Молодые люди, еще не искушенные в науках, часто задавали мне вопрос: почему я, математик, возглавляю Институт гидродинамики, а занимаюсь взрывом и его приложениями? Как это все увязать?
Я постараюсь в этой главе рассказать, какую роль сыграли и гидродинамика, и математика, и взрыв в решении таких, казалось бы, ничем не объединенных задач, как определение глубины пробития танковой брони и защита города Алма-Аты от селей, осушение пойм и защита космических кораблей от метеоритов.
Но сначала несколько слов о гидродинамике. Это одна из древнейших наук. Она ровесница египетских пирамид, первых торговых и военных судов и оросительных систем. За свою многовековую историю гидродинамика знала периоды и бурного развития, и застоя, когда казалось, что все поддающиеся решению задачи уже решены, а подходы к новым не удавалось найти. Но всегда рука об руку с гидродинамикой шла математика, и трудно назвать ведомых и ведущих: иногда новые математические методы приводили к расцвету целых отраслей гидродинамики, и в то же время поставленные гидродинамикой задачи побуждали математику к дальнейшему движению и развитию.
В классической механике, сложившейся в XIX веке, гидродинамике отводилась роль одного из трех основных разделов, двумя другими разделами были механика твердого тела и газодинамика. Каждая из этих наук изучала поведение вещества - жидкого, твердого или газообразного. Однако с течением времени перегородки между этими разделами постепенно ветшали и разрушались. В последние десятилетия началось новое взаимодействие этих некогда разделенных наук, определившее бурное развитие новых направлений.
Можно привести немало примеров неразделимости многих проблем гидродинамики, газодинамики и механики твердого тела. Так, пластические деформации твердых тел происходят по законам движения вязкой : жидкости, а газовые потоки в некоторых случаях можно рассматривать как течение несжимаемой жидкости. Нельзя не подивиться еще раз прозорливости М.В.Ломоносова, диссертация которого называлась «Рассуждение о твердости и жидкости тел...».
Если раньше в основные разделы гидродинамики входило изучение собственно жидкостей (воды, нефти), то сейчас открыты новые явления, когда требуется по законам движения жидкости изучать движение сред совсем нежидких, например железа, грунта. На первый взгляд это кажется парадоксальным. В каком же смысле можно рассматривать в качестве жидкости такие материалы, как железо, грунт, лед? Все дело в том, что при тех скоростях и давлениях, которыми оперирует взрывная техника, прочностные свойства материалов оказываются пренебрежимо малыми по сравнению с инерционными силами. Огромный заряд взрывчатки выбрасывает в воздух за одно мгновение миллионы кубометров грунта. Законы движения этого грунта оказываются близкими к законам движения жидкости. Таким образом, в сферу гидродинамики попали проблемы, которые к воде имеют мало отношения, хотя приставка «гидро» и означает «вода». О них мы и поведем речь. Практика и теория взрыва имеют большую историю. С явлением взрыва человек сталкивался еще в доисторические времена, видя удар молнии, извержение вулканов, взрывы подземного газа. Много позже люди сами начали создавать взрывчатые вещества, сначала для военных целей, а позже для технических. Первым взрывчатым веществом был черный порох.
При быстром сгорании пороха в закрытом объеме создавалось давление порядка 1000 атмосфер, и в зависимости от размеров заряда порох производил нужную работу - бросалось из пушки шаровое ядро, разрушалась стена крепости, металась дробь из охотничьего ружья и т. п.
Следом за черным порохом был изобретен на базе нитроклетчатки новый вид пороха - бездымный. Он имел много преимуществ - большая мощность, возможность регулировать скорость горения (это достигалось технологией производства, а также размерами частиц - от горошинок диаметром в доли миллиметра до цилиндрических шашек диаметром 5-10 сантиметров). Позже было получено много других взрывчатых веществ. Иногда они образуются самопроизвольно при некоторых химических реакциях.
Мое первое знакомство со взрывом состоялось в детстве, когда я жил в Казани (мой отец был профессором Казанского университета). Вместе с двоюродным братом - студентом мы ставили химические и пиротехнические опыты. Однажды вспышка пламени едва не вызвала пожар. Последовало строгое родительское запрещение, пиротехнику пришлось оставить. Потом был еще один взрыв - на этот раз в школьной химической лаборатории. Мне снова повезло: пострадали только руки, да и то немного.
С первой серьезной проблемой, связанной со взрывом, я встретился, уже будучи профессором математики. Это была проблема кумулятивного заряда.
Явление кумуляции было известно давно. Состоит оно в следующем. Если поставить на стальную плиту заряд взрывчатого вещества, скажем, в виде цилиндра и подорвать его, в плите образуется вмятина. Если заряд отодвинуть от плиты хотя бы на четверть его диаметра, вмятины уже не будет. Совсем другой эффект получается, если на конце заряда, обращенном к плите, сделать коническую выемку, - вмятина от взрыва, как ни странно, становится глубже. А если еще вставить в эту коническую выемку металлический конус и подорвать такой заряд на некотором расстоянии от плиты, она будет пробита насквозь!
Первые опыты в этом направлении принадлежат американскому профессору Р.-У.Вуду и описаны в биографии этого замечательного физика. Р.-У.Вуда пригласили в качестве эксперта для выяснения таинственной гибели молодой женщины. Дело было так. Женщина сидела перед камином, была совершенно здорова, а через 10 - 20 минут ее нашли мертвой. При осмотре обнаружили небольшое красное пятно на груди, а при вскрытии констатировали смерть от разрыва сердца. Р.-У.Вуд объяснил истинную причину смерти: женщина была убита кумулятивным зарядом. Камин отапливался углем, а уголь добывался взрывным способом, причем подрыв зарядов производился капсюлями-детонаторами, то есть взрывчаткой с металлической облицовкой и выемкой на конце. Р.-У.Вуд поставил опыты и показал, что при взрыве капсюль дает металлическую направленную стрелу, способную пробить на расстоянии нескольких метров не только сердце, но и металлическую пластинку. Видимо, капсюль был потерян при взрывных работах и вместе с углем попал в камин, где от нагрева взорвался. По несчастной случайности в момент взрыва ось капсюля была направлена в сердце погибшей.
Идея снарядов кумулятивного действия была высказана в Германии еще в годы первой мировой войны, но впервые их применили гитлеровцы в ходе Курской битвы как противотанковое оружие - эти снаряды легко пробивали любую броню. Нужно было срочно понять механизм действия нового оружия, ибо без него нельзя было ни усилить наши собственные снаряды, ни рассчитать достаточно прочную броню, защищающую танкистов от снарядов врага. Напряженные работы по кумуляции вели, как мы знаем, и немцы, и англичане, и американцы.
При экспериментах обнаружилось много парадоксального, что не укладывалось в существующие представления. Законы пробивания снарядом или пулей различных преград изучались со времен создания артиллерии. Несколько сотен лет незыблемой оставалась формула французского артиллериста Жакоба д'Амара, из которой следовало, что глубина прибивания пропорциональна скорости снаряда. До второй мировой войны скорости снарядов не превышали 1 километра в секунду, и старая формула работала прекрасно.
Пробивание брони кумулятивными снарядами происходило по каким-то иным законам. Такой снаряд при встрече с преградой выбрасывал «проволочку» диаметром 2-3 миллиметра и длиной до 200 миллиметров, летящую со скоростью 4-10 километров в секунду, которая пробивала броню толщиной до 200 миллиметров. Непонятного было много... Откуда берется «проволока»? Почему с увеличением скорости снаряда глубина пробивания практически не меняется? Каким образом можно влиять на эту глубину, то есть на бронебойную способность снаряда?
Мне были известны две модели кумулятивного процесса, изучавшиеся и у нас и за рубежом. Согласно первой броню пробивает струя раскаленного газа (схема бронепрожигания), по второй - раскаленная металлическая пыль. Но поставленные опыты показали несостоятельность и той и другой. Поиски новых моделей привели меня к принципиально иной идее, согласно которой и кумулятивный конус, и пробиваемая броня во время взрыва ведут себя как идеальные несжимаемые жидкости.
Рассуждения были просты. В обычном состоянии металлическая облицовка кумулятивного конуса представляет собой твердое тело с определенными прочностью, упругостью, пластичностью и вязкостью. Но в условиях, порожденных взрывом (давление в сотни тысяч атмосфер, скорость до 10 километров в секунду), эти параметры уже мало что значат. Образовавшийся сгусток металла можно считать идеальной несжимаемой жидкостью, как, впрочем, и броню в месте соударения. А если так, то при анализе можно применить математический аппарат теории жидких струй, которую я разрабатывал еще до войны в Центральном аэрогидродинамическом институте. Уравнения движения несжимаемой жидкости относительно просты. Поэтому в первом приближении подсчет глубины и скорости проникновения кумулятивной струп в броню не представлял особых трудностей. Вскоре выводы теории подтвердились экспериментально.
Однако «безумная идея» о том, что металл снаряда (его кумулятивной оболочки) и металл брони ведут себя как жидкость, многим казалась нелепой. Помню, мое первое выступление об этом в Академии артиллерийских наук было встречено смехом. Но мне удалось доказать, что при формировании «проволоки» и при пробивании брони возникают такие скорости и давления, что прочностные и упругие силы становятся пренебрежимо малыми по сравнению с инерционными. Гидродинамическую трактовку явления кумуляции поддержали академики М.В.Келдыш и Л.И.Седов. Благодаря построению теории кумуляции были созданы надежные методы расчета, предложены новые типы кумулятивных зарядов. Через несколько лет работа по теории кумуляции была отмечена Государственной премией.
Мои основные работы по кумулятивным зарядам были выполнены в Киеве, точнее, в Феофании (в 20 километрах от Киева), где размещалась моя лаборатория по взрывной тематике. Металлические части зарядов - конусы, полусферы, цилиндры - изготовлял водитель моей казенной машины Эдик Вирт на токарном станке в гараже АН УССР. Снаряжал и производил опытные взрывы я сам сначала в овраге Ботанического сада, а позже в лаборатории. Броневые плиты для опытов добывали, вырезая их из трофейных немецких танков в лесах под Киевом. Их там было много. Здесь нам помогали военные саперы.
Литые заряды тола изготавливали на электроплитах, прессовали с помощью переплетного пресса, приобретенного на барахолке. Однажды нам потребовались для облицовки внутренней поверхности конической оболочки снаряда высокопластичные и особо тяжелые металлы. Где их взять? Заказать и ждать - пройдет много времени. Обошлись своими средствами: переплавили в тигле семейное имущество - серебряную рюмку и золотые коронки для зубов.
Трудности с материалами приводили иногда к совершенно неожиданным результатам. Когда проведенные приближенные расчеты выявляли ряд свойств кумулятивного взрыва, мне хотелось как можно скорее поставить опыты, которые окончательно подтвердили бы теорию. Срочно нужен был медный конус, но, как назло, нужных медных цилиндров, из которых можно было бы выточить конусы, не оказалось. Среди моих сотрудников был инженер Н.М.Сытый, человек поистине необузданной технической фантазии. Его всегда переполняли идеи, иногда блестящие, иногда нелепые, но всегда неожиданные. Н.М.Сытый и здесь 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.
Собственно говоря, при описанном получении медного цилиндра была впервые осуществлена сварка взрывом. В тех же экспериментах при подрыве заряда с двухслойной кумулятивной оболочкой слои из различных металлов прочно приваривались один к другому, и на срезе была видна волнообразная поверхность контакта.
К сожалению, мы, будучи поглощены основной задачей, не обратили должного внимания на эти явления. В изучении сварки взрывом наступила длительная пауза. Систематические исследования начались только в 60-х годах в Институте гидродинамики СО АН СССР в Новосибирске и одновременно в США. О наших работах по этой проблеме я уже рассказывал.
Начавшись с расчета снарядов, теория кумуляции в дальнейшем оказалась приложимой к широкому кругу задач, вплоть до защиты космических кораблей от метеоритов.
Еще при запуске первых баллистических ракет возник вопрос: а что произойдет с космическим объектом, если в него попадет метеорит? В конце 50-х годов главный руководитель советской космической программы академик С.П.Королев обратился во все «взрывные» организации страны с просьбой изучить это явление в земных условиях. Нужно было прежде всего разогнать частицу, имитирующую метеорит, хотя бы до первой космической скорости - около 8 километров в секунду (напомню, что начальная скорость обычного артиллерийского снаряда равна примерно 1 километру в секунду). Было проведено много интересных экспериментов, но за пределы 2,5 километра в секунду тогда никому выйти не удавалось. Конечно же, газы, летящие с такой скоростью, не могли разогнать частицу до космических скоростей.
Письмо от С.П.Королева получил и Институт гидродинамики, размещавшийся тогда, в 1958 году, во временных бараках на берегу речки Зырянки. Тогда и возникла идея использовать для разгона частиц (как бы лабораторных метеоритов) кумулятивную струю. Этой работой занялся мой ученик В.М.Титов, тогда только что окончивший Московский физико-технический институт, а сейчас член-корреспондент АН СССР.
За счет остроумных вариантов столкновения между потоками газа в струе удалось разогнать сами газовые массы до скорости 50 километров в секунду. Было очень сложно передать эту скорость частицам, особенно неметаллическим. Металлические частицы более прочны и удобны для экспериментов, но ведь около 98 процентов метеоритов в космическом пространстве не железные, а каменные. Поэтому пришлось учиться метать с космической скоростью не только металлические, но и керамические, и даже стеклянные частицы, особенно хорошо имитирующие хрупкость.
Кумуляция оправдала возложенные на нее надежды - теперь мы умеем разгонять частицы в 1-2 миллиметра в поперечнике до скорости 10-15 километров в секунду.
Каковы же результаты моделирования космических явлений в лаборатории?
Гостям Института гидродинамики часто показывают макет иллюминатора космического корабля после обстрела его частицами в лаборатории. В экспериментах удалось обнаружить массу новых интересных эффектов. Например, при ударе шарика в иллюминаторе возникают два очага разрушения: один в месте попадания шарика, другой - несколько в стороне. Этот второй очаг - место, где сходятся ударные волны разрежения, - часто и является причиной разрушения иллюминатора.
В лаборатории продолжают скрупулезно исследоваться всевозможные варианты удара метеорита как по обшивке корабля, так и по различным деталям его конструкции: тонким оболочкам, трубопроводам, оптическим приборам. Насколько велика метеоритная опасность?
Пробить обшивку корабля могут только довольно крупные метеориты, вероятность встречи с которыми ничтожно мала. Аппаратура контроля метеорной обстановки, установленная на космических орбитальных станциях, фиксировала попадание в них частиц в доли миллиграмма. С увеличением сроков службы космических аппаратов, с увеличением их размеров и дальности действия учет возможного поражения метеоритом станет еще более необходим для безопасности полета. Поэтому теперь, научившись моделировать метеоритный удар, надо искать способы защиты от него.
И здесь исследователи столкнулись с новыми парадоксами. Оказалось, что эффективной защитой может стать тонкий, на первый взгляд бесполезный экран из фольги, установленный на определенном расстоянии от основной конструкции. Он принимает на себя первый и главный удар. И что поразительно - экранная защита тем эффективнее, чем выше скорость попадающей в нее частицы!
Высокоскоростное метание частиц по горным породам позволяет изучать картину образования кратеров на планетах, в которой еще масса непонятного и неизвестного.
Сегодня представляет большой интерес изучение эффекта удара при суперкосмических скоростях 20-100 километров в секунду. При таких скоростях соударения и ударяющееся тело и масса мишени превращаются в газ. Прямой эксперимент здесь пока невозможен, нужно искать математические и физические модели. Имеющиеся попытки подсчетов малообоснованны и дают противоречивые результаты. Кроме механики, здесь нужна физика, теплофизика, может быть, и химия.
Кстати, изучение метеоритного удара проливает новый свет на классическую проблему поиска метеоритов.
Десятки лет искали Тунгусский метеорит и ничего не нашли. Сегодня, когда мы имеем возможность создать космические условия в лаборатории, мы уже догадываемся, в чем дело. Метеорит, войдя в атмосферу и падая на землю, взорвался, превратился в газ и испарился, поэтому искать его осколки нелепо и бесполезно.
Относительно недавно у кумулятивных струй появилась новая профессия - они используются геофизиками для изучения магнитных и электрических полей в околоземном пространстве.
С геофизической ракеты в магнитную сферу Земли силой кумуляции выбрасывается облако паров бария. За несколько секунд под действием солнечного излучения атомы бария ионизируются (приобретают электрический заряд), и на высоте десятков или даже сотен километров появляется светящееся облако, распространяющееся вдоль силовой линии магнитного поля Земли. А за этим облаком, как за светящейся меткой, уже можно следить оптическими средствами и с Земли, и с самой ракеты, извлекая из этих наблюдений сведения о величине напряженности и аномалиях силового поля. Такие эксперименты, носящие название «Сполох», уже несколько лет проводятся Институтом космических исследований Академии наук при участии Института гидродинамики Сибирского отделения.
Итак, безумная идея рассматривать снаряд и броневую плиту как жидкость оказалась весьма плодотворной.
Другая не менее безумная идея в области взрыва получила название «мокрый порох». Она принадлежит уже знакомому вам инженеру Н.М.Сытому. На этот раз он пытался заставить взрываться некондиционный порох - орудийный и винтовочный.
По существу, эта мысль была неновой. Еще в 1918 году, когда кончилась первая мировая война, в разных странах на складах осталось много пороха военного производства. Срок безопасного хранения истек, и в химических, институтах искали возможность использовать его как бризантное (дробящее) взрывчатое вещество. А порох, как известно, горит, но не детонирует. В США была разработана технология для придания ему бризантности: он измельчался, перемешивался с порошком тротила и прессовался в шашки стандартных размеров для использования в горнорудной промышленности. Опыты с новыми ВВ прошли удачно, были построены заводы, к ним стали подвозить некондиционные порохи. Однако такая система «работала» недолго - на заводах стали происходить один за другим крупные взрывы, а на пароходах, подвозивших порох, - самовозгорание опасного груза. Не имели успеха и химики других стран. Все просроченные пороховые запасы были затоплены в морях и больших озерах или сожжены.
Н.М.Сытый избрал совсем иной путь, с первого взгляда абсолютно нелепый. В ведро с порохом он налил воды и стал пробовать вызвать детонацию этой пороховой каши. От нормального капсюля никакого эффекта не получилось, а вот шашка в 20-25 граммов тротила дала полную детонацию всей массы. Взрывное действие «каши Сытого» было близко к действию обычного ВВ.
Меня очень заинтересовали новые возможности мокрого пороха, и эта проблема стала на некоторый отрезок времени главной проблемой нашей лаборатории. Мы получили несколько десятков тонн порохов, списанных на уничтожение, и начали искать решение парадокса «мокрый порох не горит, но детонирует».
Качественное объяснение этого феномена оказалось очень простым. При подрыве сухого пороха образующаяся ударная волна большую часть своей энергии тратит на сжатие воздуха внутри сыпучей массы, меньшая же часть не способна вызвать детонацию следующих слоев пороха, поэтому взрыва всей массы не происходит. А при наличии в порохе воды она в силу несжимаемости удерживает давление, достаточное для инициирования следующих слоев пороха. Так возникает взрыв.
Выяснив главные свойства мокрого пороха, мы загорелись идеей использовать его для полезных дел. Было также весьма существенно, что банки с порохом в нарушение правил техники безопасности были сложены штабелями рядом с домом, где жил я с семьей.
Первым практическим применением пороха оказалось выкорчевывание огромного количества пней, оставшихся в Феофании после войны. Эта задача была решена быстро - в пне высверливали скважину глубиной 20-30 и диаметром 2 - 4 сантиметра, засыпали в нее порох, заливали его водой и производили подрыв. Пень разлетался в щепки.
Помню случай, когда Н.М.Сытый демонстрировал очередным гостям возможности мокрого пороха для уничтожения речных перекатов. Была выбрана небольшая речка, посредине которой возвышался скалистый островок, мешавший сплаву леса. На взрыв прибыло крупное начальство, была приглашена кинохроника. Один из гостей перебрался на подлежащий уничтожению островок, где уже была заложена взрывчатка, чиркал спичкой, зажигая папиросу (ведь мокрый порох не горит), а его снимал кинооператор.
Когда съемка закончилась, на скалу взобрался Н.М.Сытый, чтобы проверить, все ли в порядке, и увидел, что в зоне подготовленного к взрыву заряда вспыхнуло пламя. Это загорелась трава от брошенной спички. Молнией мелькнула мысль: мокрый порох не горит, но от огня обязательно взорвется капсюль-детонатор... Не раздумывая ни секунды, Н.М.Сытый прыгнул в реку. Когда грянул взрыв, его уже отнесло на несколько десятков метров, а островка как не бывало. Н.М.Сытого мы вытащили километром ниже живым и невредимым.
Более серьезным практическим делом была задача осушения болотистой Ирпенской поймы неподалеку от Киева. Для отвода воды нужно было прорыть много канав глубиной до одного метра. Мы предложили использовать мокрый порох, но на совещании с производителями работ были посрамлены: они неожиданно для нас доказали, что взрывной метод будет стоить вдвое дороже, чем принятый ручной. Действительно, для получения канавы нужно было проделать шпуры (ямы), заложить в них порох, в каждый шпур вложить детонатор, соединить все заряды детонирующим шнуром - все это стоило денег.
Решение оказалось тривиально простым - от многочисленных отдельных зарядов перейти к одному шнуровому заряду. Иными словами, вместо многих шнуров, начиненных порохом, надо раскопать или проложить трактором небольшую канаву и засыпать в нее порох (насыщение его водой получается автоматически). Таким образом, на километр канавы потребуется всего один детонатор, а детонационный шнур вообще не нужен.
Ирпенская пойма была осушена в несколько раз быстрее и во много раз дешевле, чем ручным способом. Таким образом, экономические соображения сослужили нам большую службу: благодаря им родился новый вид взрывных работ - шнуровые заряды.
Идея шнурового заряда получила у нас, а несколько позже и за рубежом, большое развитие - были созданы специальные цехи по производству шнуров (своеобразных «колбас») диаметром от 5 до 15 сантиметров, заполненных ВВ.
Теперь это делается так. В поле выезжает автомашина или трактор, на которой установлена внушительных размеров катушка с кабель-зарядом. В исходной точке кабель закрепляют, и машина, продвигаясь вперед, укладывает его вдоль намеченной трассы. Когда одна катушка размотана, конец первого заряда соединяют с началом второго и т.д. Если после взрыва траншея получается недостаточно глубокая, на ее дно укладывают новый шнур и повторяют операцию, пока не достигнут проектного профиля.
Шнуровые заряды, которые после взрыва дают готовые траншеи, сейчас начинают широко использоваться для осушения болот, борьбы с лесными пожарами, прокладки каналов и мелкой сети оросительных систем. Особенно перспективно их использование при создании траншей для труб газо- и нефтепроводов на дне рек и водоемов. Обычно приходится строить специальные мосты или акведуки, а в условиях Сибири, где сейчас открыты крупнейшие нефтяные и газовые месторождения, создание таких сооружений - дело весьма непростое. Подводные взрывы шнуровых зарядов позволят легко разрешить эту проблему.
Главным полем деятельности взрыва по-прежнему остается горнорудная промышленность. Здесь каждые сутки идут в дело десятки тысяч тонн взрывчатки. Вся железная руда, около тридцати процентов угля, гранит, медь, мрамор - все это и многое другое добывается с помощью взрывов. Взрывами вскрывают месторождения, дробят породы.
Проблеме разрушения породы при взрыве посвящено очень большое количество опытных и теоретических работ. Особый практический интерес представляет задача, как расположить заряд в скальном грунте, чтобы после взрыва получить куски породы определенных размеров, удобных для погрузки и транспортировки. В Институте горного дела Сибирского отделения АН СССР получены интересные результаты: для широкого класса пород установлено, как часто и каких размеров должны быть вставлены в породу заряды ВВ, чтобы после взрыва куски породы получались нужных в среднем размеров.
Не менее широкая область применения взрывов - крупные земляные и скальные работы: насыпка дамб, перекрытие рек, прокладка каналов. При производстве таких взрывных работ возникает задача перемещения некоторой массы грунта или камней в заданном направлении. Известно, что при обычном подземном взрыве, когда свободная поверхность горизонтальна, выброс грунта в стороны происходит равномерно относительно оси воронки выброса. Если же поверхность наклонена, то большая часть грунта выбрасывается в направлении, перпендикулярном к поверхности. В практике этим пользуются для усиления направленности выброса.
Взрыв, производится в два приема. Сначала взрывается один небольшой заряд, создавая новую обнаженную поверхность, имеющую больший наклон к горизонту, чем первоначальная. Затем взрывается основной заряд, который выбрасывает грунт в желаемом направлении.
Один из самых больших взрывов такого типа. был произведен в районе Алма-Аты в 1967 году при создании противоселевой плотины в урочище Медео на реке Алмаатинке. О нем стоит рассказать подробнее.
Как известно, в весеннее и летнее время в горах при таянии снегов часто образуются грязекаменные потоки - сели, принимающие иногда катастрофический характер. Особенно опасно, когда вода, скапливаясь перед снежной плотиной где-то в верховьях горных потоков, образует озеро. В какой-то момент снежная плотина не выдерживает и рушится, и огромная масса воды в миллионы кубометров, несущая каменные глыбы, устремляется вниз по долине речки. Мощность водокаменного потока огромна. За последние сто лет сели трижды доходили до Алма-Аты, причиняя городу большие беды. Возникновение селя может быть вызвано и сейсмическими толчками, даже сравнительно слабыми, которые в горных районах случаются достаточно часто.
В 1962-1963 годах показания Гидрометслужбы и сейсмических станций стали тревожными - ожидались крупные сели. Взрыв был единственным методом быстро создать плотину на пути селя и защитить город.
Руководитель Союзвзрывпрома, видный советский взрывник, предложил создать плотину двукратным взрывом. Однако масштабы операции были небывалые, к расчетам подключились академик М.А.Садовский со своими молодыми помощниками и мои молодые сотрудники. Совет Министров и ЦК партии Казахской республики поддерживали проект, но ряд академиков Казахской академии наук и ученые разных специальностей выступили в печати с резкими возражениями. Говорили и писали о том, что предполагаемый взрыв 10 тысяч тонн взрывчатки сам по себе опаснее селя. Экспертиза была поручена Научному совету по народнохозяйственному использованию взрыва.
Совет собирался несколько раз в академгородке и Москве, между заседаниями проводились подсчеты разных вариантов расположения ВВ и возможные сейсмические, фугасные, дымовые (то, чего больше всего боялись противники взрыва) последствия. По приглашению первого секретаря ЦК партии Казахстана товарища Д.А.Кунаева руководство совета несколько раз собиралось в Алма-Ате, в совещаниях участвовали также противники взрыва.
На решение взрывать сильно повлиял сель, происшедший в районе озера Иссык в 70 километрах от Алма-Аты. Дело было так. В воскресенье 7 июля 1963 года на озеро приехал один из руководителей республики с гостями. У причала их ожидал катер для поездки на другую сторону озера, чтобы показать гостям построенные там дома отдыха. Катер был наготове, но водитель куда-то отлучился. Пока его ждали, со стороны гор раздался гул и грохот - это шел сель. Стало ясно, что гостей надо немедленно увозить. Через несколько минут после их отъезда в озеро вошел грязе-каменный селевой поток. Озеро переполнилось, в естественной каменной плотине, подпиравшей озеро, образовалась промоина, и новый селевой поток вместе с водой озера пошел вниз по ущелью. Находящийся в конце ущелья районный центр Иссык сильно пострадал, но жертв там не было - жители были предупреждены о надвигающейся опасности.
Вскоре Д.А.Кунаев снова вызвал нас и запросил дополнительные данные о безопасности взрыва, с тем чтобы принять окончательное решение. Для проверки в районе, близком к будущей плотине, был произведен модельный взрыв. В спешке мы забыли обеспечить себе укрытие и во время взрыва попали под редкий, но все же каменный дождь из камешков от 10 до 100 граммов - все старались голову вобрать в плечи и защитить ее руками... Результаты модельного взрыва были убедительными, и было принято окончательное решение - взрывать.
Взрыв произвели летом 1967 года. Мы стояли на горе и видели все от вспышки огня до раздробленной каменной массы, отделившейся от склона и завалившей ущелье. Все это мы наблюдали из укрытия, хотя камни на этот раз до нас не долетали.
Первая серия зарядов отколола от горы стометровую полосу и «уложила» ее в основание плотины. Этот взрыв образовал новый, более крутой склон, подготовив условия для взрыва второго, основного заряда. Теперь уже в воздух взлетел раздробленный гранитный массив толщиной 200 и длиной 100 метров. Когда облака пыли и дыма рассеялись, ущелье уже было перегорожено плотиной высотой около 60 метров, шириной в основании 500 метров и объемом 3 миллиона кубометров.
Через семь лет после сооружения плотины, весной 1973 года, по алма-атинскому ущелью прошел сель по мощности больший, чем все прежние, он нес валуны весом до 120 тонн. Все построенные выше плотины селевые ловушки были сметены. Селехранилище, образованное плотиной и рассчитанное на сто лет, заполнилось почти на три четверти. Водоотводные трубы были забиты, уровень озера неуклонно поднимался, началось просачивание воды через плотину.
Из Москвы была срочно вызвана комиссия: от науки были М.А.Садовский и я. Мы очень жалели, что с нами нет главного создателя плотины М.М.Докучаева. На плотине собрались во главе с Д.А.Кунаевым руководители республики, представители промышленности, строители плотины, военные и ученые. Главный вопрос: выдержит ли плотина напор миллиона кубометров грязи? Хотя почти все были уверены, что выдержит и что просачивание тоже не страшно, так как это обыкновенная фильтрация через каменную наброску, были предприняты меры по спуску воды из озера через трубы. Здесь исключительную организованность и культуру проявили военные. Через два дня можно было спокойно ехать домой.
Несколькими годами позже с помощью взрыва была создана Байпазинская плотина, перекрывшая стремительную горную реку Вахш, и создано искусственное водохранилище.
Недавно я с большим интересом прочитал в «Правде» статью гидростроителя из Ташкента Э.Авакова «Взрыв строит плотину». Я узнал из нее о новых проектах сооружения плотин с помощью взрыва.
Наиболее привлекательно сооружение гидростанций в горах. Здесь большие уклоны рек обеспечивают высокий напор воды, водохранилища затапливают не плодородные земли, а дикие горные ущелья. А соорудить плотину в ущелье как раз очень удобно с помощью взрыва, выбрав для створа узкий каньон с высокими каменными стенами.
Специалисты Среднеазиатского отделения института Гидропроект имени С.Я.Жука, обследуя с вертолетов глубокие долины рек Памира и Тянь-Шаня, обратили внимание на глубокое ущелье реки Нарын в Киргизии, В этом месте, получившем название Карабахского створа, по бокам ущелья поднимаются мощные каменные возвышенности. Здесь можно с помощью взрыва в считанные секунды образовать набросную плотину высотой 250 метров. Проектировщики подсчитали, что при направленном взрыве, который отколет породы от стен ущелья, поднимет их в воздух и насыплет из них плотину, можно сэкономить более ста миллионов рублей.
Однако не будет ли такая плотина, представляющая собой груду каменных глыб и обломков, слишком проницаема для воды? Ведь в практике гидротехнического строительства каменно-набросные плотины снабжаются специальными противофильтрационнымн экранами из суглинка, бетона и других материалов. В то же время в природе встречаются естественные плотины - каменные завалы, которые десятилетиями и столетиями удерживают напор горных озер. Таков, например, Усойский завал на Памире высотой 700 метров, образованный горой, рухнувшей в долину реки Мургаб в 1911 году. Он уже более полувека подпирает огромное Сарезское озеро.
Инженеры все же решили изучить подробнее механизм образования плотины из горной массы. Э.Аваков описывает это так: «Разрушив гранитные породы бортов ущелья, взрыв поднимает их в воздух. Рухнув на землю, обломки скалы испытывают значительное динамическое сжатие, раскалываются, рассыпаются. Под огромной тяжестью горной массы породы продолжают дробиться, перетирают друг друга, крошатся на мелкие части, которые заполняют пустоты между более крупными фракциями. Размещение зарядов, их сила и направление рассчитываются таким образом, чтобы обрушение бортов ущелья обеспечивало равномерную и плотную укладку горной массы по всему контуру плотины. Так образуется прочная водоудерживающая конструкция».
Как мы видим, взрыву здесь доверяется уже более точная работа - уложить каменную массу определенным образом. Это еще раз показывает, как важно обеспечить полную направленность взрыва. Исследования на эту тему ведутся давно. Нам в Институте гидродинамики удалось найти принципиально новый способ, обеспечивающий стопроцентную направленность выброса грунта. Мои ученики В.М.Кузнецов и Е.И.Шер (оба выпускники физтеха) высчитали, каким должно быть расположение зарядов ВВ, чтобы после взрыва заданная масса (будь то вода или песок, глина или гранит) полетела в заданном направлении как твердое тело.
Помню как был поражен приехавший к нам М.М.Докучаев, когда увидел результаты экспериментального взрыва: траншею, по одну сторону которой аккуратной полосой лежал грунт, а по другую сторону сиял белизной нетронутый снег...
Эта схема зарядов была реализована при некоторых земляных работах, а также при создании вихревых колец, о которых я еще расскажу.
Глубокое знание механизмов взрывных процессов нужно еще и потому, что возможные масштабы взрывов стремительно растут. На мой взгляд, громадное будущее имеет мирное использование ядерных взрывов. Они могли бы стать одним из могучих рычагов прогресса.
С их помощью можно проводить крупные земляные работы в гигантских масштабах. Например, американские специалисты предлагали взрывами ядерных зарядов проложить вторую «нитку» Панамского канала и открыть по нему непрерывное двустороннее движение. Для нас было бы очень выгодно вскрыть мощными взрывами ряд крупнейших месторождений полезных ископаемых и приступить к их открытой разработке.
Это особенно привлекательно в условиях Сибири, где месторождения расположены, как правило, в пустынных районах и на время взрыва пришлось бы эвакуировать не много людей. В то же время освоение этих месторождений традиционными методами потребует гораздо больше усилий и времени. А ядерный взрыв может сразу вскрыть, скажем, рудное тело на большой территории. Естественно, подрываться должны специальные - чистые - заряды, которые не дают остаточной радиации.
Кроме того, ядерные взрывы, если говорить о «геологических» аспектах их использования, могли бы быть очень полезны при тушении пожаров на нефтяных и газовых скважинах, когда с ними нельзя справиться обычными методами. Есть мнение, что подземные ядерные взрывы помогут интенсифицировать добычу нефти и даже заставить работать уже заброшенные скважины.
Увлекательные перспективы открывает использование ядерных взрывов для создания искусственных плотин, перекрытия русл рек, образования искусственных водохранилищ. Практически мы могли бы менять рельеф планеты во многих местах по желанию человека и сделать нашу землю гораздо более удобной для жизни.
Но, конечно, здесь нужно будет «отмерить» не семь раз, как в пословице, а все 77 раз, прежде чем «отрезать».
|
