Крупнейший русский учёный и инженер Иван Григорьевич Бубнов (1872 – 1919) по праву считается создателем подводного флота России. Но его деятельность была многогранной и чрезвычайно эффективной не только в этой области. Результаты многих его исследований по прошествии столетия не только не потеряли актуальности, но прямо влияют на современный технический прогресс. Рассмотрим здесь некоторые из них.
1. Подводные корабли [1]
Начав работать на Балтийском заводе в 1898 году, Иван Григорьевич задумывает построить подводный миноносец, непосредственно применимый в боевых действиях. Он тщательно изучает возможности современной металлургии с целью выбора наилучшей стали для прочного корпуса лодки, занимается поисками наиболее приемлемого типа двигателя.
В 1900 году Морской технический комитет официально поручает И.Г. Бубнову, совместно с лейтенантом М.Н. Беклемишевым и инженер-механиком И.С. Горюновым, проектирование «полуподводного судна». Группа Бубнова работает над проектом в специально отведённой комнате Опытового бассейна в условиях полной секретности. В мае 1901 года проект лодки надводным водоизмещением 113 т готов. На Балтийском заводе начинается постройка корабля под названием «миноносец 113».
Утром 21 июня 1903 года лодка от завода отправляется на ходовые испытания. На ней находятся И.Г. Бубнов и А.Н. Крылов. Испытания проходят удачно. ПЛ держится под водой в течение 1 часа 15 минут. К июню 1904 года все испытания завершаются. ПЛ, названная «Дельфин», имеет преимущества перед всеми существовавшими на то время лодками, особенно по прочности корпуса.
На основе данных испытаний «Дельфина» И.Г. Бубнов совершенствует проект ПЛ. По новым чертежам строится шесть кораблей типа «Касатка». Развернувшиеся на Дальнем Востоке военные действия заставляют спешить с их изготовлением. «Дельфин» и четыре новые лодки по железной дороге перевозятся во Владивосток. В апреле 1905 года их испытания дают хорошие результаты.
В этом же году И.Г. Бубнов предлагает применить вместо бензиновых двигателей дизельные. Переход к этому типу двигателей имел решающее значение для всего последующего развития подводного флота.
Строительство бубновских подводных лодок далее продолжалось вплоть до 1917 года. В 1905 – 1906 гг. строятся ПЛ «Минога» и «Акула» (Dнадв = 380 т; Hпогр = 46 м). В 1909 г. спроектированы ПЛ типа «Барс» и «Морж» (Dнадв = 650 т). Спуск нескольких лодок типа «Морж» состоялся в Николаеве в 1913 г. В 1915 – 1917 гг. вступили в строй 15 ПЛ типа «Барс». ПЛ, спроектированные под руководством И.Г. Бубнова, были лучшими в мире по конструкции корпуса, мореходным качествам, маневренности и обитаемости.
В области теоретического обоснования прочностных характеристик конструкций подводных лодок И.Г.Бубнову принадлежит работа "Критическое давление для тонкостенной трубы, подкрепленной ребрами жесткости” (1916 г.).
2. Строительная механика и прочность корабля
Научные интересы И.Г. Бубнова сначала были связаны с классической теорией корабля, но со временем он заинтересовался проблемами прочности. Его первые исследования в этой области относятся к расчету напряжений в обшивке судов, создаваемых давлением воды. В результате И.Г. Бубновым было положено начало теории гибких пластин.
Его самой фундаментальной работой являлся курс строительной механики корабля, над которым Бубнов трудился с 1902 по 1914 г[1]. В нем он обобщил огромный объем знаний, накопленный в этой области, а также решил широкий круг задач в области прочности и устойчивости балок, перекрытий и пластин судового корпуса. В этом труде им впервые чётко сформулированы следующие основные положения:
- классификация нагрузок и напряжений судового корпуса;
- классификация связей корпуса судна по их роли в обеспечении прочности судна;
- нормы прочности судов на основе теории допускаемых напряжений;
- метод расчёта внешних сил и изгибающих моментов при оценке общей прочности судов (включая метод динамической постановки судна на волну);
- метод расчёта напряжений от общего изгиба корпуса судна во втором приближении (метод редуцирования гибких связей судового корпуса);
- аналитический метод определения размеров продольных связей судна;
- методы расчёта сложных перекрытий;
- теории пластин конечной и малой жёсткости, а также методы их расчёта;
- методы расчёта сложного изгиба стержней;
- формулы для расчёта профилей балок наименьшего веса, что положило начало теории оптимизации конструкций.
Благодаря комплексному подходу и многим новым решениям, И.Г. Бубнова правомерно считать основоположником строительной механики корабля, ставшей относительно самостоятельной научной дисциплиной.
3. Конструкция корпуса судов. Продольная система набора
В работе «Напряжения в обшивке судов от давления воды» (1904 г.) И.Г. Бубнов по сути установил новые принципы и законы проектирования стальных судов.
До этого конструкция стальных кораблей фактически была подобна конструкции деревянных судов. Обшивка подкреплялась в основном шпангоутными рамами. Проверялась только общая прочность корпуса (приближённым расчётом эквивалентного бруса). Напряжения в обшивке от давления воды и грузов считались малыми и не рассчитывались. В результате аварии и повреждения обшивки были очень часты.
Анализируя напряжения в пластинах обшивки на основе созданной им теории, И.Г. Бубнов показал, что применявшиеся в то время конструкции судов были совершенно неправильны. Он расположил балки основного набора вдоль корпуса, создав новую – продольную систему набора. Научно обосновав необходимость перехода от поперечной системы набора корпуса к продольной и смешанной системам, Иван Григорьевич воплотил свои идеи в реальные конструкции (в частности, линейных кораблей типа «Севастополь»). Спустя три десятилетия А.Н. Крылов писал: «Все иностранные сверстники наших линейных кораблей давно обращены в лом, наши же гордо плавают по водам Балтики и Чёрного моря …» [4].
Особенно отчётливо преимущества системы набора Бубнова проявились при внедрении в судостроение сварки, при появлении и развитии скоростных судов из лёгких сплавов. Система набора с продольными балками набора позднее с успехом была распространена на конструкции самолётов и других летательных аппаратов.
4. Численное моделирование
А.Н. Крылов и И.Г. Бубнов подняли кораблестроительные науки на более высокий математический уровень. До них только гидродинамика "отслеживала” новейшие достижения математики.
Крупнейший учёный механик С.П. Тимошенко писал: «А. Н. Крылов и И. Г. Бубнов предложили обширную программу по математике, где, кроме обычного двухлетнего курса анализа (по 20 часов в неделю) … были предусмотрены курсы уравнений в частных производных и приближенных вычислений. В области механики твердого тела, в добавление к обычному элементарному курсу, был введен дополнительный курс, в котором рассматривались уравнения Лагранжа и их приложения. Из дисциплин, относящихся к механике упругих тел, студентам читались курсы теории упругости и теории колебаний. Это был первый опыт в истории инженерного образования, чтобы столь высоко математизированные предметы включались в программы общеинженерной подготовки» [3].
В 1913 году в небольшом отзыве на работу С.П. Тимошенко Иван Григорьевич изложил приближённый метод решения задач строительной механики[2], который положил основу главного научного и инженерного направления в решении задач современной механики сплошных сред. В 1915 г. Б.Г. Галеркин предложил этот же метод для более общего случая.
Метод кратко заключается в следующем. Неизвестная функция (например, перемещение w(x) упругого тела) раскладывается в конечный ряд, члены которого являются произведениями заранее заданных функций f(x) на неизвестные коэффициенты qi:
В результате ставится задача определения не непрерывной функции w(x), а отдельных коэффициентов – чисел qi. С применением такого ряда математически сложная задача, описываемая дифференциальными уравнениями, преобразуется в систему простых алгебраических уравнений, решение которой, особенно с применением современной компьютерной техники, становится относительно простым.
Огромную роль метод Бубнова - Галеркина сыграл и в создании и развитии нового метода познания – численного моделирования, который наиболее интенсивно стал развиваться в компьютерную эпоху. В наши дни этот метод лежит в основе алгоритмов решения большого числа задач математической физики из области механики, термодинамики, электромагнетизма, гидродинамики и многих других. Создано большое число программных комплексов, реализующих алгоритм метода Бубнова – Галеркина и его частного случая – метода конечных элементов. Только в Интернете на эти методы можно найти миллионы ссылок.
5. Отношение И.Г. Бубнова к инженерному творчеству
В 1896 году И.Г. Бубнов начал свою преподавательскую деятельность в Морской академии. Подготавливая новый курс «Проектирование боевых судов» он отмечал в рапорте начальству полное отсутствие учебников и практических данных. В своей первой лекции по этому курсу он говорил[3]:
«Курс проектирования судов может быть излагаем или путём догматическим, или путём исследования.
Первый метод, наиболее распространённый, заключает в себе свод эмпирических формул, правил, постановлений и пр., принимаемых как догматы, без исследования и критики, под прикрытием лишь авторитета их автора; большинство этих формул и правил не опираются на какую либо прочную теорию, почему обыкновенно говорят, что они суть результаты опыта; это выражение неверно, ибо опытом называется исследование данного явления в возможно простом виде, т.е. при умышленном устранении всех посторонних причин, его искажающих… поэтому слово «опыт» правильнее заменить словом «обычай». Например, на факт, что на десятке плавающих броненосцев наружная обшивка сделана толщиной 16 мм, нельзя указывать как на неопровержимое «опытное» доказательство того, что и на одиннадцатом нужно иметь такую же обшивку, так как даже долговременная служба её на построенных судах может служить лишь подтверждением достаточности её толщины, ничего не говоря о её необходимости. Но и это указание обычая имеет место лишь при одинаковости требований, предъявляемых к сравниваемым судам; достаточно выйти из пределов этих требований, как все эти указания будут неверны. Например, на огромном большинстве броненосцев бимсы верхней палубы делаются высотою не более 250 мм, вполне удовлетворяя своему назначению; но достаточно поставить на палубу более сильное орудие, расположенное в менее выгодных для прочности бимсов условиях, и этот узаконенный обычаем размер окажется совсем недостаточным.
Подобных случаев неверных заключений, основанных на обычае, можно привести множество; но помимо этого непосредственного вреда способ этот приносит ещё больший вред косвенным образом, тормозя всякий прогресс в технике судостроения; только благодаря этому обстоятельству разница в конструкции различных частей корпусов первых броненосцев, построенных 40 лет назад, и современных – ничтожна, несмотря на то, что первые броненосцы создавались без всяких предварительных опытов и исследований, без указаний теории и практики и, конечно, были далеки от совершенства. …
Второй метод … проектирования судов … состоит в том, что после исследования и оценки условий, предъявляемых как ко всему судну, так и к каждой отдельной части его, путём математического анализа находят размеры судового корпуса и всех частей его, опираясь лишь на точные законы физики и механики, а также и на результаты и указания опыта (а не обычая). …
Вводя критику, анализ и опыт взамен мёртвой формулы, метод этот двигает и совершенствует технику, не позволяя ей застыть в определённых формах, как некогда было с техникой деревянного судостроения; он заставляет инженера верить в своё умение и искусство, а не в формулы из справочной книжки».
Многое из этих слов И.Г. Бубнова справедливо и в наши дни. Например, конструкция корпуса современных балкеров остаётся неизменной более сорока лет. За это время их валовая вместимость увеличилась примерно с 20 до 260 тыс. тонн. Крушения с этими судами происходят регулярно. Согласно статистике аварийности БИМКО, за период 1990 – 2000 гг. потеряно 64 балкера валовой вместимостью более четырех миллионов тонн, 676 человек погибли.
Несмотря на регулярное обновление правил классификационных обществ, они не успевают охватить всё разнообразие развивающихся более быстрыми темпами типов судов, их конструкций и форм корпуса. Поэтому в последние годы классификационные общества ввели методы непосредственной оценки надёжности и безопасности судов путём внедрения методик расчётов и компьютерных программ, основанных на применении метода конечных элементов, например, «Руслан» РМРС, «SafeHull» ABS, «Poseydon» GL. Примечательно, что в основе этих методик лежит метод И.Г. Бубнова.
Следует отметить, что на развитие кораблестроения значительно повлияли не только труды И.Г. Бубнова, но и труды его учеников. В 1903 г. И.Г. Бубнов начал преподавать в Петербургском политехническом институте. В 1906 г. был издан его первый печатный курс лекций по теории упругости и строительной механике корабля.
Созданный по инициативе А.Н. Крылова, Петербургский политехнический институт имел особенно большое влияние на развитие инженерного образования в России. На его кораблестроительное отделение имели шансы поступить только претенденты, окончившие средние школы с золотой медалью.
С.П. Тимошенко писал в 1958 г.: «Молодые инженеры, окончившие кораблестроительное отделение, пользовались большим спросом и успешно работали в Российском флоте. … Расширенные учебные программы требовали соответствующего развития учебной литературы. Если в качестве примера снова взять область кораблестроения, то книги Крылова и Бубнова по кораблям и корабельным конструкциям до сих пор используются во всех флотах мира. На многие иностранные языки были переведены книги по теории упругости и теории колебаний, получившие широкое распространение. В области строительной механики корабля и подводных лодок Россия имеет в настоящее время наиболее полную и современную литературу» [3].
П.Ф. Папкович учился у А.Н. Крылова и И.Г. Бубнова в Петербургском политехническом институте. Он писал [2]: «Ни А.Н. Крылов, ни И.Г. Бубнов не боялись делиться со своими слушателями своими мыслями в той области, к которой относится данная лекция, не считаясь с тем, вошёл ли данный вопрос в официальную программу, или нет, и это придавало их лекциям особый интерес и прелесть. … главная трудность экзамена у И.Г. Бубнова состояла в необходимости решать предложенную им задачу, обычно неожиданную по теме и требовавшую для своего решения не простых подстановок тех или иных чисел в те или иные формулы, а умения рассуждать в соответствующей области и самостоятельно делать выкладки в общем виде».
Список источников
1. Вольмир А.С. Очерк о жизни и деятельности И.Г. Бубнова / в книге: Бубнов И.Г. Труды по теории пластин. – М.: Гос. издательство технико-теоретической литературы, 1953. – 423 с.
2. Папкович П.Ф. Труды по прочности корабля. – Л.: Гос. союзное издательство судостроительной промышленности, 1956. – 680 с.
3. С. П. Тимошенко Инженерное образование в России. – Люберцы: Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ, 1997, http://divt.stu.ru/ (книга написана для американцев по материалам поездки автора в Россию в 1958 году).
4. А.Н. Крылов, Собрание трудов, т.1, ч.1, изд. АН СССР, 1951.
[1] Бубнов И.Г. Строительная механика корабля. Изд. Морского министерства, 1912 – 1914.
[2] Бубнов И.Г. Отзыв на работу С.П. Тимошенко, представленную на премию Д.И. Журавского. Петербург, издание института инженеров путей сообщения, 1913.
[3] Бубнов И.Г. Проектирование боевых судов. Литографическое издание Морской академии. 1897-1899.
| 
