Кумулятивный эффект академика Лаврентьева
Михаил Алексеевич Лаврентьев
Математик и механик
К началу Великой Отечественной войны Михаил Алексеевич Лаврентьев уже был учёным с мировым именем. Немного великой и ужасной математики из послужного списка будущего академика: «дескриптивная теория множеств», «теорема о продолжении гомеоморфизма», «теория квазиконформных отображений» и многое другое. Но Лаврентьев не ограничивался теоретической математикой – немалая часть трудов имеет вполне осязаемое практическое приложение. Например, в 1934 году учёный публикует теорему, в которой доказывает, что максимальной подъёмной силой обладает профиль крыла в форме дуг окружностей или дужки Жуковского. Звучало это как «экстремальная проблема теории конформных отображений». Лаврентьев некоторое время занимался авиационными вопросами в Центральном аэрогидродинамическом институте в группе Сергея Чаплыгина. Позже учёный вспоминал:
«Из работы в ЦАГИ я вынес для себя лично, во-первых, опыт приложения чистой математики к важным инженерным задачам и, во-вторых, ясное понимание, что в процессе решения таких задач рождаются новые идеи и подходы в самих математических теориях… Можно смело утверждать, что именно это вывело нашу страну на передовые позиции в области авиационной техники.»
Будущий академик Михаил Алексеевич Лаврентьев
В середине 30-х годов учёный становится дважды доктором наук – сначала технических, а позже – физико-математических. Учёные степени Лаврентьеву присуждаются без защиты диссертации по «совокупности научных заслуг». В будущем умелое сочетание математической теории и практических результатов стало фирменным подчерком Михаила Алексеевича. Перед самой войной – в 1939 году – Лаврентьева назначают директором Института математики Академии наук УССР в Киеве. При этом учёный не теряет связи с Москвой и остаётся профессором МГУ.
Эвакуация в Уфу поставила перед математиком сугубо практические задачи – теперь не было гражданских проблем, все темы касались оборонной отрасли. Лаврентьев занялся теорией взрыва, прежде всего, гидродинамической теорией кумуляции. Сразу необходимо уточнить, что кумулятивный эффект, перевернувший военную науку в 30-е годы, не является открытием Лаврентьева. Явление было открыто ещё во второй половине XIX в. и до поры до времени не находило вразумительного объяснения. Действительно, было очень непросто понять, каким образом покрытие выемки во взрывчатке стальной оболочкой и удаление заряда от пробиваемого тела увеличивает пробивное действие. Но это не мешало использовать кумулятивный эффект, пусть и ограниченно, в горном деле. Первый патент на кумулятивный боеприпас датируется 1914 годом, но настоящий расцвет технологии случился только во Второй мировой войне. В большинстве своём кумулятивные снаряды разрабатывали на эмпирических данных – стройной теории не было ни у одной страны мира. Лаврентьев пишет в связи с этим:
«Хотя противотанковые кумулятивные снаряды уже использовались немцами в боях за Сталинград и эти снаряды были скопированы и изучались в Англии, США и у нас, точного понимания физической основы их действия до 1945 года не существовало.»
Впрочем, теоретические изыскания Михаила Алексеевича касаются позднего периода, а в Уфе его ждали сугубо технические задачи. Главной разработкой стали авиационные кумулятивные бомбы. Приведём выдержку книги Юрия Ергина, биографа академика и первого ректора Башкирского университета:
«Вместо нескольких тяжелых стокилограммовых противотанковых авиабомб (ПТАБ) штурмовик ИЛ-2 брал на борт четыре кассеты с 78-ю ПТАБами в каждой, которыми буквально «посыпал» немецкие танки с высоты 25 м, что обеспечивало, с одной стороны, большую прицельную точность такого бомбового удара, а с другой — полную безопасность самого самолета, который не мог быть сбит разрывом собственных авиабомб. У ПТАБов было еще одно большое достоинство. В отличие от обычных авиабомб из дорогой высокопрочной стали со сложным взрывателем, ПТАБы могли теоретически выпускаться даже в деревянном корпусе. Отсюда и возможность их изготовления не на специализированных заводах, а в самых примитивных условиях, как это происходило в Уфе…»
Выпускали ПТАБы Лаврентьева в Уфе на эвакуированной из Днепропетровска артели «Промметиз». Окончательную доводку конструкции боеприпаса и взрывателя АД-А произвёл Иван Александрович Ларионов.
Каждая бомба весила 2,5 кг и прошивала кумулятивным пестом до 70 мм брони. Этого было достаточно для поражения самых защищённых танков вермахта – у «Пантеры» в крыше не более 16 мм, у «Тигра» – 28 мм. Шутка ли, Лаврентьев придумал крышебойные боеприпасы задолго до того, как они стали мейнстримом. Впервые ПТАБы из Уфы применили в Курской битве, и они подействовали на фашистов очень достойно – несколько сотен танков были уничтожены ударами с воздуха.
Здесь же в Уфе Лаврентьев занимается широким кругом проблем, напрямую не связанных с кумулятивными эффектами. Современники учёного вспоминают:
«Одновременно ученым исследуются необходимые для практики задачи о стойкости клапанов авиамоторов, поясков снарядов, новые идеи в создании оружия… Другой важной областью механики… было изучение устойчивости движения твердых тел с жидким наполнителем применительно к задачам артиллерии.»
Интересно, что даже в непростых условиях эвакуации Лаврентьев не бросает математику и публикует работу о «разрешимости задачи об уединенных волнах на поверхности идеальной жидкости». Но основные силы, разумеется, забирали вопросы оборонного характера.
Кумулятивная теория
В Уфе Лаврентьев начал работу над гидродинамической теорией кумулятивного взрыва, а продолжил в Москве и в Киеве с 1944 года. Это была строго секретная тема – первые открытые публикации в мировой печати появились только в 1948 году. На середину 40-х существовало две теории, объясняющие кумулятивный эффект – схема бронепрожигания и схема откола. В соответствии с первой броню пробивает струя газа, вторая подразумевала пробой раскалённой металлической пылью. Лаврентьев опытным путём доказал несостоятельность обоих подходов и предложил теорию жидких струй в качестве объяснения. Для этого необходимо допустить, что медная облицовка кумулятивного снаряда и броня по сути являются несжимаемыми жидкостями, пусть и очень вязкими. Лаврентьев подвёл под гипотезу динамическую модель несжимаемой жидкости, и оказалось, что она удивительным образом объясняет всю физику кумулятивного взрыва. Но некоторым было смешно. Михаил Алексеевич вспоминает:
«Мысль о том, что металл ведет себя как жидкость, многие называли нелепой. Помню, мое первое выступление об этом в Академии артиллерийских наук было встречено смехом… Гидродинамическую трактовку явления кумуляции поддержали М. В. Келдыш и Л. И. Седов.»
Практически доказать истинность теории Лаврентьеву удалось в посёлке Феофания в 20 км от Киева в 1944-1946 годах. Как вспоминал позже автор, должность вице-президента Академии наук УССР позволила оперативно начать работы во взрывной лаборатории. Многое приходилось делать буквально на коленке. Например, металлические воронки для взрывчатки изготавливал водитель Лаврентьева. Заряды Лаврентьев отливал на электроплитке, прессовал взрывчатку на обычном переплётном прессе. О тех днях Лаврентьев пишет:
«Трудности с материалами приводили иногда к совершенно неожиданным результатам. Когда приближенные расчеты выявили ряд свойств кумулятивного взрыва, мне хотелось как можно скорее поставить опыты, которые окончательно подтвердили бы теорию. Надо было срочно выточить медный конус, но, как назло, нужных медных цилиндров, из которых можно было бы его изготовить, не оказалось. Н. М. Сытый нашел необычный выход: он взял пучок медной проволоки, обмотал его детонирующим шнуром и подорвал. После взрыва мы получили нужный цилиндр, из которого Эдик Вирт выточил несколько конусов. Проведенные опыты полностью подтвердили теорию, а теория объяснила все парадоксальные эффекты кумулятивного взрыва.»
В 1949 году Михаилу Алексеевичу за теорию кумулятивного взрыва присуждается Государственная премия.
В своей знаменитой статье «Кумулятивный заряд и принцип его работы» в 1957 году Лаврентьев своеобразно описывает механику взрыва. Так, кумулятивный конус, после обжатия взрывом и утолщения стенок,
«выплескивается вперед так, как это можно наблюдать при затекании морской воды в клинообразную бухту.»
Кумулятивный пест назван проволокой, который воздействует на броню давлением в 1 млн атмосфер, отчего последняя просто растекается.
Ещё раз стоит подчеркнуть всю ширину таланта Михаила Алексеевича. Кумулятивная теория была далеко не главным достижением его научной жизни. И не одной сухой математикой жил учёный. Лаврентьев интересовался вопросами построения математических моделей природных явлений. Целый ряд интересных гипотез был высказан им об особенностях распространения волн цунами, о новороссийской боре, о способах движения ужей и рыб, о механизмах образования ветровых волн и о гашении этих волн дождём. К слову, в новосибирском Академгородке, который построили под чутким руководством академика, первым действующим НИИ стал Институт гидродинамики. В настоящее время это одно из ключевых научных учреждений страны, занятых проблемами физики взрыва. Современное и полное имя учреждения – Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН.
После войны Лаврентьев не оставил прикладные оборонные исследования. В 1950 году он изучает воздействие взрывных волн на морские суда и методики взрывного разминирования портов. В 1953 году в Сарове приступает к разработке атомного артиллерийского снаряда – к тому времени Советский Союз отстал в этой теме от Соединенных Штатов. Спустя три года появляется боеприпас с ядерным зарядом на основе механизма имплозии. Схематически снаряд Лаврентьева напоминал среднеазиатскую дыню, спрятанную внутри корпуса боеприпаса.
Ушёл из жизни Михаил Алексеевич в 1980 году в возрасте 79 лет, оставив после себя гигантское научно-техническое наследие и целую армию учеников. Оборонные проблемы, решённые Лаврентьевым, занимали важную часть жизни учёного, но были далеко не единственными. Главным творением академика стал новосибирский Академгородок, но это уже совсем другая история.
- Автор:
- Евгений Федоров