2015-10-22
3625
Электроэнергетика, металлургия, химическая промышленность и горное дело как основа технических и технологических прорывов первой половины ХХ в. Характерной особенностью развития техники в междувоенный период было широкое применение электричества во всех отраслях производства. Одним из главных направлений развития электроэнергетики в ХХ в. стало повышение экономичности электростанций, чему в значительной степени способствовало районирование тепловых электростанций, на которых централизуется производство электроэнергии для нужд целых районов.
В электроэнергетике начинается строительство теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Переход от конденсационных электростанций к ТЭЦ наряду с процессом повышения начальных параметров пара был значительным шагом вперед в области повышения экономичности всей паротурбинной установки. ТЭЦ производит вместе с электроэнергией тепло для производственных и коммунально-бытовых нужд за счет того, что оно, отработав в турбине, используется впоследствии в отопительных системах зданий или в технологических процессах на производстве.
Еще одной особенностью развития электроэнергетики с середины 1930-х гг. было повышение роли гидроэлектростанций, которые намного экономичнее тепловых. Себестоимость электроэнергии, произведенной на них, в 4 раза ниже, чем на тепловых.
С 1927 по 1932 г. в г. Запорожье (Украина) шло строительство первой очереди крупнейшей на то время электростанции в Европе – ДнепроГЭС. Ее мощность составила 650 МВт. В 1936 г. в США в Черном каньоне р. Колорадо на границе штатов Невада и Аризона было сооружено крупнейшее гидротехническое и энергетическое сооружение Америки – дамба Гувера. Для отвердевания и охлаждения бетона, из которого изготовлена плотина, имеющая размеры: высоту 221,4 м, ширину – 200 м, длину – 379,2 м, было применено ряд оригинальных технических решений. Так, охлаждение слоев бетона осуществлялось при помощи труб дюймового сечения, по которым подавалась вода. Если бы этого не было сделано, то отвердевание такой массы бетона в условиях пустыни продолжалось бы более 100 лет.
Начинается создание линий распределительных сетей районных станций. Так, уже в 1927 г. их общая протяженность в США составляла около 80 тыс. км. Эти изменения в электроэнергетике повлияли на развитие производства электроаппаратуры (выключатели, предохранители, конденсаторы и проч.).
В 40-х гг. ХХ в. расходы железа и его сплавов составляли около 93% всех применяемых материалов. Важное значение получило производство высококачественной стали, которая имела не только высокие механические, но и специальные физические свойства. В сталь начали вводить легирующие элементы: марганец, вольфрам, никель, молибден, ванадий, кобальт, титан. Особое значение приобрели электротехнические кремниевые стали, которые начали применять для производства генераторов и трансформаторов. Для получения жаростойких сплавов и нержавеющей стали начали использовать хром. Эти сплавы были способны выдерживать температуру до 1200°С.
Первые удачные попытки обогащенного кислородом дутья были осуществлены еще накануне Первой мировой войны в Бельгии на заводе Угре-Мари, когда в домну добавляли 23% кислорода. Применение кислородного дутья было началом новой эпохи в металлургии – объединением ее с химической промышленностью и промышленностью строительных материалов. Газы и шлаки, образующиеся при металлургическом производстве, являются сырьем для производства цемента, искусственного жидкого топлива, синтеза аммиака.
В первой половине ХХ в. значительно возрастает использование редких металлов: германия, циркония, ниобия, тантала, а также радиоактивных, рассеянных элементов, увеличивается выпуск металлов высокой чистоты для обеспечения электроники, радиотехники и ракетостроения. Характерной чертой развития цветной металлургии являлось производство алюминия и магния, а впоследствии и титана, что было вызвано развитием авиационной промышленности. Кроме того, начиная с 1920-х гг., алюминиевые сплавы все чаще начинают использовать в автомобилестроении, судостроении, при строительстве железнодорожных локомотивов и вагонов. Широкое применение алюминий получил также в электротехнике.
В междувоенный период происходят значительные сдвиги в металловедении. Решающую роль стало играть применение новых средств изучения металла, в частности рентгеновских лучей, для исследования атомно-кристаллического строения металлов и сплавов. С помощью рентгенографических методов исследования было доказано, что свойства металлов зависят от строения кристаллической решетки, то есть от четко определенного порядка, в котором располагаются атомы твердого тела.
Первые отдельные определения кристаллической решетки меди, алюминия и магния были сделаны еще в годы Первой мировой войны. В 1921 г. значительные работы в этой области были проведены шведскими учеными Арне Вестгреном и В. Фрагменом, которые изучали атомно-кристаллическое строение различных сортов железа. Эти исследования послужили началом развития рентгеноструктурного анализа. В результате исследований была изучена не только атомная структура большинства металлов и сплавов, но и определены изменения атомного строения кристаллической решетки при закаливании и пластической деформации, а также сформулированы новые положения, существенно изменившие представления о природе сплавов.
Развитие авиации и автомобилестроения привело к росту спроса на продукцию химической промышленности (топливо, масла, новые материалы). На заводах немецкого концерна IG «Farbenindustrie» было налажено производство синтетического бензина. Для Германии это было крайне важно, поскольку собственной нефти практически не было, а импортированная удовлетворяла только минимум потребностей в производстве высокооктанового авиационного бензина и масел. Кроме того, за несколько месяцев до нападения на Польшу в Германии был налажен выпуск синтетического каучука.
Развитие химических технологий позволило практически использовать природные полимерные материалы, в том числе и наладить производство искусственного волокна на основе целлюлозы (нитроцеллюлоза, вискоза, ацетилцеллюлоза). Значительный интерес появился к пластическим массам, резине, синтетическому каучуку. Большие сдвиги были сделаны и в области производства синтетических красителей и фармацевтических препаратов.
Особенность горного дела в первой половине ХХ в. заключалась в том, что быстрыми темпами росла электрификация и механизация шахт, осуществлялся переход к использованию открытых работ, происходило внедрение новых методов разработки месторождений. На развитие угольной, нефтяной и газовой промышленности влияли изменения мирового топливно-энергетического баланса. Так, если в 1900 г. удельный вес каменного угля в мировом энергетическом балансе составляла 90%, бурого угля – 4% и нефти – 3,5%, то в 1932 г. доля угля сократилась до 76%, а нефти и природного газа выросла до 22%. Мировая добыча нефти в 1938–1950 гг. выросла в два раза.
Повышение спроса на нефть вследствие развития авиации и автомобилестроения привело к принципиальным изменениям в геофизических методах поиска полезных ископаемых. Так, в магнитометрии начинают применять магнитную съемку с самолета. Она заключалась в измерении количества вертикальной составляющей земного магнитного поля с помощью аэромагнитометра, изобретенного советским ученым Александром Логачевым. Приобретает также распространение гравиметрическая разведка, которая применяется при поиске нефтяных месторождений для выявления соляных залежей, которые их сопровождают.
В геофизических работах внедряется сейсмография, использующая метод отраженных волн. С помощью взрыва на поверхности вызывают колебания, распространяющиеся в толщу горных пород, которые имеют различные характеристики упругости. Отраженные сейсмические волны возвращаются к поверхности и регистрируются сейсмографами. В частности, работы с использованием сейсмометрии в 1926 г. проводились в Криворожском бассейне в Украине.
В нефтяной промышленности распространилось разведочное бурение. В 1922 г. советский ученый Матвей Капелюшников создал забойный двигатель – турбобур. Принцип его работы заключался в преобразовании гидравлической энергии нагнетающейся в скважину воды в механическую энергию вала турбобура. Турбина (двигатель) располагается непосредственно в забое скважины, благодаря чему не нужно тратить мощности на вращение колонны бурильных труб. В 1938 г. инженеры Н. Александров и А. Островский разработали электробур, а в следующем году П. Шумилов, Р. Иоаннесян, Е. Тагиев, М. Гусман создали многоступенчатый турбобур.
В нефтедобыче в междувоенный период возрастает интенсификация использования месторождений с помощью химической (кислотной) обработки скважин. Суть метода заключалась в нагнетании в скважину соляной кислоты, которая уменьшает сопротивление продвижению нефти. Такой метод получил распространение в 1920-х гг. В 1946 г. он был усовершенствован: в забой скважины начали подавать кислоту, нагретую до 80–100°С. Метод торпедирования состоял в том, что в забой скважины закладывался заряд взрывчатки. После взрыва в слоях породы образовывались трещины, по которым нефть из пласта попадала в забой скважины.
За первую половину ХХ в. значение природного газа в мировом топливном балансе возросло с 1% до 11%. Для решения проблемы хранения его больших объемов в местах потребления стали использовать естественные пещеры или старые горные выработки. Газ закачивали туда под давлением в 70 атм. и он вытеснял грунтовые воды. Во Франции таким образом было построено хранилище на 290 млн3.
Вследствие уменьшения удельного веса угля в топливном балансе строительство шахт в европейских странах и США в междувоенный период было невелико. До 1945 г. для их строительства применялась только одна технологическая схема – последовательная, когда ствол шахты проходили участками 20–30 м с установкой временного крепления. Затем работы по углублению прекращались и на участке сооружались постоянные крепления.
Начало механизации добычи угля, как и большинства других полезных ископаемых, значительно опоздало по сравнению с обрабатывающей промышленностью. До Первой мировой войны механизация подземных работ получила распространение только в США. В других странах она началась только в междувоенный период под влиянием конкуренции на топливном рынке.
В 1932 г., воплотив ряд оригинальных конструкторских решений, группа инженеров во главе с Алексеем Бахмутским создала угольный комбайн «Донбасс» для добычи угля из наклонных пластов мощностью свыше 0,8 м. Кроме того, в послевоенное время были созданы комбайны для пластов мощностью 0,46–0,8 м, а также 0,5–1 м, совершенствовался процесс доставки угля из лавы. Для его транспортировки наклонными выработками были созданы скребковые конвейеры различных типов. Основным видом транспорта на горизонтальных выработках в шахтах становится электровоз. Для отвода воды из шахт вместо паровых насосов начинают использовать электрические одноступенчатые и поршневые насосы, а в послевоенное время появляются многоступенчатые.
Для дальнейшего развития горного дела большое значение имело увеличение объема открытых работ. В мировой угольной промышленности при стабилизации подземных работ резко возросла добыча полезных ископаемых открытым способом: с 1919 по 1950 г. – с 6% до 25%. Такой метод применялся в Китае, Польше, США, Великобритании, Болгарии, Франции.
Особенности развития машиностроения в междувоенный период и в годы Второй мировой войны. В первой половине ХХ в. развитие машиностроения привело к использованию технологических процессов и нового оборудования. Большое значение в машиностроении приобрела электроника, без применения которой была невозможна автоматизация отрасли. Это позволило перейти к массовому специализированному производству типовой стандартной продукции.
Одной из особенностей машиностроения была организация производства, в котором изготовление и сборка изделий осуществлялись на поточных линиях, которые составляли совокупность рабочих мест и рабочих машин, расположенных по ходу технологического процесса. Развитие конвейерного производства было связано с техническим совершенствованием парка станков. В междувоенный период в крупносерийном производстве широкое распространение получили токарные полуавтоматы. В таких станках неавтоматизированными оставались только операции установки и закрепления заготовок, запуска станка и снятия готового изделия. Уже в 1930-х гг. в Германии полуавтоматы использовались фирмами в военной промышленности.
Агрегатные станки приобрели особое значение в связи с появлением и развитием автоматических станочных линий. Впервые такая линия была применена английской компанией Morris Motors в 1924 г. для обработки блоков цилиндров и других крупных деталей. Она выполняла 53 операции и обрабатывала 15 блоков в час, а обслуживал ее только 21 оператор.
В развитии технологий машиностроения широкое распространение получило литейное производство, где проявились две тенденции. Во-первых, с целью повышения уровня механизации и автоматизации производства в литейных цехах устанавливались формовочные и пескоструйные машины, конвейеры, различные устройства. Во-вторых, распространение получили методы достижения точности отливок. С этой целью использовалось центробежное литейное производство, а также применялось высокое давление в технологическом процессе.
Производство авиационных и танковых двигателей, мощность которых превышала 1000 л.с., выдвинуло новые требования к применению литейных технологий. Это привело к использованию метода рафинирования и дегазации расплава (хлорирования), продувания азотом, замораживания, повышения плотности литейных деталей. Одновременно были применены и новые сплавы, в которых кремний был основным легирующим компонентом. Внедрение метода кристаллизации под давлением решило проблему преодоления пористости в крупных отливках.
Важным достижением в области металлообработки было развитие электросварочных технологий. Они получили распространение в судостроении, авиастроении, на железнодорожном транспорте.
Основной тенденцией в развитии технологии сварки было внедрение автоматизации. Был разработан целый ряд процессов автоматического одно- и многодуговой сварки, проходил переход от применения отдельных автоматических устройств к автоматизированным сварочным линиям. В 1930 г. в Украине известный ученый профессор Евгений Патон возглавил Научно-исследовательский институт электросварки Академии наук. Он разработал метод сварки под флюсом, средства повышения прочности швов.
В годы войны Е. Патон руководил работами по разработке методов сварки специальных сталей и внедрения электросварки в оборонную промышленность. При его участии были созданы первые поточные линии в сварочном производстве. Их применение позволило значительно увеличить производство танков и самоходных артиллерийских установок, что дало возможность значительно опередить Германию в производстве бронетанковой техники. В послевоенное время по проекту Е. Патона был построен цельносварной мост через р. Днепр в г. Киеве.
Развитие автомобильной техники в междувоенный период проходило в двух направлениях: с одной стороны, из-за повышения степени сжатия рабочей смеси перед ее воспламенением конструкторы достигали увеличения мощности двигателя, с другой, проводились работы в направлении совершенствования конструкции самих автомобилей. Так, в 1930-х гг. концерны Ford (США), Daimler-Benz (Германия), FIAT (Италия) устанавливали на своих моделях 6- и 8-цилиндровые двигатели мощностью свыше 200 л.с.
В производстве и использовании тракторов промышленного и сельскохозяйственного назначения новый этап начался в 1937 г., когда был создан гидравлический подъемник, что дало возможность перейти к массовому использованию навесных устройств.
В 1920–1930-е гг. танк прошел сложный путь развития и в годы Второй мировой войны стал важным элементом военной техники. Были созданы машины, у которых использовались надежные агрегаты и механизмы. В эти годы были разработаны специальные конструкции двигателей, отвечающие особенностям их эксплуатации. Появились новые типы танков: крейсерские, тяжелые многобашенные и сопровождения пехоты.
Во время войны основными типами танков стали средние и тяжелые однобашенные (в 1944 г. они составляли более 87% от общего количества боевых машин). Появились специальные танки: саперные, радиотехнические, огнеметные, самоходные артиллерийские установки (САУ) крупных калибров, а также бронетранспортеры различных типов и назначения.
В военные годы качество танковой брони улучшалось значительно быстрее, чем за весь междувоенный период. Если в 1939 г. она в среднем составляла 15–40 мм, то во время войны применялась броня 100 мм и более: на немецком тяжелом танке Т-VI «Тигр» (Pzkpfw VI Ausf E «Tiger I») фирмы Henschel конструкции Эрвина Адерса выпуска 1942 г., самоходной противотанковой пушке «Elefant» («Фердинанд») Фердинанда Порше, советских ИС-2 конструкции Жозефа Котина и Т-34-85 Михаила Кошкина и Александра Морозова.
В 1945 г. вес танков составлял 30–60 тонн. На вооружении, как правило, были два пулемета и пушка калибра 75–120 мм. Если довоенные конструкции преимущественно имели двигатели авиационного и автомобильного типа, то в годы войны применяли дизели и карбюраторные специальной постройки. Их удельная мощность достигала 15–20 л.с./т.
В 1920–1940-е гг. мировая авиация развивалась ускоренными темпами. Скачок в повышении скорости самолетов был связан с переходом от бипланной схемы их построения к монопланной, что позволило применить низко расположенное крыло большого поперечного сечения и конструкцию убирания шасси в полете. Это повысило скорость самолетов на 20% без увеличения мощности двигателя. При создании монопланов начинают применять легкие прочные сплавы алюминия. Первый самолет из металла была создана еще в 1915 г. в Германии конструктором Хуго Юнкерсом.
Но наибольшие изменения аэродинамических характеристик претерпел главный элемент самолета – крыло. Основные требования к его профилю – это малое сопротивление, большая подъемная сила при заданной скорости, прочность. За два десятилетия профиль крыла кардинально изменился. От нижней вогнутой плоскости к выпуклой. Некоторое уменьшение вследствие этого подъемной силы полностью компенсировалось за счет применения особых предкрылков на передней части крыла и щитков-закрылков различной формы на задней. Такие закрылки давали возможность строить самолеты с большой нагрузкой на квадратный метр площади крыла. Это позволяло устанавливать двигатели большой мощности и оборудование без увеличения геометрических размеров самолета. Так, нагрузка на 1 м2 биплана начала 1920-х гг. составляла 15–30 кг, то у американского бомбардировщика B-29 выпуска 1944 г. – 380 кг.
Увеличение скорости самолетов происходило в основном за счет повышения мощности двигателей как воздушного, так и водяного охлаждения. С начала 1920-х гг. в конструкции авиадвигателей постоянно вносились усовершенствования: применяются редукторы для изменения числа оборотов винтомоторной группы, используются специальные стали и алюминиевые сплавы, осуществляется форсирование путем наддува.
В 1920-х гг. продолжился процесс совершенствования движителя – винта. Лопасти, неподвижно закрепленные во втулке, начали изготавливать из металла, а их количество возросло до трех. Позднее их стали закреплять подвижно относительно оси. Так появился винт изменяемого шага, что позволило полностью использовать мощность двигателя. Такие винты начали снаряжать центробежными редукторами, что дало возможность пилоту контролировать число оборотов и автоматически поддерживать их во время изменения скорости полета самолета.
В 1920–1930-е гг. были созданы научно-исследовательские учреждения, которые успешно решали принципиальные проблемы авиации, в частности штопора и флаттера. Штопор – это вертикальное падение самолета при одновременном вращении вокруг своей оси. Задача науки состояла в том, чтобы сделать штопор управляемым – предоставить пилоту возможность вывести самолет в горизонтальный полет. Был проведен детальный анализ условий, которые вызывают переход в штопор, и выявлены рациональные способы вывода самолета из него.
В первой половине 1930-х гг., когда скорость самолетов превысила 300 км/ч, перед авиацией встала проблема флаттера – неуправляемых колебаний крыла и стабилизатора самолета с быстро растущей амплитудой. Возникала вибрация машины, которая приводила к разрушению всей конструкции. Перед учеными встала задача: выработать инженерные методы расчета скорости, на которой могут появляться эти колебания (критической скорости) и предоставить рекомендации. которые бы сделали невозможным возникновение флаттера.
Основателем теории флаттера и целой школы, которая занималась этой проблемой, был академик Мстислав Келдиш. На основе теоретических исследований и экспериментов были разработаны временные нормы прочности самолетов. В дальнейшем они систематически обновлялись. В нормах нашли отражение такие явления, как полет в неспокойной атмосфере, флаттер, сжатие воздуха на больших скоростях и др.
В конце войны скорость американского истребителя P-51B Mustang, советских Ла-7 конструкции Семена Лавочкина и Як-3 Александра Яковлева, британского Spitfire Mk.XIV, немецкого «Messerschmitt» Bf-109К превысила 700 км/час. Для достижения больших скоростей нужно было значительно повышать мощность двигателя, что вело к росту его размеров и веса. Однако это, в свою очередь, снижало мощность винтомоторной группы. Ученым и конструкторам стало ясно, что возможности поршневых двигателей исчерпаны. Им на смену пришли реактивные, которые при одинаковых размерах и весе с поршневыми развивали гораздо большую мощность.
Создание гражданской авиации в 1920–1930-е гг. преследовало цель прежде всего повышения надежности и комфортабельности пассажирских авиаперевозок. В Европе, Северной Америке и Японии были построены комфортабельные аэровокзалы, бетонные взлетно-посадочные полосы и созданы надежные самолеты, которые обслуживали авиалинии. Так, в 1930-е гг. в США компания Douglas создала пассажирский двухмоторный самолет DС-3. Он имел скорость 346 км/ч, дальность – 2400 км и брал на борт 25 пассажиров. Это был надежный и распространенный самолет своего времени. Его военно-транспортный вариант Douglas С-47 выпускался крупными партиями и поставлялся всем союзникам США в годы войны.
В СССР 1934 г. был создан 8-моторный самолет АНТ-20 «Максим Горький» конструкции Андрея Туполева, который перевозил 80 пассажиров со скоростью 280 км/ч на расстояние 2 тыс. км. В Украине под руководством конструктора Константина Калинина в 1930-е гг. выпускался пассажирский самолет К-5. В 1944 г. инженер одного из военных авиазаводов Олег Антонов сделал первый эскизный рисунок самолета многоцелевого назначения для гражданской авиации, получивший в последствии наименования Ан-2. С 1949 г. на Киевском авиазаводе начался его серийный выпуск с двигателем АШ-62 ИР конструкции А. Швецова, которым в довоенные годы оснащались истребители И-16 и И-153 «Чайка». Эта модель находилась в производстве многие десятилетия.
Впервые идея построения вертолета – машины, которая поднимается в воздух с помощью винта, вращающегося в горизонтальной плоскости, возникла у Леонардо да Винчи. Но практическое воплощение она нашла лишь в ХХ в. В 1930–1940-х гг. в США над созданием вертолетов работали конструкторы Игорь Сикорский и Франк Пясецкий, а в Великобритании – фирма Bristol. Первым наибольших успехов достиг Сикорский, который создал несколько вертолетов с одним ротором. Некоторые из них были приняты на вооружение американской армии в 1943 г. и приняли участие в войне.
В междувоенный период развитие авиации несколько изменило приоритеты в области военного судостроения и выдвинуло на первый план построение авианосцев – военных кораблей, у которых верхняя палуба имеет минимум надстроек и служит взлетно-посадочной полосой для самолетов. Истребители, легкие бомбардировщики, торпедоносцы находились на нижних палубах и специальными лифтами подавались на верхнюю,с которой при помощи паровых катапульт и других приспособлений взлетали и шли на выполнение боевых заданий. При посадке самолета применялись специальные амортизаторы и тормозные устройства, которые значительно сокращали его пробег. Американские «Энтерпрайз» и «Ченанго», британский «Индомитебл», японские «Хийо» и «Дзуньо» были типичными представителями этого класса кораблей.
Создание реактивной авиации и ракетной техники. Идея создания прямоточных реактивных двигателей не раз выдвигалась в разных странах мира, но наиболее оригинальными были работы французского ученого Рене Лорена. В Германии разработкой аналогичных двигателей занимался Эйген Зенгер. Эти эксперименты показали, что двигатели такого типа эффективно использовать лишь при условии достижения больших скоростей, поскольку воздух в камеру сгорания попадает непосредственно из атмосферы.
В ходе Второй мировой войны немецкая армия применяла реактивные самолеты-снаряды (крылатые ракеты) Фау-1 (V-1, Fi-103). Проект крылатой ракеты был разработан конструкторами Робертом Луссером (фирма «Fieseler») и Фрицем Госслау («Argus Motoren»). Обе фирмы предложили совместно проект Fi-103 Техническому управлению Министерства авиации в июле 1941 г.
Производство Фау-1 началось в конце 1942 г. на секретных предприятиях, расположенных на о. Узедом в Балтийском море. На этом же острове находился концлагерь, заключенные которого использовались как бесплатная рабочая сила. Скорость 656 км/час Фау-1 обеспечивал пульсирующий (бензин А-80 подавался в камеру сгорания периодически) воздушно-реактивный двигатель «Argus» As 014 конструкции Пауля Шмидта. Запуск Фау-1 осуществлялся с помощью катапульты Вальтера – стальной конструкции длиной 49 м, расположенной под углом 60° к линии горизонта или с переоборудованного под самолет-носитель He-111S.
В 1930-е гг. во многих странах проводились работы по созданию турбореактивных двигателей (ТРД). Их особенностью является то, что газовая турбина приводит в действие компрессор, который нагнетает воздух в камеру сгорания. Образующиеся в ней газы используются для создания реактивной тяги. В 1931 г. английское конструктор Френк Уиттл запатентовал достаточно мощный, а главное – надежный ТРД. В мае 1941 г. поднялся в воздух самолет фирмы Gloster, на котором стоял этот двигатель. В октябре несколько британских специалистов переехали в США для продолжения работы с ТРД в концерне General Electric. Осенью 1942 г. совершил полет реактивный американский самолет Airacomet, снаряженный двумя двигателями Уиттла. Фирма Gloster, использовав накопленный опыт, в марте 1943 г. создала двухмоторный самолет Gloster Meteor. Это был единственный реактивный истребитель союзников, принимавший участие в войне. Англичане использовали его для борьбы с немецкими Фау-1.
С осени 1944 г. в Германии пошел в серию Ме-262 конструкции Вильгельма Мессершмитта с двумя ТРД Juмо-004В и тягой по 1050 кг каждый. Максимальная скорость самолета составляла 868 км/час. Ме-262 применялись для борьбы со стратегической авиацией союзников и нанесения ударов по наземным войскам.
Накануне и в годы войны проводились интенсивные работы с третьим типом реактивных двигателей – жидкостно-реактивным (ЖРД). Его особенностью было то, что он вместе с горючим нес с собой весь запас окислителя, а не забирал необходимый для сжигания топлива воздух из атмосферы. В США над созданием ЖРД работал профессор Р. Годдард; в Германии – конструкторы Винклер и Ридель; в СССР – В. Глушко и Ф. Цандер.
В 1942 г. В. Мессершмитт и Александр Липпиш начались работы по созданию первого немецкого истребителя с ЖРД – Ме-163 «Komet», который с осени 1944 г. начал поступать в части ПВО Германии. Было построено 300 машин (9 побед над самолетами союзников).
После войны новым этапом в развитии реактивной авиации стало преодоление звукового барьера. При приближении самолета к скорости звука воздух перед ним настолько уплотняется, что приводит к резкому возрастанию его сопротивления и одновременно к падению подъемной силы крыла. Для преодоления этой проблемы были использованы теоретические наработки в аэродинамике больших скоростей ученого Сергея Чаплыгина. Для преодоления звукового барьера были применены тонкие, с острым профилем стреловидные крылья. В 1947 г. экспериментальный американский самолет Bell Х-1 преодолел скорость звука в горизонтальном полете.
Но лучшие свои качества ЖРД проявили во время запусков баллистических ракет. Так, уже в марте 1942 г. состоялся первый старт А-4 конструкции Вернера фон Брауна. К концу лета 1944 г. проходило доведение этой модели на полигоне в Пенемюнде (на Балтике). 18 сентября состоялся первый запуск на Лондон. Баллистическая ракета получила название V-2 (от «оружие возмездия» – Фау-2), хотя техническая А-4 также осталась. Двигатель одноступенчатой Фау-2 конструкции Вальтера Тиля работал на 75% этиловом спирте (3 т) и сжиженном кислороде (5,5 т), развивал тягу 25,4 т (270 кН) и имел мощность 500 тыс. л.с., что обеспечивало ей скорость до 1700 м/сек (6120 км/час), дальность полета 320 км и высоту траектории до 90 км. Гироскопическая система управления, оснащенная программным механизмом и приборами для измерения скорости, а также двигатель, топливные баки и емкости с окислителем располагались в 14-метровом корпусе диаметром 1,65 м. Стартовая масса ракеты составляла 12900 кг.
Летом 1945 г. началось осуществление американской космической программы. Одним из ее технических руководителей стал В. фон Браун, который перебрался в США. С 1946 г. на полигоне Уайт-Сэндс (штат Нью-Мексико) начали проводиться запуски ракет типа А-4. На ее основе была создана американская одноступенчатая ракета Viking.
В 1937–1938 гг. в СССР в Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ) И. Гвай, В. Галковський, А. Павленко, А. Попов создали многозарядную пусковую установку, смонтированную на грузовом автомобиле ЗИС-6. В марте 1941 г. были проведены успешные полигонные испытания установки БМ-13 (боевая машина 132-мм снарядов). 21 июня, за несколько часов до нападения Германии на Советский Союз, было подписано правительственное постановление о начале их серийного производства.
Во время войны были созданы различные варианты реактивного снаряда и пусковых установок: БМ-13-СН, БМ-8-48 (армейский вариант авиационной РС). В 1942 г. появились снаряды М-31 (калибра 310 мм), которые изначально запускались с пусковых станков, а с апреля 1944 г. под них была создана самоходная пусковая установка с 12 направляющими – БМ-31-12.
Немецкие конструкторы занимались разработкой реактивной артиллерии на твердом топливе с начала 1930-х гг. С лета 1941 г. в части Вермахта, действовавшие на Восточном фронте, начали поступать 150-мм реактивные минометы «Nebelwerfer». Этот шестиствольный миномет имел конструкцию сотового типа. Блок из трубчатых направляющих с целью облегчения конструкции устанавливался на лафете противотанковой пушки Pak.35/36. Миномет вел огонь 150-мм 39-килограммовыми осколочно-фугасными минами.
США и Великобритания во время войны также создали реактивные системы залпового огня. Американские инженеры на башне танка М4 Sherman смонтировали пакет с 60 трубчатых направляющих калибра 4,5 дюйма (114 мм). Вес залпа этой системы составлял 960 кг. В 1944 г. на вооружение британской армии начала поступать 32-ствольная реактивная установка Land Matress. Английские конструкторы соединили двигатель от 3-дюймовой зенитной ракеты с боевой частью 5-дюймовой морской, которая имела мощный фугасный заряд.
Радиоэлектроника – шаг в будущее. Начало атомной эры. В радиотехнике в междувоенный период состоялся переход к коротким волнам (10–80 м), а затем и к метровым. Происходило совершенствование радиоприемников на основе новой схемы регенеративного приема по методу Эдвина Армстронга. Все эти изобретения и усовершенствования привели к появлению регулярного радиовещания (1920).
Важной областью применения радио в 1930-е гг. была радиолокация – определение с помощью радиоволн местонахождения невидимой цели. В 1934–1935 гг. британский исследователь ионосферы Роберт Уотсон-Уатт проводил работы по определению движущихся целей и расстояния до них. Эти исследования привели к созданию радиолокационной аппаратуры, в которой передатчик работает очень короткий промежуток времени (импульсами), сопровождавшимися относительно длительными паузами между сигналами. Работая на ультракоротких волнах, радиолокационная станция посылает импульсы радиоволн узким направленным пучком. Антенна, которая посылает импульсы лучей, вращается вокруг своей оси и контролирует таким образом определенный сектор пространства. Отраженные от объектов сигналы отображаются на экране электронно-лучевой трубки индикатора станции. Этот метод получил название радиоэхо.
С 1936 г. на восточном побережье Англии начали строиться радиолокационные станции, которые позволяли засекать объекты на расстоянии до 75 миль. С каждым новым этапом войны радиолокационные установки совершенствовались и начали играть все большую роль в военных операциях.
В 1920-х гг. проводятся работы по использованию радио для передачи изображения без проводов и появляется термин «телевидение». В следующем десятилетии электронно-лучевые трубки полностью вытеснили в телевизионных приемниках механические системы. Начался период электронного телевидения. В 1929 г. американский изобретатель Владимир Зворыкин создал лучевую трубку с электростатическим фокусированием, которую он назвал кинескопом. Поворотным пунктом в развитии этой отрасли было создание телевизионной трубки с накопителем электронных зарядов – иконоскопом, который дал возможность получить телевизионное изображение значительного разрешения.
В 1930-х гг. научная мысль вплотную подошла к созданию электронных вычислительных машин. В 1936 г. немецкий инженер Конрад Цузе получил два патента на сохранение машинных команд в той же памяти, что и другие данные, предвосхитив идею, которая впоследствии стала известна как «архитектура фон Неймана». В 1941 гг. он создал вычислительную машину Z3, которая работала достаточно надежно, поскольку в ней использовалась двоичная система. Она была построена на телефонных реле, управлялась программой, хранившейся на перфорированной ленте, и имела арифметику с плавающей памятью, а условные переходы отсутствовали.
В 1937 г. американский ученый Клод Шеннон доказал, что существует взаимное однозначное соответствие между концепциями булевой логики и некоторыми электронными схемами, получившими название «логических вентилей», которые и сегодня используются в цифровых компьютерах. Шеннон доказал, что электронные связи и переключатели могут быть выражением булевой алгебры.
В 1939 г. Джон Атанасов и Клиффорд Берри из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC) – электронный цифровой компьютер, конструкция которого насчитывала 300 электровакуумных ламп, а в качестве памяти был использован специальный барабан. В следующем году сотрудник Bell Labs Джордж Стибитс сконструировал хотя и более простую, но надежную машину, которая нашла практическое применение.
В годы Второй мировой войны управление немецким флотом и, в частности, подводными лодками осуществлялось с помощью кодирующего прибора Enigma. Для расшифровки радиограмм нужно было сделать большое количество вычислений, осуществленных сразу же после перехвата. С этой целью правительство Великобритании финансировало создание электронного лампового компьютера Colossus Mk I. Спецификацию для машины делала группа специалистов под руководством профессора Макса Ньюмена. Практическое использование компьютера началось в 1943 г. Но Colossus не стал базой для дальнейшего развития компьютерной техники, поскольку распоряжением премьер-министра У. Черчилля был засекречен на последующие 30 лет.
В 1943 г. Джон Мочли и его помощник Дж. Преспер Экерт при финансовой поддержке правительства приступили к созданию для нужд американской армии компьютера ENIAC. Работы над машиной продолжались до окончания войны. Она весила 30 т, потребляла 140 кВт электроэнергии, состояла из 18000 электровакуумных ламп и 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10-разрядное десятичное число. Преимущество ENIAC состояло в том, что это был самый быстрый компьютер своего времени.
Джон фон Нейман, проанализировав труды своих предшественников, создал проект компьютера EDVAC, в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этой машины получили название «архитектура фон Неймана». Они стали основой для разработки гибких универсальных компьютеров, первыми из которых были созданый в Манчестерском университете в 1948 г. Baby и EDSAC Мориса Уилкса из Кембриджского университета, который заработал в следующем году.
Качественные изменения в 1920–1940-х гг. произошли в ядерной физике, что привело к созданию атомной отрасли. Относительно завершив изучение оболочки, внимание ученых сосредоточилась на исследовании ядра атома. В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик установил, что при бомбардировке бериллия альфа-частицами появляются новые элементарные частицы (нейтроны), которые вместе с протонами (ядрами атомов водорода) составляют атомное ядро (до этого предполагали, что атом состоит только из протонов и электронов). Этот процесс был первым источником нейтронов, которые в дальнейшем сыграли важную роль в атомной технике.
В том же году английские ученые Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон осуществили первую ядерную реакцию с помощью искусственно ускоренных протонов. В начале 1934 г. супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность при бомбардировке пластины алюминия альфа-частицами. Атомы алюминия при этом превращались в атомы фосфора, но не обычные, а радиоактивные, которые, в свою очередь, превращались в устойчивый изотоп кремния. Одновременно с супругами Жолио-Кюри итальянский ученый Энрико Ферми наблюдал искусственную радиоактивность, вызванную бомбардировкой нейтронами ряда элементов. После первых опытов искусственные радиоактивные изотопы были открыты у большого количества химических элементов. В 1930-х гг. их насчитывалось более 200.
В 1939 г. немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом было сообщено об открытии нового явления – разделения атомных ядер урана под воздействием медленных нейтронов. Вскоре было установлено, что это явление происходит по закону цепной реакции. Нейтроны, которые попадают в ядра урана с атомной массой 235, не только разрушают их, но и при определенных условиях вызывают появление новых нейтронов, которые, в свою очередь, разрушают следующие ядра урана, и таким образом обеспечивают проведение цепной реакции с выделением энергии.
В 1940–1941 гг., учитывая угрозу нападения Германии на Англию, британские ученые активно работали над созданием атомной бомбы. В результате целого ряда экспериментов они разработали конкретные предложения по получению урана-235 методом газовой диффузии. Имперский комитет начальников штабов рекомендовал правительству предоставить приоритет именно атомному проекту. Но в то время экономика Великобритании, используя все возможные материальные и человеческие ресурсы, напряженно работала на укрепление обороноспособности страны. Это подтолкнуло правительство к сотрудничеству с США в создании атомного оружия.
Для руководства американской атомной программой осенью 1941 г. была создана Высшая политическая группа. 6 декабря за день до нападения японского флота на Пёрл-Харбор, президент Ф. Рузвельт принял решение об ускорении работ по атомной программе и созданию атомной бомбы раньше других стран. В 1942/43 финансовом году правительство выделило 54 млн. долларов на производство расщепляющихся веществ и утвердило проект строительства исследовательских промышленных установок. 18 июня 1942 г. в составе инженерных войск армии США для координации усилий по производству атомного оружия была создана организация «Манхэттенский проект», которую возглавил бригадный генерал Л. Гровс.
2 декабря 1942 г. в Металлургической лаборатории Чикагского университета, которая была филиалом «Манхэттенского проекта», группа ученых под руководством лауреата Нобелевской премии Энрико Ферми впервые осуществила контролируемую цепную реакцию и доказала возможность получения плутония в уранграфитових котлах. «Манхэттенский проект» получил 1250 т урановой руды, которая еще в 1940 г. была тайно вывезена из Конго в Нью-Йорк.
Уже с мая 1945 г. руководство США осуществляло давление на генерала Гровса и руководителя Лос-Аламосской лаборатории, где изготавливались атомные бомбы, Роберта Оппенгеймера, с целью максимального ускорения завершающих работ. 16 июля 1945 г. в пустынном районе штата Нью-Мексико, недалеко от авиабазы Аламогордо был осуществлен первый экспериментальный атомный взрыв. Его сила была эквивалентна 15–20 тыс. тонн тринитротолуола. Генерал Гровс выполнил главную задачу, поставленную президентом на данном этапе: взрыв был осуществлен за день до начала конференции руководителей государств антигитлеровской коалиции в Потсдаме под Берлином. Президент США Г. Трумэн 25 июля 1945 г. отдал приказ генералу Спаатсу, командующему стратегической авиацией США, об атомной бомбардировке Японии.
В ночь на 6 августа экипаж переоборудованного бомбардировщика B-29 из 509 авиагруппы под командованием полковника П. Тиббетса вылетел с базы на о. Тиниан в Тихом океане на японский город Хиросиму. В 8 ч. 15 мин. по местному времени бомба «Малыш» была сброшена на парашюте и через несколько минут над городом поднялся атомный гриб. 9 августа вторая бомба – «Толстяк», – эквивалентная 20 тыс. тонн тринитротолуола, была сброшена на г. Нагасаки. Общее количество погибших после двух атомных бомбардировок составило около 300 тыс. человек.
В целом, в 1920–1940-е гг. развитие техники происходило на основе возрастающей роли физико-математических и естественных наук, прежде всего математики. В то же время успехи физики определялись развитием техники, а эта взаимосвязь ускоряла научно-технический прогресс.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие изменения произошли в мировом топливно-энергетическом балансе в первой половине ХХ в.?
2. Когда и где была создана первая электронно-вычислительная машина?
3. Какие основные тенденции в развитии технологии сварки наблюдались в 30–40-е гг. ХХ в.?
4. В какой области физики происходили приоритетные исследования в 30-е гг. ХХ в.?
5. Какие изменения произошли в развитии авиации в середине 40-х гг. ХХ в.?
Основные понятия
Радиолокация – определение с помощью радиоволн местонахождения невидимой цели.
Ядерная физика – раздел физики, который изучает структуру и свойства атомных ядер и механизм ядерных реакций.
