, крошечные, не видимые глазом трещинки могут появиться в любом отверстии, выемке или нерегулярности в напряженном металле и начать распространяться дальше, никак не изменяя внешнего вида детали. Рано или поздно такая "усталостная трещина" достигает критической длины. При этом скорость ее распространения возрастает и трещина быстро проходит через весь материал, часто с очень серьезными последствиями. Уже после разрушения усталостную трещину сравнительно легко распознать по характерному полосчатому виду поверхности усталостного разрушения. Однако до разрушения начало усталостного процесса проследить практически невозможно.
Естественно, металловеды проводят многочисленные испытания материалов на усталость, для чего разработано очень много различных типов испытательных машин. Общепринято рассматривать усталостные свойства материала при знакопеременных напряжениях (±s), которые обычно возникают, например, во вращающихся осях любого транспортного средства. (Существуют способы преобразования этих результатов применительно к другим условиям циклического нагружения.) Величину знакопеременного напряжения ±s обычно откладывают на графике в зависимости от логарифма числа n циклов нагружения, при котором произошло разрушение образца. Этот график называют 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 разрушающее напряжение сначала падает, но после примерно миллиона циклов выходит на постоянный уровень, называемый "пределом усталости". Миллион циклов нагружения для осей автомобиля или вагона эквивалентен пробегу примерно 3000 км, а для двигателя машины, коленчатый вал которого, конечно, вращается быстрее ее колес, - примерно 10 ч работы.
Существование определенного предела усталости для материалов типа железа и стали весьма удобно для инженера. Если машина сделала 106 или 107 оборотов, для чего может понадобиться лишь несколько часов, то появляется надежда, что она будет работать почти бесконечно. Но усталость материала - это опасность, которая всегда нуждается в специальном рассмотрении.
Алюминиевые сплавы не имеют определенного предела усталости, их усталостная прочность непрерывно падает с ростом п, как показано на рис. 156. Вследствие этого они более опасны в применении, что в какой-то мере оправдывает стародавнее предубеждение 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, предпринятое Арнольдом Холлом совместно с большой группой экспертов, представляет собой классический образец не только инженерного исследования, но и глубоководных спасательных работ. Разрозненные части одного из самолетов, упавшего в Средиземное море, приходилось собирать на дне и поднимать с глубины около сотни метров. Спасателям удалось собрать практически все, и бесчисленные обломки самолета покрыли пол большого ангара в Фарнборо. При этом, насколько я 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 перепадом атмосферного давления при изменении высоты. Сегодня мы уже забыли, что прежде, пролетая над горами, приходилось обедать в кислородной маске. В самолетах с наддувом фюзеляж представляет собой цилиндрический сосуд с тонкими стенками, перепад внутреннего и наружного давления для этого сосуда растет с каждым набором высоты и падает с каждым снижением самолета.
Роковая ошибка конструкторов "Кометы" состояла в том, что в этих условиях они не обратили достаточного внимания на опасность "усталости" металла в местах концентрации напряжений. Фюзеляж "Кометы" был изготовлен из алюминиевых сплавов, а предыдущий опыт фирмы "Хэвиленд" относился к производству в основном деревянных самолетов, в том числе и триумфального "Москито". Я не хочу предположить даже на минуту, что конструкторы фирмы "Хэвиленд" ничего не знали об усталости, но, возможно, именно опасность усталости алюминиевых сплавов не проникла достаточно глубоко в сознание коллектива. Дерево гораздо менее чувствительно к усталости, и в этом заключается одно из больших его преимуществ.
В каждой из этих аварий трещины, образуясь скорее всего около небольших отверстий в фюзеляже, медленно и незаметно развивались, пока их длина не достигала "критической длины Гриффитса". После этого обшивка мгновенно разрушалась и весь самолет взрывался, словно надутый воздушный шар. Многократно надувая воздухом фюзеляж "Кометы" в наполненном водой бассейне в Фарнборо, Арнольду Холлу удалось воспроизвести этот эффект так, что его можно было наблюдать, как при замеделенной съемке.
Одна из основных причин описанных аварий крылась в том, что усталостных трещин никто никогда не замечал. Скорее всего, на них трудно было обратить внимание из-за очень малой длины: они были невидимы при обычном осмотре. В настоящее время самолеты проектируются в расчете на сохранность фюзеляжа при трещине длиной в десятки сантиметров, а такую трещину нельзя не заметить даже при самом поверхностном осмотре. Тем не менее известна анекдотичная история о двух уборщицах лондонского аэропорта. Поздно ночью, закончив уборку пустого салона самолета и закрыв дверь, они остановились на ступеньках трапа, 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 грузы доставлялись по воде. Кроме океанской и континентальной торговли, а также внутренней торговли, осуществлявшейся по рекам и каналам, процветала интенсивная прибрежная торговля. Тысячи маленьких бригов и шхун, запечатленных на карикатурах У.У. Джекобса, перевозили всех и вся не только между прибрежными гаванями и портами, но и между самыми разными точками берега. Корабль приставал к берегу во время прилива, а с наступлением отлива разгружал свой груз (уголь, кирпич, известку или мебель) прямо в телеги, выстраивавшиеся вдоль его бортов. С приливом судно опять уходило в море, чтобы повторить все сначала где-нибудь в другом месте.
Естественно, это было довольно рискованным занятием, но в XVIII в. большинство этих маленьких посудин в самые суровые зимние месяцы позволяло себе отдохнуть, подремонтироваться, а команда тем временем навещала свои семьи и местные питейные заведения. Это довольно идиллическое и не связанное со слишком уж большими опасностями течение дел в XIX в. было нарушено возросшей конкуренцией. Под давлением условий коммерции суда были вынуждены плавать в течение всего года, не позволяя себе, как правило, дожидаться хорошей погоды. Регулярность плавания этих корабликов заставила бы краснеть служащих многих современных железных 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 современных грузовиков, но, во всяком случае, общественное мнение было взволновано и парламент образовал специальный комитет для расследования причин кораблекрушений. Заслушав огромное количество свидетелей, комитет установил, что, за незначительным исключением, 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 значительной степени стимулированы использовавшейся в период с 1798 по 1834 г. системой их классификации (то есть правилами, определяющими постройку и ремонт), установленной ассоциацией страховых компаний. Предполагалось, чтобы система установления правительственного налога на тоннаж судна заставляла бы придавать судам определенную форму корпуса. Бюрократический ум, надо думать, вовсе не изменился за последние сто лет.
Честно говоря, проблема регламентации строительства кораблей или любых других конструкций, обеспечивающая требуемую их прочность и безопасность, необычайно сложна. Без сомнения, с 30-х годов прошлого века здесь достигнут определенный прогресс. Но в то же время ничто так не мешает развитию техники, как строгая регламентация конструирования и постройки. Пагсли в уже упоминавшейся книге "Надежность конструкций" указывает, что в принципе невозможно установить систему регламентаций прочности, направленную против дураков и жуликов, которая одновременно не тормозила бы или по крайней мере не отодвигала применение усовершенствований и полезных нововведений. Правила контроля безопасности конструкций, вероятно, необходимы, однако некоторые из них не только смешны, но и могут стать действительной причиной катастроф.
Однако вернемся к деревянным кораблям. Не только клиперы, но и маленькие бриги, бригантины, шхуны и барки, которые были так же прекрасны, как и совершенны, 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 выдерживает местные нагрузки и удары.
Теперь, когда так популярны длительные океанские путешествия на маленьких яхтах, проблема сосредоточенных нагрузок стала очень важной, и виноваты в этом кашалоты. При весе 6 т и скорости до 30 узлов эти животные испытывают особую ненависть к маленьким суденышкам, атакуют их, таранят и пробивают корпус ниже ватерлинии. В последнее время это случается так часто, что уже не может рассматриваться как "воля божья" (точнее Посейдонова), и к этой опасности следует относиться серьезно и серьезно от нее защищаться.
По-видимому, нецелесообразно делать корпус маленькой яхты настолько толстым и прочным, чтобы он мог выдержать удар кашалота. Лучше, вероятно, предусмотреть некоторые надувные устройства, которые в случае получения пробоины удерживали бы яхту на плаву, а еще лучше, позволяли бы ей продолжать идти под парусом. До сих пор пострадавшие от встреч с кашалотами были вынуждены спасаться на шлюпках, в которых они проводили много неприятных дней и даже недель, 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 развитие сеть железных дорог, львиная доля пассажиров и срочных грузов перевозилась по воде. В первой половине XIX в. не только больше, чем сейчас, пароходов ходило из Англии в самые разные порты Европы, но и существовало весьма развитое пароходное сообщение между городами Великобритании. Самым дешевым и 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 были вызваны взрывом котлов. Хотя, конечно, это не шло ни в какое сравнение с американским рекордом, установленным речными пароходами несколькими годами позже, 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" погибло несколько человек. Даже если котлы были сделаны из железа и более или менее так, как надо, обращались с ними довольно небрежно, позволяя ржаветь до тех пор, пока они, наконец, не взрывались. Это послужило причиной гибели "Форфэршира" у берегов Исландии в 1838 г. Пять человек были спасены исключительно благодаря мореходному искусству и мужеству Грейс Дарлинг *.
* Она умерла от туберкулеза в возрасте 27 лет. То, что она совершила, было сделано с гораздо большей смекалкой и морскими навыками, чем об этом можно судить по популярным рассказам и картинам.
Снова парламент назначил специальный комитет, который в 1839 г. выпустил обширный, изобилующий фактами скрупулезно составленный документ, который выглядит сейчав почти неправдоподобно. В те годы бурного распространения паровых машин найти честного, знающего, ответственного и умного механика было почти невозможно даже за очень приличное жалованье. И невежды обращались с машинами и котлами столь безответственно, что в это просто невозможно поверить.
"Капитан парохода, шедшего ночью при спокойном море из Ирландии в 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, кроме того, что пар очень маленький и ему непрерывно приходится подбрасывать уголь. Капитан начал осматривать машину и, подойдя к трубе, на которой были расположены предохранительные клапаны, обнаружил там спящего в теплом местечке пассажира. Этот человек с помощью нехитрой поклажи умудрился сделать себе постель прямо на плоских грузах предохранительного клапана и давил на них весом всего своего тела. Когда его растолкали и подняли, клапан открылся и пар начал выходить с ревом, свидетельствовавшим об очень высоком давлении.Это выдержка из упомянутого выше доклада. Далее говорится, что "... было принято также ставить на рычаг клапана угольную корзину". Это послужило причиной взрыва на пароходе "Геркулес". Удивительно только, что за рассматриваемый период из-за взрывов котлов на английских пароходах погибло лишь 77 человек. На железных дорогах положение было примерно таким же и причины были в основном те же. Непрерывная цепь серьезных катастроф растянулась на 70 или 80 лет. Наверное, последняя из них произошла в 1909 г. Взорвался котел паровоза, хотя манометр показывал нулевое давление. Оказалось, что рабочий неправильно собрал предохранительный клапан, так что он не мог стравливать пар. Манометр показывал нуль потому, что его стрелка сделала полный оборот и уперлась в стопор с противоположной стороны. Три человека было убито и трое тяжело ранено.Здесь не было ртутного манометра, и кочегар привык поддерживать давление примерно на том уровне, когда пар начинал выходить из предохранительного клапана; не слыша этого звука, он продолжал шуровать в топке. Он был слишком невежественным, чтобы по увеличивающимся оборотам машины сообразить, что происходит что-то неладное.
Несколько свидетелей сообщили нам также, что часто видели кочегаров, машинистов и даже механиков сидящими или стоящими на грузах предохранительных клапанов, нередко они подвешивали дополнительные грузы или повисали сами на рычагах предохранительного клапана, чтобы "поднять пар" в момент старта".
В наши дни котлы взрываются значительно реже. Отчасти это связано с тем, что их производство и эксплуатация тщательно регламентируются законом и страховыми компаниями, но в еще большей степени из-за того, что сейчас почти не осталось паровых машин. Действующие паровые котлы находятся, как правило, на больших предприятиях, таких, как электростанции, и обслуживаются, по-видимому, достаточно компетентными людьми.
Но что называть котлом? Это довольно интересный юридический вопрос. В промышленности существует множество типов сосудов высокого давления, использующихся в различных технологических процессах. Многие из них выглядят совершенно непохожими на традиционные котлы, вследствие чего их опасность зачастую бывает не столь очевидна. Вообще говоря, контроль за их производством и эксплуатацией менее строг, чем в случае обычных котлов *. Однако, поскольку многие из этих сосудов нагреваются технологическим паром или горячим маслом под давлением, последствия аварии могут быть не менее драматичными, чем для обычных котлов. Следует иметь в виду, что предел усталости металла сварного шва в конструкциях из обычной стали, подвергающихся воздействию влажного пара, может быть не больше 20 МН/м2 (1,5 кгс/мм2).
* В СССР действуют единые правила проектирования и эксплуатации всех видов сосудов высокого давления, которые весьма строго регламентируют все вопросы соответствующего поведения инженеров и рабочих.- Прим. ред.
В одном случае, с которым мне пришлось разбираться, два больших вращающихся барабана для изготовления покрытой пластиком бумаги перевели с подогрева маслом низкого давления на технический пар высокого давления. Надо сказать, что инспектор страховой компании настаивал на том, что барабаны должны быть "усилены" с помощью треугольных косынок из мягкой стали, приваренных изнутри 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 крайней мере 48 мест, где должна была бы произойти авария. Но моя оценка оказалась слишком пессимистической - на самом деле разрыв произошел только в 47 местах. Слава богу, никто не был убит и никто серьезно не пострадал; все это явилось ударом для инспектора страховой компании, который был, надо полагать, прилежным и достаточно рассудительным маленьким человеком.
Другой случай оказался более трагическим. Фирма химического машиностроения закупила где-то на стороне сосуд-смеситель, который предполагалось использовать как часть строящегося для заказчика завода. Так как смеситель должен был нагреваться маслом под давлением, то нагревательная рубашка была подвергнута контрольным испытаниям холодной водой. Она выдержала давление в 5 ат без каких-либо видимых повреждений. Однако, когда установка была поставлена заказчику и рубашка заполнена очень горячим маслом под давлением всего в 1,5 ат, она взорвалась после нескольких часов работы, обрызгав человека маслом температурой 280°С, в результате чего тот умер через несколько дней.
Согласно докладу официального инспектора, авария могла произойти только вследствие халатности моего клиента - фирмы химического машиностроения. В результате фирма была вовлечена в очень сложный и дорогостоящий судебный процесс.
В действительности же официальный доклад об аварии был основан на неверных выводах, сделанных на основании осмотра осколков. Резервуар взорвался не потому, что мои клиенты использовали его неподобающим образом, причиной аварии явились ошибки в проекте и изготовлении. И хотя природа технических причин аварии была довольно сложной, как мои клиенты, так и непосредственные изготовители сосуда полагали, что конструирование такого сооружения - задача тривиальная. 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 давлением сварные швы нагревательной рубашки сильно пострадали, но никто этого не заметил. Швы были настолько близки к разрушению, что нескольких циклов нагружения при гораздо меньших давлениях оказалось достаточно для усталостного разрушения, приведшего к трагическим последствиям. Знающий и опытный инженер должен был бы предусмотреть такую возможность. По закону и, возможно, по справедливости основная тяжесть вины ложилась на изготовителей сосуда, но я не мог избавиться от мысли, что компетентная фирма, располагавшая опытными инженерами-химиками, могла бы предотвратить беду. Когда я оказался на этой фирме, директор пригласил меня обедать. В ходе беседы я между прочим спросил 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 довольно безрассудно, и тем не менее некоторые просто не могут противиться соблазну проделать это. Случай, о котором пойдет речь, произошел с самолетом "Мастер", построенным перед войной в качестве учебного самолета Королевских военно-воздушных сил. По характеру исполнения и стилю управления он был похож на "Харрикейн" и "Спитфайер". В трудные дни 1940 г. некоторые из этих самолетов были переоборудованы в истребители, для чего в крыле поставили шесть скорострельных пушек. Первоначальный учебный вариант машины имел тросовый привод механизмов управления, который хотя и прекрасно работал, но был слишком "мягким" для настоящего истребителя. Поэтому кто-то решил заменить в истребительном варианте "Мастера" тросы на металлические тяги. Чтобы пропустить тяги, управляющие рулями высоты и поворота, в шпангоуте хвостовой части были сделаны соответствующие вырезы.
Прошло совсем немного времени, и последовала серия из трех катастроф со смертельным исходом. Во всех трех случаях у самолета в полете отваливался хвост. При стендовых испытаниях фюзеляжа выяснилось, что его прочность упала до 45% расчетной нагрузки. Мораль, я думаю, ясна.
Гораздо более известная катастрофа такого же типа с огромным количеством жертв произошла с транспортом "Биркенхед". Этот металлический пароход был спущен на воду в 1846 г. как военный корабль. Он имел должную прочность и был снабжен в нужном количестве водонепроницаемыми переборками. Когда его переоборудовали в транспорт, военное ведомство настояло, чтобы в поперечных переборках * были сделаны большие отверстия, дабы в помещениях для солдат было больше места и света.
* За исключением, конечно, переборок машинного отделения.
В 1852 г. "Биркенхед" отправился в Индию через Кейптаун, имея на борту 648 человек, в том числе 20 женщин и детей. В результате навигационной ошибки судно налетело на одинокую скалу в 4 милях от побережья Южной Африки. Корабль получил огромную пробоину в носовой части, и поскольку переборки корпуса были практически вырезаны, все люди, находившиеся в носовой части корабля, были затоплены водой почти мгновенно. Многие солдаты не успели проснуться: было 2 часа ночи. Под напором заполнившей корабль воды передняя часть 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 посадили в немногие уцелевшие шлюпки и отправили на берег. Все женщины и дети были спасены. Уцелело лишь 173 человека, остальные утонули или были съедены акулами.
Быстрое затопление водой большинства отсеков корабля явилось очевидным следствием того, что во многих переборках были вырезаны отверстия, что и послужило, конечно, причиной гибели судна. Жертв было бы, наверное, значительно меньше, если бы корабль не разломился надвое, что произошло, по-видимому, в результате ослабления корпуса как целого.
История с "Биркенхедом" стала широко известна как пример дисциплины и героизма экипажа. Когда известие достигло Берлина, прусский король приказал зачитать его перед строем в каждой армейской части. Возможно, было бы лучше, если бы он заставил военное министерство не вмешиваться в вопросы конструкции кораблей - предмет, в котором армейские чины всегда мало что понимали.
Как отмечает К. Барнэби, известный кораблестроитель, представление о том, что в транспортах свежий воздух и свободное пространство важнее безопасности, было весьма живучим. Он говорит, что даже в 1882 г. судовладельцы жаловались, что, когда они, согласно требованиям адмиралтейства, устанавливали дополнительные переборки, военные власти отказывались принимать суда на том основании, что пространство между переборками слишком мало *.
* Barnaby К. С. Some Ship Disasters and their Causes. - Hutchinson, 1968.
Об излишнем весе
Почти каждая конструкция почему-то оказывается тяжелее, чем предполагал ее автор. Отчасти это происходит из-за слишком оптимистических оценок тех, кто занимается весом будущей конструкции, но отчасти благодаря заботе почти каждого участника о ее "безопасности". Каждый делает свою деталь чуть-чуть толще и чуть-чуть тяжелее, чем это в действительности необходимо. В глазах многих это своего рода добродетель, признак честности и порядочности. В словах "построено основательно" сквозит оттенок похвалы, в то время как слова "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 действия самолета. Кроме того, увеличение общего веса почему-то всегда приводит к смещению центра тяжести самолета назад. Другими словами, вес хвоста всегда растет быстрее, чем вес всех остальных частей .аппарата. Это может иметь серьезные последствия. Если центр тяжести слишком сильно переместится назад, то самолет будет иметь весьма опасные летные характеристики. Он легко срывается в штопор, из которого не может потом выйти. По этой причине удивительно много самолетов - в том числе и самых знаменитых - пролетало всю свою жизнь с 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 только увеличивается общий вес корпуса, но и смещается центр тяжести, причем всегда только вверх. Остойчивость корабля, то есть его способность плавать так, как надо, а не вверх килем или на боку, определяется так называемой "метацентрической высотой". Она представляет собой расстояние по вертикали между несколько мистической, но очень важной точкой, называемой метацентром *, и его центром тяжести. По весьма веским причинам метацентрическая высота даже большого корабля обычно довольно мала, она составляет 30-60 см или даже меньше, поэтому подъем центра тяжести всего на 10 см значительно меняет метацентрическую высоту, что может сильно сказаться на остойчивости и, следовательно, на безопасности судна. Многие корабли переворачивались из-за этого уже при спуске на воду, причем ни корабельные мастера, ни все остальные, кто несет ответственность за излишний вес корабля, почему-то не считали себя в этом виноватыми.
* Метацентром называется точка, где находился бы центр тяжести вытесненной кораблем воды. - Прим. перев.
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).
(Из-за низкого качества типографской печати этот рисунок воспроизвести не удалось. Вместо него предлагаем сходные иллюстрации. - V.V.)
Рис. 157. Кадры, запечатлевшие разрушение подвесного места Тэкома Нэрроуз.
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.
Проектирование как прикладная теология
Причины любой катастрофы лежат на двух уровнях. Первый связан с непосредственными механическими или технологическими факторами, второй - с факторами субъективного характера. Не подлежит сомнению утверждение, что проектирование - не очень точный 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 бы избежать.
Сегодня довольно распространено мнение, что оплошность относится к разряду тех слабостей, за которые человека нельзя по-настоящему осуждать, ведь он "сделал все, что мог", он жертва своего воспитания, среды или социальной системы и т.д. и т.п. Но оплошность незаметно переходит в то, что называется очень непопулярным сейчас словом "грех". В течение своей долгой профессиональной жизни, потраченной (или растраченной) на изучение прочности материалов и 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 нейтральной почве. Девять из десяти происходят не по технически сложным причинам, а в результате стародавних человеческих прегрешений, часто опускающихся до очевидной безнравственности.
Конечно, я не имею в виду такие грязные грехи, как умышленное убийство, особо крупное мошенничество или сексуальные преступления. Причинами гибели людей в авариях являются более жалкие грехи: "не знал", "не побеспокоился", "не спросил", "вы ничего мне не сказали", "не подумал", гордыня, зависть и жадность, легкомыслие и бездеятельность. Хотя многие технические фирмы имеют прекрасный штат конструкторов, персонал слишком многих фирм в Англии все еще технически некомпетентен, и часто в преступной мере. Многие сотрудники таких фирм не получили должного образования и из-за присущей им спеси в сочетании с невежеством обижаются на любое предложение послушаться хорошего совета или нанять квалифицированный персонал.
Мой опыт свидетельствует о том, что далеко не все аварии попадают на страницы газет и что обычно они вызваны отсутствием должной добросовестности в работе и профессиональной компетентности. Сильно сомневаюсь, что лекарство от 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 лонжероне крыла, 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 причины аварии сделать известными широкой публике, то кое-кому придется не только покраснеть, но и понести урон - деловая и профессиональная репутация этих людей сильно пострадает. Большинство профессиональных инженеров это очень остро осознает, и они либо вынужденно ведут себя тихо, либо рискуют понести серьезные убытки. По-моему, эту трудность следовало бы попытаться как-то обойти. Хотя большинство аварий обычно происходит далеко не на центральных улицах, а на задворках, о которых многие даже не слышали, случаются и весьма громкие драматичные катастрофы, которые подолгу не сходят с первой полосы газет. Такими были катастрофа с мостом через Тай в 1879 г., гибель "Кэптена" в 1870 г. и крушение дирижабля R101. Подобные катастрофы часто несут на себе отпечаток человеческих и политических страстей, имеющих в своей основе главным образом амбицию и спесь. Такова была гибель "Кэптена". Два человека, которые несли наибольшую моральную ответственность за катастрофу, дорого заплатили за свои ошибки, один - собственной жизнью, другой - жизнью своего сына. 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 Невилом Шьютом в его книге "Логарифмическая линейка". Технической причиной аварии был разрыв оболочки, которая протерлась в результате неправильного обращения. Однако истинными причинами катастрофы были гордость, зависть и политические амбиции. Министр авиации лейбористского правительства Томсон, на котором лежала основная ответственность, сгорел при аварии вместе со своим лакеем и 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 атмосфера неизбежности всего происходящего. Из-за гордости и зависти, амбиции и политического соперничества внимание концентрируется только на каждодневных мелочах. Здесь уже не до широты суждений и здравого смысла - основы инженерного проектирования. 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 должны
быть написаны пером, похожим на перо Эсхила и Софокла, которые не были
гуманистами.
