Приборканий вибух

До 115-річчя з Дня народження академіка

Михайла Олексійовича Лаврентьєва

В історії людського суспільства і в історії науки зокрема нам не так вже й часто зустрічаються особистості, які залишили б у ній незгладимий слід, змінивши сам її хід і вплинувши на безліч людських доль. До таких знакових постатей свого часу повною мірою належить видатний радянський математик і механік, академік Михайло Олексійович Лаврентьєв, який став у середині минулого століття ідейним натхненником і головним організатором академічної науки за Уралом.

Напередодні річниці з дня народження академіка Лаврентьєва і приуроченої до неї конференції журнал «Наука з перших рук» у черговому номері надає публікацію, присвячену низці досліджень і відкриттів у фізиці вибуху — різноманітній і багатоплановій тематиці, що довгі роки успішно розвивається в Інституті гідродинаміки ім. М. О. Лаврентьєва і залишається затребуваною в наші дні. Звичайно, обійняти неосяжне важко, тому стаття доктора фізико-математичних наук О. О. Васильєва, написана ним на основі спогадів самого Лаврентьєва, а також його колег і безпосередніх учасників робіт, присвячена лише деяким з величезного пулу завдань, висунутих свого часу академіком перед своїми учнями, а також найбільш цікавим результатам фундаментальних і прикладних робіт з тематики вибуху, отриманих за останні роки.

На цьому фото над головою М. А. Лаврентьєва видно не німб, а велике вихорове кільце на висоті більше двох кілометрів, утворене продуктами вибуху трьох тонн бензину, розпорошеного в повітрі над островом в Обському морі. Липень 1966 р.

У науковій літературі під вибухом розуміють явище швидкого перетворення вибухової речовини з вихідного стану в газоподібний, що супроводжується потужним динамічним і тепловим впливом на навколишні тіла. Завдяки ж сучасним ЗМІ слово «вибух» сьогодні в першу чергу асоціюється з важкими руйнуваннями, а термін «тротиловий еквівалент» знають навіть дошкільнята.

Так, неконтрольовані вибухи на виробництві і в побуті становлять небезпеку не тільки через руйнування матеріальних об’єктів, але і можливу загибель людей. Однак у багатомільйонній історії людства чималу загрозу всьому живому становили і лісові та степові пожежі, спричинені блискавками, проте людині завжди хотілося приборкати сили природи і звернути їх на благо. Той же приборканий вогонь виявився чудовим помічником, і досі велика частина теплової та електричної енергії виробляється при контрольованому спалюванні різних видів вуглеводневого палива. Настільки ж звичні стали нам і приборкані вибухи: життя сучасної людини неможливо уявити без мільйонів маленьких вибухів, що щомиті в двигунах внутрішнього згоряння різного призначення, в тому числі такого «вибухового» пристрою, як автомобіль.

Але людство зобов’язане вибуху не тільки своїм сучасним комфортом, але і самим фактом свого існування. У пошуках відповіді на вічне запитання — як виник Всесвіт? — вчені також не змогли обійтися без уявлення про вибух. Згідно з однією з теорій, яка так і називається — теорія Великого вибуху, наш Всесвіт виник приблизно 13,77 млрд років тому. Після «народження у вибуху» вона являла собою високооднородне і ізотропне середовище з надзвичайно високою щільністю (близько 10⁹³ г/см³), температурою (приблизно 10³² К) і тиском, і з тих пір безперервно розширюється і охолоджується. (Для порівняння: максимальна щільність речовини в земних умовах становить всього 23 г/см³ (біля іридію), а температура поверхні Сонця — 6 ^ ¹⁰3 К.)

Оголошення про лекцію академіка М. О. Лаврентьєва, збережене і люб’язно передане французькими друзями команді КВК НГУ, яка відвідала Францію в жовтні 1989 р. Музей НГУ

Які ж унікальні вимірювальні прилади повинні бути в розпорядженні дослідників вибухових процесів, щоб охопити весь цей фантастично широкий діапазон параметрів, від надплотних твердих речовин до високотемпáних газів! Дослідження фізики вибуху неможливо забезпечити силами фахівців одного вузького напрямку, тут потрібен комплексний підхід. Це розуміли М. О. Лаврентьєв і його соратники, коли створювали Сибірське відділення. На основі принципу багатоплановості і міждисциплінарності досліджень був створений і працює в наші дні і Інститут гідродинаміки, який сьогодні носить ім’я М. А. Лаврентьєва, істотний внесок у скарбничку досягнень якого робили і роблять дослідники вибухових процесів.

На зміну завданням, поставленим батьками-засновниками, приходять нові — життя триває. Спрямуючи погляд у майбутнє, хотілося б ще раз віддати належне старшому поколінню, яке створило понад півстоліття тому Сибірське відділення. Закладені ними принципи (наука — кадри — впровадження) ніколи не забувалися подальшими поколіннями сибірських дослідників і виявилися якомога затребуваними в даний час. Нинішньому і майбутнім поколінням корисно знати свою історію, особливо історію науки, і пишатися її досягненнями. Про коротку історію вибухової тематики і хотілося б нагадати в цій статті у зв’язку зі 115-ми роковинами Михайла Олексійовича Лаврентьєва, одного з яскравих представників цього напрямку.

Мирні вибухи

Стійкий інтерес до завдань, пов’язаних з вибухом, сформувався у Лаврентьєва ще в роки війни, під час роботи над новими видами озброєнь. У мирний же час він почав поглиблено вивчати вибухові процеси і можливості їх застосування в народному господарстві. Зі спогадів академіка РАН Б.Є. Патона:

Після повернення в 1945 р. до Києва М. А. Лаврентьєв продовжує керувати Інститутом математики АН УРСР, дослідженнями в галузі вибуху. У створеній ним експериментальній лабораторії досліджувалися якості вибухових речовин та їх застосування, зокрема, для визначення міцності зварних конструкцій великої товщини. Проводилися також досліди по штампуванню вибухом металевих виробів. А використовувалися для цієї мети відходи піроксилінових порохів <... > як результат, в 1940-50-х рр. в Україні за безпосередньої участі М. А. Лаврентьєва розгорнулися роботи із застосуванням вибуху в мирних цілях: для прокладання каналів, тунелів, доріг, у будівництві та сільському господарстві.

М. О. Лаврентьєв — віце-президент АН УРСР. 1948 р. Фотоархів СО РАН

Вибух продовжував цікавити Лаврентьєва і пізніше, коли він став працювати в Москві і викладати в МФТІ. Його учень, колишній співробітник ВНИІЕФ («Арзамас-16») і лауреат Ленінської премії М. В. Синіцин згадує:

… Після закінчення в 1951 р. IV курсу в якості переддипломної практики М.А. організував для нас відрядження до Києва. Там, в Інституті математики АН УРСР, існувала під його патронажем лабораторія вибухових процесів. Точна назва її вже забулася, а керував нею великий фахівець вибухової справи Н.М. Ситий. Лабораторія розташовувалася в приміському селищі Феофанія… У селищі, крім постійного населення, розташовувалися 2-3 лабораторії академічних інститутів і кілька дач академіків. І в цьому тихому райському куточку проводилися експерименти якраз на стежці, по якій місцеві жителі ходили до Києва… Заряд зазвичай підвішувався між деревами, ми розходилися в різні боки, і якщо з’являлися перехожі, то ми їх зупиняли в овражці, звідки заряд не було видно. А після вибуху всі прямували у своїх справах: жителі — в місто, ми — до своїх вимірювальних приладів.

Робочий тиждень у нас складався наступним чином: завдання нам видавав М.А. (наприклад, визначити поле тисків заряду заданої конфігурації), обговорювалися методи вимірювань і очікуваний результат. Часто М.А. потім виїжджав у своїх справах до Києва. А ми з «підніжного» матеріалу, що був у лабораторії і в околиці селища — якихось баків, обрізків труб, свинцевих мембран, які прокатувалися в лабораторній майстерні, — виготовляли вимірювачі тиску та імпульсу. Пресували необхідної форми і розміру заряди з вибухової речовини і проводили експерименти. Далі слідувала обробка результатів і підготовка доповіді для М.А., який приїжджав у призначений час.

Такий метод роботи показав нам, що, використовуючи кмітливість і винахідливість, можна отримувати придатні для практичної мети результати за допомогою навіть найбільш примітивних засобів.

Проводяться дослідження пробивання танкової броні. 1944 р. Фотоархів СО РАН

Заслін проти селю

Вибуховий напрямок в роботах М. О. Лаврентьєва отримав новий імпульс в 1957 р., коли було створено Сибірське відділення АН СРСР. Вже в перші місяці свого сибірського життя М. А. заклав базу для подальших, виключно успішних робіт з цієї тематики.

В першу чергу мова йде про так званий спрямований вибух. Як відомо, при вибухових роботах важливо, щоб грунт перемістився в потрібному напрямку. У Лаврентьєва з’явилася ідея, як треба розташувати вибухівку, щоб домогтися такого результату. Здійснити цю ідею на практиці було доручено двом учням Лаврентьєва, В. М. Кузнецову та Є. М. Шеру, а правильність отриманого рішення була підтверджена в експериментах, проведених у 1960 р. на березі Обського моря.

Зі спогадів співробітника Інституту теплофізики СО РАН Б.Г. Новікова:

Одного разу, ближче до осені, проходячи повз будиночок Лаврентьєва, я побачив Михайла Олексійовича, який копошився біля одного з багатьох пнів біля торцевої стіни його житла. Пні були високі і товсті. Мабуть, майданчик під будиночок готували взимку, і дерева пиляли вище рівня снігового покриву. Лаврентьєв встав, відійшов до стіни. Почувся тихий хлопок. Пінь піднявся і повільно завалився точно в бік від будиночка. Ситуація повторилася з ще кількома пнями. Я зрозумів, що хлопки — це не що інше, як невеликі вибухи… І ось в 1960 р. Михайло Олексійович на своєму дуже скромному ювілеї зробив блискучу наукову доповідь, де коротко, але з граничною ясністю виклав ряд ідей і результатів, як своїх, так і найближчих своїх учнів… Серед них була і ідея спрямованого вибуху, що забезпечує рух заданої маси середовища в заданому напрямку без зміни в процесі руху своєї форми. Тільки тоді я зрозумів, що восени 1958 р. біля свого будиночка Михайло Олексійович перевіряв і відпрацьовував ідею спрямованого вибуху.

Дещо пізніше під керівництвом Михайла Олексійовича спрямованим вибухом під Алма-Атою була створена грандіозна протиселева гребля. Ось як сам Лаврентьєв згадував про будівництво цієї грандіозної захисної споруди в Медео:

З моєї ініціативи в системі Академії наук СРСР в 1959 р. була створена Наукова рада з народногосподарського використання вибуху, де я став головою, а академік М. А. Садовський — моїм заступником. Після організації Ради ми отримали додаткові можливості допомагати реалізації наукових методів у техніці та народному господарстві. У нас встановився хороший зв’язок з Союзвзривпромом і його головним інженером М. М. Докучаєвим.

Саме в цей час велося проектування створення методом вибуху протиселевої греблі на річці Малій Алмаатинці, в районі Медео, в 15 км від Алма-Ати. Досить рідко, один раз на 20-30 років, при певних кліматичних умовах в горах при таянні снігів утворюються озера. У якийсь момент снігова гребля не витримує і руйнується, а величезна маса води (до мільйона кубометрів), що несе кам’яні брили, спрямовується вниз по долині річки. Потужність водо-кам’яного потоку така, що він може знищити половину Алма-Ати (за 100 років місто страждало від селів 3 рази). У 1962-63 рр. показання гідрометеослужби і сейсмічних станцій стали тривожними — очікувалися великі сіли. Вибух був єдиним методом швидко створити греблю на шляху селя і захистити місто.

М. М. Докучаєв запропонував створити греблю дворазовим вибухом, група молоді (М. А. Садовського і моя) провела розрахунки, проект був представлений в Радмін Казахстану. Радмін і ЦК партії республіки підтримували проект, але ряд академіків Казахської Академії наук і вчені різних спеціальностей виступили в друку з різкими запереченнями. Говорили і писали про те, що передбачуваний вибух 10 тис. т вибухівки сам по собі небезпечніше селю.

Експертиза була доручена Раді щодо вибуху. Збиралися кілька разів в Академмістечку і Москві, між засіданнями проводили підрахунки різних варіантів розташування вибухової речовини (ВВ) і можливих сейсмічних, фугасних, димових (те, чого найбільше боялися противники вибуху) наслідків…

На рішення підривати сильно вплинув сель, що стався в районі озера Іссик в 70 км від Алма-Ати… 7 липня 1963 р. на Іссик приїхав один з керівників республіки з гостями. Біля причалу їх очікував катер для поїздки на інший бік озера, щоб показати побудовані там будинки відпочинку. Катер був напоготові, але його водій кудись відлучився. Поки його чекали, з боку гір пролунали гул і гуркіт — це йшов сель. Стало ясно, що гостей потрібно негайно відвозити. Через кілька хвилин після їхнього від’їзду в озеро увійшов грязекаменний селевий потік. Озеро переповнилося, в природній кам’яній греблі, що підпирала його, утворилася промоїна, і новий селевий потік, разом з водою з озера, хлинув вниз по ущелиною. Районний центр Іссик, що знаходиться в кінці ущелини, сильно постраждав, але жертв там майже не було — жителі були попереджені про небезпеку, що насувається.

Незабаром нас знову викликав Д.А. Кунаєв і запросив додаткові дані про безпеку вибуху з тим, щоб прийняти остаточне рішення. Для перевірки в районі, близькому до майбутньої греблі, був проведений модельний вибух. У поспіху ми забули забезпечити собі укриття і під час вибуху потрапили під кам’яний дощ з камінців від 10 до 100 г — всі намагалися голову увібрати в плечі і захистити її руками…

Вибух був проведений восени 1966 р. Ми стояли на горі і бачили все — від вогню до роздробленої кам’яної маси, що відокремилася від схилу і завалила ущелину…

Послідовні стадії розвитку правобережного вибуху, зняті з боку нижнього б’єфу греблі (від катка Медео). Ліворуч: вид ущелини до вибуху і через вісім секунд після вибуху. Праворуч: хмара розпечених газів і пилу через 30 з після вибуху і вид ущелини через 2 хв після вибуху. Фотографії отримані експедицією Інституту фізики землі Академії наук СРСР

Через сім років після спорудження греблі… з алма-атинської ущелиною пройшов сель, за потужністю більший, ніж всі колишні (він ніс валуни вагою до 120 т). Всі селеві пастки, побудовані вище греблі, були зметені. Селесховище, утворене плотіною і розраховане на 100 років, заповнилося майже на три чверті. Водовідвідні труби були забиті, рівень озера неухильно піднімався, почалося просочування води через греблю.

З Москви була терміново викликана комісія: від науки були М. А. Садовський і я… На греблі зібралися на чолі з Д.А. Кунаєвим керівники республіки, представники промисловості, будівельники греблі, військові та науковці. Головне питання: чи витримає гребля напір мільйонів кубів? Хоча майже всі були впевнені, що витримає і що просочування теж не страшно (звичайна фільтрація через кам’яну начерк), були вжиті заходи по спуску води з озера через труби… Через два дні можна було спокійно їхати додому.

Космічні завдання

З вибухом виявилися пов’язані і стратегічно важливі завдання, пов’язані з освоєнням космосу. На початку 1960-х рр., з активним розвитком космічних досліджень з’явилася проблема, пов’язана із зіткненнями космічних апаратів з метеоритами. Учень Лаврентьєва, майбутній академік В. М. Титов взявся вирішити завдання моделювання метеоритного удару в земних умовах. Використовуючи принципи кумулятивних зарядів, вдалося навчитися розганяти невеликі металеві кульки до космічних швидкостей. Це дозволило не тільки вивчити можливі наслідки зустрічі метеоритів і космічних кораблів, а й оцінити ефекти падіння метеоритів на Землю та інші небесні тіла.

Ліворуч: один з учнів М. О. Лаврентьєва Юрій Фадєєнко, який брав активну участь у роботах, пов’язаних з освоєнням космосу. Фото з книги «Я — Фізтех». М., 1996. Праворуч: Михайло Олексійович Лаврентьєв, 1958 р.

Історію цих досліджень можна знайти в спогадах одного зі співробітників Інституту гідродинаміки Ю.І. Фадеєнка, який брав безпосередню участь у роботах зі створення методики високошвидкісного метання тіл:

На початку 1958 р. Інститут гідродинаміки готувався до від’їзду в споруджуване новосибірське Академмістечко… на полігоні МФТІ Орево, кілометрах за 100 на північ від Москви. Ставлення до нових сибіряків у московських наукових колах було найтепліше, академіки не скупилися на постановку цікавих завдань для молодіжного сибірського десанту. Тоді-то вперше в тематиці інституту з’явилася космічна тема: готувався політ третього штучного супутника Землі (ІСЗ-3), і академік С.П. Корольов запропонував М. А. Лаврентьєву актуальне завдання — створення штучних метеоритів, тобто швидкоролетних частинок, за допомогою яких можна було б провести градурування встановлених на ISZ-3 метеоритних датчиків. Швидкість частинок повинна була бути не нижче першої космічної — 7,8 км/с.

Перша група співробітників Інституту гідродинаміки прибула до Новосибірська 27 червня 1958 р. На фото — Золота долина, 1958 р.

До від’їзду залишалися лічені місяці, але за цей час студент-дипломник Л. А. Лук’янчиков примудрився отримати за допомогою кумулятивного вибуху струмінь газів зі швидкістю 13-14 км/с. Однак використовувати її для розгону твердих частинок вже не вдалося — прийшла пора вантажитися в ешелон…

Одне з робочих приміщень у Золотій долині — тут народжувалася світова наука. Зима 1958-1959 рр.

З літа 1958-го почалося обживання майданчика в лісі під Новосибірськом. «Завдання Корольова» то забувалася, то знову з усією гостротою вставала перед інститутом — відповідно графіку запуску об’єктів, що несуть метеоритні датчики. З кожною новою спробою зростала повага до труднощів завдання; це було як з мандрівниками в горах, перед якими з кожним переходом відкриваються все нові і нові межі доланого хребта. Але одночасно зростав «спортивний азарт» і підвищувалися ставки. Аж до карбованого директорського умови: «Один грам, 20 км/с. — Державна премія». Під час одного з таких припливів активності, пам’ятається, в конкурсі взяв участь фізтехівець — молодий батько, який щойно отримав під пару близнюків дуже дефіцитну в ледь розпочатому будівництвом містечку житлову площу: пару кімнат у збірному фінському будиночку. Дощаті стінки будиночка зсередини були обшиті картоном і в 50-градусні морози промерзали наскрізь. У дальній кімнаті молода мама годувала дітей. А в ближній молодий батько (В. Ф. Мінін, пізніше директор Інституту прикладної фізики в Новосибірську) встановив потужну конденсаторну батарею з енергією розряду в кілька грамів тротилового еквівалента. Всі картонні стіни в цій кімнаті були прикриті обривками дроту, що вилітав з електромагнітного прискорювача зі швидкостями до 3 км/с.

Перша зима в Сибіру: 1958-1959 рр.

Завдання не піддавалося довго. Приємно згадати, що мені вдалося зробити внесок у її рішення. Мені дуже подобався один з варіантів прискорення, який відчувався за рекомендацією М. А. Лаврентьєва. Вибуховий газокумулятивний прискорювач підкорював уяву дивовижною простотою конструкції. Він складався з єдиної деталі — труби з литого ВВ, що за формою нагадує короткий ствол дрібнокаліберної гармати. З одного кінця цей заряд ініціювали детонатором, на іншому встановлювали прискорюване тіло (зазвичай це була сталева кулька від підшипника). По осі детонуючого заряду виникав високошвидкісний газовий струмінь. «Метеорит» незмінно руйнувався, але його осколки летіли з досить пристойною швидкістю — до 5 км/с. Коли настало чергове затишшя і колега-виконавець (В. М. Кузнецов, нині вже покійний) зайнявся іншими справами, я взявся доводити вподобаний варіант до розуму. Діяв шляхом «великого перебору»: відчував поспіль всі можливі комбінації параметрів заряду і частинки.

Добрий протиметеоритний захист — одна із запорук безпеки космічних об’єктів і польотів. Вирішувати це завдання почали після безпосереднього звернення С.П. Корольова до М. А. Лаврентьєва. На фото: а — зразок скла для ілюмінаторів космічного корабля, пошкоджений під час експериментів з літаючими кулькоподібними мікрочастинками; в — моделі метеорита або «космічного сміття» — частинки з металу або скла розміром від 0,1 до 5 мм прискорюються високошвидкісним супутним потоком продуктів детонації від 1 до 8-14 км/с; п- кратер на сталевій пластині, експонованій у відкритому космосі на борту МКС «Світ», утворений в результаті удару частинки «космічного сміття»

Це була епоха ентузіастів-трудоголіків. З робочим часом багато хто не рахувався, і за день вдавалося зробити до 10-12 дослідів. Чер