К 1967 году волгоградцы уже успели подзабыть ужасы войны, но однажды эхо Сталинградской битвы их догнало — над мирным городом разнёсся жуткий грохот. Виновницу загадочной канонады нашли быстро: на Мамаевом кургане как раз достроили, ещё не успев официально открыть, памятник «Родина-мать зовёт!» Неужели жителям теперь придётся вечно слушать этот «хеви-метал»?!

Рождение шумной женщины

Идея увековечить Сталинградскую битву возникла почти сразу после её окончания. Объявленный в сентябре 1944 г. открытый конкурс вызвал ажиотаж как среди профессиональных архитекторов, так и у фронтовиков, присылавших свои эскизы порой на отбитой у Вермахта бумаге. Встречались удивительные проекты, например, упаковать в памятник весь город: возрождённый из пепла Сталинград стал бы гигантской жилой пирамидой, увенчанной флюгером в форме земного шара, а снизу циклопическими арками попирающей Волгу. Однако соревнование оказалось опереточным — будущий победитель в нём не участвовал.

С началом войны маститый уже скульптор Евгений Вучетич ушёл добровольцем на фронт, в жернова битвы за Москву. Когда немцев отогнали от столицы, командование стало переводить «творческих» бойцов с передовой в художественные мастерские, где толку от них больше. Вучетич попал в Студию военных художников имени М. Б. Грекова, где ваял бюсты Ленина, Сталина, исторических и современных полководцев. Там он познакомился с генералом Василием Чуйковым — командиром той самой 62-й армии, что удушила немцев на руинах Сталинграда. Оба после победы оказались в Берлине: Чуйков дошёл до него вместе со своим войском и занимал командные должности в оккупационной администрации, а под руководством Вучетича рождался мемориальный комплекс в Трептов-парке. В столице поверженного Рейха идея «Родины-матери» выкристаллизовалась у скульптора и сразу получила поддержку полководца.

Но Сталинграду пока не до монумента: город лежит в руинах. Для его восстановления не хватает ни материалов, ни техники, а тут ещё страшное обстоятельство: где ни копни бедолажную землицу, обязательно наткнёшься на труп, каждому строительному котловану сопутствует перезахоронение тысяч тел. Лишь в конце 50-х после десятилетнего хождения по инстанциям проекту зажёгся «зелёный свет», и тут сумятицу внёс сам Вучетич. Он сначала задумал двухфигурный памятник: солдат кладёт меч к ногам мирной женщины, — а поразмыслив, решил, что надо лаконичнее, и вообще в 1943 году ещё не пришла пора прощаться с оружием. Солдат из проекта исчез, женщина перестала быть мирной и подняла разящий металл в небо… пока не очень высоко. А когда были выполнены все расчёты и подготовлена стройплощадка, с «верхов» пришло указание: «Родина-мать» должна стать самым высоким изваянием человека в мире, переплюнув заокеанскую статую Свободы. Фигура выросла с 36 до 52 метров, сообразно увеличился и меч, под очередные тысячи тонн пришлось усиливать фундамент.

Воплощением идей Вучетича занимался Николай Никитин — блестящий инженер, сделавший железобетон гегемоном строительной отрасли страны советов. В Сталинграде-Волгограде простецкий материал проторил дорогу и в монументальное искусство: денег на мрамор и гранит отчаянно не хватало, а пышно оформить восстающий из пепла город очень хотелось. Преимущественно железобетонной стала и «Родина-мать». Никитин применил то же конструктивно-технологическое решение, что и на Останкинской телебашне, над которой он работал одновременно: полое внутри сооружение стягивались воедино 99 стальными тросами. Причём «Родина-мать» не заякорена к земле намертво, а свободно стоит на фундаменте, как шахматная фигура на доске, удерживая равновесие благодаря тщательно рассчитанному распределению масс.

«Официальные» строительные организации отказались брать ответственность за проект сооружения невиданной геометрии, поэтому Совмину РСФСР пришлось «узаконить» хозрасчётную группу из девяти человек, собранных Никитиным с бору по сосенке — конструкцией «Родины-матери» они занимались в свободное от основной работы время. Стройплощадку заложили в 1959 году с планом завершить монумент к 20-летию Победы. Но шесть лет спустя на Мамаевом кургане ещё конь не валялся, а перестраховщики из Госстроя рекомендовали в очередной раз усилить фундамент, дабы скульптура ненароком не захотела спуститься с вершины. Над Вучетичем и Никитиным потихоньку сгущались тучи, а тут ещё этот меч…

Гром среди ясного неба

Меч нагружает вытянутую руку «Родины-матери» огромной перерезывающей силой и изгибающим моментом от своего веса, посему он должен быть максимально лёгким — явно не бетонным. А где особо ценятся лёгкие конструкции? Конечно, в небе! Никитин поступился любимым материалом в пользу не просто авиационных технологий, а новейших авиационных технологий. Каркас из нержавеющей стали представлял собой типичный для фюзеляжей самолётов продольно-поперечный набор из стрингеров и шпангоутов. К нему приваривались листы обшивки из титанового сплава.

«Кузницей» был выбран Тушинский машзавод (ТМЗ): с 1964 г. там как раз шла технологическая подготовка производства «суперсамолёта» Т-4 (изделие 100), имеющего аналогичную новаторскую конструкцию из нержавейки и титана. ТМЗ получил с Ржевского завода аппараты для точечной, роликовой и аргонно-дуговой сварки титана, был модернизирован и парк металлорежущих станков — титановые сплавы вообще тяжело поддаются обработке резаньем. Сварка титана была в нашей стране делом абсолютно новым, и в Тушине не только разрабатывали её технологию, но и совместно с отраслевыми институтами выявляли и исправляли «косяки» самих сплавов — поначалу из-за большого количества вредных примесей швы шли трещинами. Габариты заготовок под детали и деталей под термообработку тоже были доселе невиданными. Я нигде не находил конкретной информации, но вполне вероятно, что в качестве «подопытной свинки» при освоении технологий будущего ракетоносца использовался именно волгоградский клинок.

В конструкции Т-4 применены титановые сплавы ОТ-4, ВТ-14М, ВТ-16, ВТ-20, специально под него был разработан новый материал ВТ-22. Коррозионностойкие (нержавеющие) стали представлены марками ВНС-2 и ВНС-5. Это весьма дорогие материалы, а на «Родине-матери» некоторые их свойства, например, высокая прочность при температуре в сотни градусов, остались невостребованными. Однако мне всё же кажется, что использовали именно что-то из них: едва ли применение нержавейки и титана попроще (а совсем «копеечных» среди них нет) окупило бы очередную корректировку технологии под единичное изделие. Да, конкретных марок материалов клинка я нигде не нашёл — полагаю, это был титан ОТ-4 (из перечисленных вроде бы только он выпускался в листах) и сталь ВНС-2, которая имеет незначительные деформации при сварке и не требует последующей термообработки, что для огромных частей меча, конечно, очень важно.

Клинок длиной 33 метра весил 14 тонн. Казалось, когда «Родина-мать» возьмёт его в руку, стройка выйдет на финишную прямую. Не тут-то было. Женская фигура вовсе не стоит в одиночестве, как можно подумать, глядя на неё издалека. На Мамаевом кургане рос целый мемориальный комплекс: Зал воинской славы с мозаиками и огромным вечным огнем, площадь Стоявших насмерть с монументальной композицией, скульптурные группы, барельефы, братские могилы, парки и аллеи… всё это впопыхах доделывали к 50-летию Октябрьской революции.

А когда работы уже катились к завершению, над Волгоградом раздался скрежет, гул и грохот. Источник переполоха очевиден: в ветреную погоду «Родина-мать» потряхивала мечом, будто кому-то грозила. Эдакая агрессивность дорого стоила монументу: знакопеременные нагрузки расшатывали клинок и нашли-таки в его ультрасовременной конструкции слабое место – сварные соединения обшивки и каркаса. Они разрушались, титановые листы при очередных колебаниях меча хлопали и скрежетали друг об друга. Громкие звуки резонировали в полой конструкции и с господствующей высоты разносились далеко над городом, пробуждая у тех волгоградцев, кому за тридцать, очень нехорошие воспоминания. Трескался и крошился бетон, «уставали» тросы — если ничего не сделать, то руку скульптуры попросту оторвёт.

Никитину и его конструкторам не позавидуешь: все шишки валятся на них, ведь ошибка в проекте совершенно явная. Чтобы всё починить, нужны кропотливые исследования, но об очередном переносе открытия не может быть и речи. «Решение» оказалось в духе времени: проектировщики под свою ответственность гарантировали, что несколько лет монумент простоит, в чём сами они уверены не были; хлопающие листы подваривали прямо на высоте, пошедший трещинами бетон залили эпоксидной смолой. 15 октября 1967 года памятник-ансамбль «Героям Сталинградской битвы» торжественно открыт в присутствии всего военного и политического бомонда страны. «Родина-мать» занесла над городом меч, и меч этот был дамокловым.

Фехтование с ветром

Он так хотел бы остаться твёрдым

Во избежание дурной молвы

Но вправо-влево крутится, увы

А. Макаревич (признан в РФ иноагентом)

Оторванные титановые листы и трещины в железобетоне, при всей своей опасности, лишь симптомы, а лечить надо «болезнь» — раскачку клинка порывами ветра с недопустимо большой амплитудой. В публикациях иногда утверждают, что сие явление близко к флаттеру — резонансным колебаниям крыла самолёта, способным в считаные мгновения разрушить летательный аппарат. На Мамаевом кургане картина получалась не столь катастрофическая, но кое в чём даже посложнее.

Силы от веса меча и действующего на него ветра уравновешиваются упругостью железобетонной длани. Казалось бы, чем крепче ветер, тем сильнее деформируется рука (хотя невооружённым глазом это всё равно не заметно), тем мощнее сила, противостоящая стремлению меча из неё вырваться. Сам по себе клинок тоже обладает упругостью и гнётся под натиском стихии. Всё бы хорошо, будь нагрузки постоянными или хотя бы меняющимися медленно: напряжения и деформации тогда тоже бы не «скакали», не разбалтывали титановые листы, не покрывали бетон морщинами трещин, не накапливали усталость в тросах и арматуре. Но ветер бывает и порывистым, а клинок даже при ровном ветре не обтекается плавно, как крыло самолёта.

Меч представляет собой высокую пирамиду с основанием в виде ромба, на всю его длину тянутся плохообтекаемые рёбра. Обходя их, поток отрывается от поверхности и закручивается в мощные вихри, образующие за подветренной стороной спутный след. По мере закручивания и срыва вихревых жгутов нагрузки меняются, к тому же с разных сторон вихри сходят в разные моменты времени, ибо их отрыв – это случайный процесс. В результате сила, действующая перпендикулярно вектору скорости (в авиации она известна как подъёмная), меняется и по величине, и по направлению, дёргая меч то в одну, то в другую сторону. Такие колебания называются эоловыми, в честь Эола — повелителя ветров из древнегреческой мифологии. Их направление контринтуитивно: меч колышется не как парус, а поперёк ветра.

Добавляют перца и силы инерции. Допустим, на меч подействовало что-то вроде дельта-функции — короткий, но достаточно сильный ветровой порыв. Потревоженная им многотонная конструкция продолжит двигаться по инерции, увеличивая деформацию руки, а значит и напряжения в ней. Сила упругости руки в конце концов остановит меч и, не будучи уже ничем уравновешенной, потащит его назад. К точке равновесия она уменьшится до нуля, но меч, опять же по инерции, полетит дальше, изгибая руку в другую сторону. То есть, один порыв ветра вызывает целый колебательный процесс с собственной частотой, который постепенно затухнет, рассеивая энергию в основном на постепенное разрушение бетона и металла. У линейных колебаний амплитуда убывает по экспоненте. Её показатель называется логарифмическим декрементом затухания — чем он больше, тем быстрее тряска успокоится. У бутафорского клинка, представляющего собой лёгкую тонкостенную конструкцию, декремент очень мал — колебания затухают медленно. В рассмотренном случае успокоившийся воздух оказывает сопротивление движению клинка, то есть демпфирует колебания, немного ускоряя их затухание. Но случай этот сугубо теоретический — в реальности одним порывом дело не ограничивается, и ветер продолжает непрестанно раскачивать оружие.

Из-за нестационарного срывного обтекания меч трясётся даже при отсутствии порывов. Более того, именно ровный ветер средней силы и оказался самым тяжёлым («расчётным») случаем: при его скорости 8…12 м/с частота эоловых колебаний совпадает с собственной частотой конструкции по первому тону. Такое явление называется ветровым резонансом и приводит к резкому росту амплитуды взмахов и напряжений в металле. Когда поток дул в плоскости меча, тот раскачивался в направлении малой диагонали сечения (т. е. поперёк плоскости) с амплитудой до 150 мм. В масштабах сооружения как будто немного, однако достаточно, чтобы медленно убивать конструкцию. Хотя, что значит «медленно»… усталостные напряжения в металле и бетоне подошли к критической черте, когда монумент ещё даже не открыли!

Устранить раскачку полностью невозможно: ветер воздействует даже на приземистые сооружения, — но всему мера и число. Самый простой способ её обуздать — сделать меч поскромнее размерами, уменьшив его парусность и инерцию. Но «Родина-мать», зовущая в атаку с перочинным ножичком, едва ли передаст весь пафос битвы. Проблему надо решать не в лоб, а более изящно, но у архитекторов для этого нет опыта — даже у Николая Никитина, даром что он на ветровое воздействие ещё Дворец Советов обсчитывал. Скорее всего инженер проглядел надвигавшуюся беду, потому что сколь угодно высотные здания, с коими он до того имел дело, всяко жёстче разлапистой скульптуры и её грозного оружия с тонкой скорлупкой, и в резонанс не входят в принципе. Обжегшись на авиационных технологиях, Никитин был вынужден обратиться к авиационным методикам исследований и специалистам. Последние в шутку предложили дать женщине в руку гранату, но времени на шутки уже почти не оставалось.

Укрощение меча

Проблемой занялись учёные Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), из НИО-19 — отделения норм прочности, нагрузок и аэроупругости, чьим начальником тогда был Г. М. Фомин. Непосредственно укрощением меча руководил А. Н. Луговцов, в нём участвовали Л. Х. Блюмина, И. М. Беспрозванная, М. Я. Гембаржевский, Г. А. Белов и другие. Аэродинамические исследования архитектуры тогда ещё только входили в практику, но у НИО-19 накопился неплохой опыт по расчётам ветровых нагрузок на очень своеобразные высотные сооружения — стоящие на старте баллистические и космические ракеты. Самой большой из них была «лунная неудачница» Н-1 высотой (вместе с кораблём Л-3) более 105 метров.

Группа командированных специалистов наблюдала поведение меча непосредственно на месте. Техник Эмилия Сычёва пролезла более тридцати метров вверх внутри тесной конструкции — мужчинам там не развернуться — по примитивной «палочной» лестнице без всякой страховки, дабы установить вблизи верхушки клинка акселерометры, замерившие амплитудно-частотные характеристики колебаний, и даже звукозаписывающую аппаратуру.

Основной же массив информации дали эксперименты в аэродинамических трубах — тех же, в которых продувают самолёты. Исследования начали с двух малых моделей в масштабе 1:10 с разной жёсткостью конструкции и параметрами набегающего потока при испытаниях. Их продувки дали хорошую сходимость с «натурой» и позволили уточнить суть явлений. Как побороть колебания, выясняли на конструктивно-подобной модели масштаба 1:2,5, испытанной в самой крупной в Европе аэродинамической трубе Т-101. В открытую рабочую часть ставили модель, а перед ней на выходе из конфузора иногда натягивали три троса, на которых трепыхались плащ-палатки — они делали поток неравномерным, имитируя приземный ветер. Скорость варьировали от 7,5 до 30 м/с. Энергичнее всего модель колебалась не при соответствующей жестокому шторму максимальной скорости, а всего на 10 м/с, когда она, отлично согласуясь с данными «натуры», входила в ветровой резонанс. Амплитуда колебаний составляла 55 мм — тоже хорошее совпадение с поправкой на масштаб, — а динамические напряжения в конструкции оказались в 3…5 раз больше допустимых по условиям усталостной прочности.

Цаговцы разработали два способа борьбы с автоколебаниями. Аркадий Иванович Луговцов предложил установить в кончик меча груз, связанный с конструкцией пружинами и пневмодемпферами. Ход демпферов и жёсткость пружин настраивали таким образом, чтобы частота вынужденных колебаний этого маятника совпадала с собственной частотой колебаний меча, а запаздывание равнялось полупериоду. Тогда меч и груз трясутся в противофазе, и груз постоянно отбирает у меча энергию, в несколько раз увеличивая логарифмический декремент затухания первого тона колебаний.

Второй способ сугубо аэродинамический: под рёбрами клинка прорезали сквозные отверстия, так называемые «шлюзы» — воздух мог проходить через них, минуя плохообтекаемые углы. Они снижали стационарную аэродинамическую силу, выравнивая давления на наветренной и подветренной сторонах меча, и разбивали сходящие с рёбер крупные вихри на более мелкие, слабые и высокочастотные — вклад каждого из них в действующие на клинок нагрузки меньше, а значит меньше и переменная компонента. На наиболее опасных режимах «шлюзы» срезали амплитуду более чем в два раза. Изначально они представляли собой множество маленьких каналов круглого сечения, затем по предложению молодого инженера Геннадия Белова их заменили на параллельные рёбрам продолговатые щели — те оказались не только эффективнее, но и эстетичнее, поскольку их пропорции подобны самому клинку.

После установки демпфера меч стал заметно меньше трястись, но было уже поздно — в конструкции накопились усталостные дефекты. В 1972 г. старый клинок был демонтирован, а его место занял новый, изготовленный волгоградским заводом «Красный Октябрь» [7] на сей раз целиком из стали. Он получил 24 щели-«шлюза» шестью рядами на 70…90% длины клинка. В пяти метрах от кончика повесили демпфер весом 1,7% массы конструкции, то есть порядка 200…300 кг. В итоге максимальная амплитуда колебаний клинка вдоль большой диагонали снизилась впятеро, вдоль малой — втрое.

Опыт продувок меча в ЦАГИ пригодился практически сразу — при проектировании стометрового штыка-обелиска на мемориальном комплексе «Брестская крепость». Судя по всему, перипетии волгоградского монумента в целом способствовали внедрению аэродинамических исследований в отечественную архитектуру. Сейчас они уже в меньшей степени требуют дорогостоящих экспериментов — достаточно мощного кластера и программного пакета вычислительной гидродинамики (CFD). Хотя не всех учат ошибки прошлого. Меч «Родины-матери» сам по себе больше не трясётся, но весьма иронично, что устремлён он в сторону «танцующего моста», который пришлось спасать уже новому поколению специалистов НИО-19.

Автор: Иван Конюхов

Оригинал