Космическая  баллистика
Текст: Людмила Смеркович | 2014-04-01 | 3884
Рубрика «инновации и ТРИЗ» в этом номере «Энергоразвития» представлена очень необычным материалом. Как правило, мы рассматриваем в ней удивительные истории из жизни реальных изобретателей, но сегодня нашу историю без преувеличения можно назвать фантастической – мы проанализируем, каким образом был создан снаряд, на котором герои Жюля Верна отправились на Луну.

 

Имя французского писателя Жюля Верна известно всем нам с самого детства. Верн, по данным ЮНЕСКО – третий в списке из наиболее часто публикуемых и переводимых на другие языки писателей (уступает он только Ленину и Шекспиру).

Литературную деятельность он начал в 1849, написав несколько пьес (водевили и комические оперы). Верн так писал о том периоде своей жизни: «Моим первым произведением была небольшая комедия в стихах ... «Сломанные соломинки». Пьеса имела некоторый успех и по совету Дюма-старшего я отдал её в печать. «Не беспокойтесь, – ободрял он меня. – Даю вам полную гарантию, что найдётся хотя бы один покупатель. Этим покупателем буду я!»

Выпустив свой первый роман «Пять недель на воздушном шаре» в 1863 году, молодой литератор неожиданно для себя оказался в центре внимания читателей и критики. Его книгу буквально сметали с прилавков, про неё писали в прессе, поражаясь, как внимание парижан мог привлечь роман без единой любовной линии и даже героини-женщины. В беседе с одним журналистом Верн сказал на эту тему следующее: «Любовь – чувство всепоглощающее. Моим героям нужны все их способности, вся энергия, а присутствие рядом с ними пленительной женщины мешало бы им осуществлять их грандиозные замыслы».

Признанный и увенчанный славой Александр Дюма хвалил талант Верна и пророчил ему великое будущее. Один из крупнейших во Франции издателей, Пьер-Жюль Этцель, создатель «Журнала воспитания и развлечения» для юношества, заключил с недавно ещё никому неизвестным автором контракт на 20 лет и покровительствовал ему. Были, конечно, у Жюля Верна и тернии, через которые ему пришлось продираться к звёздам, особенно по молодости, когда он перебивался в Париже случайными богемными заработками. Но ещё тогда он гордо отвечал отцу, требовавшему, чтобы сын наконец занялся делом: «Я не сомневаюсь в своём будущем. К тридцати пяти годам я займу в литературе прочное место». Так и вышло – видимо, провидческий талант был писателю не чужд.

Чем больше публиковалось романов Верна, и чем дальше шагала наука, тем чаще автора называли предсказателем будущего. Сам он отзывался об этом так в одном из интервью: «Это простые совпадения, и объясняются они очень просто. Когда я говорю о каком-нибудь научном феномене, то предварительно исследую все доступные мне источники и делаю выводы, опираясь на множество фактов. Что же касается точности описаний, то в этом отношении я обязан всевозможным выпискам из книг, газет, журналов, различных рефератов и отчётов, которые у меня заготовлены впрок и исподволь пополняются. Все эти заметки тщательно классифицируются и служат материалом для моих повестей и романов. Ни одна моя книга не написана без помощи этой картотеки. Я внимательно просматриваю двадцать с лишним газет, прилежно прочитываю все доступные мне научные сообщения, и, поверьте, меня всегда охватывает чувство восторга, когда я узнаю о каком-нибудь новом открытии...».

 

Герои путешествия на Луну

 

Многие из героев Верна кажутся настолько живыми, что их современники подозревали полную реалистичность повествования и всерьёз предполагали, что профессор Паганель, инженер Сайрес Смит и доктор Фергюссон живут где-то рядом с ними. В чём-то они были правы – у многих персонажей Жюля Верна существовали реальные прототипы. Так, к Вернам часто заходил Феликс Турнашон, он же Надар, знаменитый тем, что сделал фотографию жанром искусства. Увлечение фотографированием привело его к увлечению аэронавтикой. В год, когда Верн ухаживал в Амьене за своей будущей женой, Надар произвёл первую в мире аэрофотосъемку – запечатлел Париж с высоты птичьего полета. Он мог часами говорить об аэронавтике, знал о ней если не всё, то очень много. В Мишеле Ардане, одном из героев романа «С Земли на Луну», читатели без труда разглядели черты Надара – никто бы не удивился, если бы Надар вдруг собрался лететь на Луну.

Незадолго до конца жизни Верн писал: «Моей целью было описание Земли, и не только Земли, но и всей Вселенной, потому что в моих романах я иногда уносил читателей далеко от Земли». Ну что ж, попробуем и мы вместе с героями Жюля Верна дерзнуть отправиться к Луне и заодно перечитать гениальную фантазию французского писателя, отца современной фантастики.

Действие романа «С Земли на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут» разворачивается в Америке. Год точно не указан, но можно предположить, что речь идёт о дне сегодняшнем для писателя и читателя (роман увидел свет в 1865 году). Герои романа – члены «Пушечного клуба», отставные артиллеристы и изобретатели от пушечного дела, тоскуют, поскольку войны давно не было и не предвидится в ближайшем будущем, а, значит, их таланты никому не нужны. Однако, председателя клуба, господина Барбикена, осеняет амбициозная идея – создать пушку, которая сможет докинуть снаряд до Луны, чем принесёт клубу и всей Америке мировую славу, а человечество продвинет на шаг ближе к звездам.

Клуб с энтузиазмом берется за дело – Верн подтрунивает над своими героями, описывая, как они поглощают горы бутербродов и моря чая, отчаянно спорят друг с другом и время от времени сбиваются на то, что было бы неплохо заодно объявить войну Мексике. При этом они прямо во время дискуссии на бумажках производят сложнейшие расчёты, в итоге проект пушки создаётся всего за три заседания «Пушечного клуба». Писатель подробно описывает каждый шаг разработки, которую создают члены клуба – сначала они определяют размер и вес снаряда, затем, исходя из этого, проектируют пушку, поскольку её характеристики зависят от вида снаряда. Последнее заседание посвящено пороху, способному придать нужное ускорение космическому ядру. 

 

В процессе проектирования инженеры-артиллеристы сталкиваются с множеством трудностей, которые ещё не приходилось преодолевать человечеству – начиная с преодоления земного тяготения и заканчивая тем, что привычные им материалы и технологии не подходят для устройств колоссальных размеров. Но герои не отступают перед препятствиями – их эрудиция, живой ум и огромный опыт в любимой области позволяют находить неожиданные решения самых сложных проблем. Так, вычислив, что снаряд нужного им размера (достаточной величины, чтобы за его полётом можно было наблюдать с Земли в телескоп) получается слишком тяжёлым, они ищут более лёгкий материал и вспоминают об алюминии. В качестве материала для пушки выбирают чугун, поскольку он более дёшев и прост в обработке, чем медные сплавы, а из пушки необходимо сделать всего один выстрел. Когда заходит речь о порохе, наиболее подходящим признают пироксилин из-за его большой взрывной силы, позволяющей сократить количество взрывчатого вещества в заряде.

Таким образом, на каждом этапе проектирования решается несколько сложных изобретательских задач, причём, что очень важно, писатель показывает рассуждения героев, путь, которым они приходят к решению. Можно сказать, что Жюль Верн приводит в своем романе «методику» инженерного творчества, предвосхищая появление ТРИЗ.

Клуб между тем объявляет международную подписку и в рекордные сроки собирает сумму в несколько миллионов долларов, чтобы реализовать свой проект, о котором уже пишут все газеты земного шара. И вот, найдено место для старта, прямо на нём разворачивается производство, необходимое для создания пушки (она настолько велика, что не подлежит транспортировке), а дальше проходит около года – и вот уже пушка готова. До старта остаются считанные месяцы, и тут появляется новый герой, Мишель Ардан, безрассудно смелый француз, который требует, чтобы снаряд сделали полым – чтобы полететь внутри него на земной спутник. После жарких споров, спешной разработки и даже несостоявшейся дуэли между участниками проекта, первый в мире космический вагон-снаряд принимает на борт троих астронавтов – Ардана, Барбикена и их вечного оппонента и критика, капитана Николя…

Дальнейшее повествование столь же увлекательно и рассказывает нам о том, как отважным путешественникам удалось слетать в космос и даже вернуться, благодаря счастливому стечению обстоятельств. Но мы предлагаем читателю самому освежить в памяти этот замечательный роман и его продолжение «Вокруг Луны» или прочесть их в первый раз, если раньше не приходилось.

 

Ошибки и предвидения

 

С наступлением космической эры идеи Жюля Верна о космических путешествиях неоднократно подвергались критике – практика опровергла многие из предположений писателя. В чём-то он ошибся, других вещей в принципе не мог знать на существующем в то время уровне развития науки и техники.

Первое серьёзное допущение, которое делают его герои – что сопротивление воздуха настолько незначительно, что им можно пренебречь. К сожалению, это смелое предположение сразу ставило бы проект под угрозу – полое алюминиевое ядро попросту не выдержало бы нагрузки и расплющилось вместе с пассажирами ещё на старте. И даже если бы эту проблему удалось решить, то оставалась бы ещё перегрузка, вызванная огромным ускорением снаряда – водный амортизатор, придуманный Барбикеном, отважных путешественников точно бы не спас.

Другое фантастическое обстоятельство касается размеров пушки. Если бы этот проект действительно дошёл до реализации, включающей в себя испытания (заметим, что герои книги их не производят, если не считать пуска из обычной пушки полого ядра с находящимися внутри котом и белочкой), быстро выяснилось бы, что, даже пренебрегая сопротивлением воздуха, размеры орудия пришлось бы сильно увеличивать. Это связано, с одной стороны, с уже названной проблемой перегрузки пассажиров, с другой – с ускорением, которое способен придать при взрыве пироксилин. Допустим, что ускорение сообщалось бы заряду постепенно, зарядами, расположенными по длине орудия. Но тогда расчёт, проведённый Яковом Перельманом, приводит к чудовищной длине пушки – 7 320 км!

Впрочем, все эти неточности, допущения, ошибки в расчётах хорошо заметны тем, кто живёт в космическую эру, когда сложнейший путь по выходу в космос уже проложен гением многих инженеров и ученых. Это мы сейчас можем по телевизору посмотреть репортажи с орбиты и имеем возможность найти в интернете все интересующие факты, цифры и формулы практически по любому вопросу. Но давайте вспомним о том, что Жюль Верн сумел помыслить себе космическое путешествие человека на Луну за сто лет до того, как оно было реализовано – полёт первого пилотируемого космического корабля серии «Аполлон» случился только в 1969 году.

Остаётся только поклониться смелости и широте взгляда писателя и позавидовать ему белой завистью – ведь очень во многом он оказался и прав. Так, им точно была указана вторая космическая скорость – 12 000 ярдов в секунду. Идея прибора для очищения воздуха в замкнутом пространстве при помощи едкого натра и хлорноватистого калия также совершенно реалистична, если не считать наивной конструкции самого устройства. Наконец, использование алюминия, очень мало применявшегося в XIX в. из-за его дороговизны, также явилось серьёзным прогнозом относительно аэрокосмической индустрии.

Вот как объясняет секрет бессмертия книг Жюля Верна и их популярность даже в эпоху, когда большинство технических предсказаний писателя оказались реализованными, а во многом и превзойдёнными, французский критик Жак Шено: «Если Жюль Верн и его необыкновенные путешествия не умирают, так это только потому, что они – а вместе с ними и столь привлекательный ХIХ век – поставили проблемы, от которых не удалось и не удастся уйти веку ХХ». Прибавим от себя, что у XXI века этих проблем не стало меньше, скорее, даже прибавилось.  

 
 
Комментарий сертифицированного специа­листа по ТРИЗ Валерия Гальетова
 
 
Полезные уроки Жюля Верна 
 
 
Разве можно извлечь что-то полезное из романа образца 1865 года? Чему может научить современного инженера и менеджера бредовая идея полёта на Луну с помощью пушки?
Но великие писатели сильны тем, что пишут о вечных проблемах человечества. И Жюль Верн – один из них. Читая его роман через призму ТРИЗ – технологии решения изобретательских задач, – поражаешься тому, как много ценного содержится в нём. Ведь Жюль Верн не только формализует процесс изобретательства, но и обозначает способ решения важных социальных и организационных проблем, а именно: как найти работу при отсутствии спроса на профессионалов; как организовать поиск решения в коллективе; как руководителю внедрить в коллектив свою идею. Эти три вопроса мы сегодня и рассмотрим – на примере знаменитого романа.
 
Проблема – нет работы!
 
«Настал печальный, досадный день, когда оставшиеся в живых перестали убивать друг друга, был подписан мир… и члены «Пушечного клуба» были обречены на полную бездеятельность».
У 1833-х действительных членов клуба только что кипела работа. Не у болтунов – а изобретателей, ведь по уставу каждый должен был «изобрести или усовершенствовать пушку, в крайнем случае  –иное огнестрельное оружие». 
И вот…
«– Какое жестокое разочарование! – сказал полковник Блемсбери. – Зачем побросали мы свои мирные занятия, покинули родной Балтимор, зачем обучались военному делу? Зачем совершали мы геройские подвиги на поле битвы? Неужели для того, чтобы через три года все наши труды пошли прахом? Сиди теперь без дела да позёвывай, сунув руки в карманы!»
Жестокая проблема для настоящих мужчин: желаешь приложить свои силы, но негде! Надо срочно найти решение – но как? И здесь автор описал классику метода «тыка»:
«– Нет войны в США – начнём её с Мексикой!
– Нельзя с Мексикой – начнем войну в Европе!
Исследовав идею «начать войну» и не найдя решения, доблестные воины пали духом: «остаётся только сажать табак или перегонять китовый жир!»
И, как это часто бывает, люди ищут виновника трудностей в надсистеме:
«– Национальная гордость в Соединенных Штатах слабеет с каждым днём; скоро все мы сделаемся сущими бабами! – сказал полковник Блемсбери.
– Да, нам нередко приходится унижаться! – согласился Билсби.
– Больше того – нас унижают! – воскликнул Том Гантер».
Говоря современным языком, происходит «нагнетание военной истерии». Высказана даже идея завоевания Англии: если Америка принадлежала англичанам, то почему бы теперь Англии не принадлежать американцам? Нереальность идеи понятна и обсуждение затухает. Развал клуба кажется неизбежным.
 
Нет работы – твори её!
 
Чем мог бы помочь специалист по ТРИЗ бравым артиллеристам?
Предположим, что поставлено суровое ограничение: нельзя лишать «детей» их любимых игрушек! Но мешает противоречие: стрелять не в кого! Надо стрелять, но стрелять нельзя!
Первым делом избавимся от инерции термина. Ведь «стрелять» – значит быстро переносить некий груз в определённое место. И тогда у нас появляется два направления для поиска решений:
1. Создать устройство, быстро переносящее груз к цели;
2. Разрушать цель доставленным грузом.
А дальше надо исследовать потребности: кто закажет устройство, переносящее груз? Но перебирая их, мы будем «тыкать». Как тогда упорядочить перебор? Используем понятие «Достойная Цель», известное в ТРИЗ. Анализируя биографии тысяч творцов, Г.С.Альтшуллер нашёл критерии Достойной Цели:
1. Цель обязательно должна быть новой. Либо новыми должны быть средства достижения цели.
2. Цель обязательно должна быть общественно полезной, направленной на развитие жизни. Или положительные результаты её достижения должны быть глобальными, а отрицательные – локальными.
3. Цель должна быть конкретной: не благие намерения, а чётко определённые задачи, решать которые можно уже сегодня.
4. Цель не должна быть узкой: надо хорошо видеть надсистему, над-надсистему, следующие этапы. Достойная Цель должна решать глобальные проблемы.
Для самого Г.С.Альтшул­лера такой целью стало «создание науки изобретать». Вот что он писал: «...Первоначальная цель была проще: найти приёмы, помогающие в моей личной изобретательской практике. Однако к 1948 году изобретения отошли на второй план. Стало очевидным, что «изобретение способа изобретать» – проблема намного более интересная. Нужно было создать практически работоспособную теорию решения изобретательских задач, отыскать основные принципы научной организации изобретательского творчества».
Но как помочь безработным найти Достойную Цель?
 
Где Достойная Цель для артиллеристов?
 
Алгоритм поиска прост: начни с задач, важных для жителей Земли и затем спускайся к отдельным группам потребителей.
1. Система «планета – планета»: создавать межпланетные устройства доставки груза. 
2. Система «Земля – астероид»: создавать устройства разрушения астероидов выстрелом. 
3. Система «Земля – Земля»: создание устройств для разрушения объектов на Земле.
Вот как решили проблему «нет работы» отечественные разработчики пушек. В ОАО «Алтай» испытана ударно-импульсная установка, предназначенная для разрушения конструкций больших объёмов на местности. Её навешивают на бульдозер. Масса – около 800 кг, энергия единичного удара – до 2 000 кДж, производительность – до 6 кубометров обломков бетона в час.
А «потомки» членов «Пушечного клуба» недавно изобрели электромагнитную рельсовую пушку. ВМС США испытали орудие, построенное корпорацией «BAE Systems». Ожидаемая дальность стрельбы – 400 км. Начальная скорость снаряда – 2,5 км/сек. Скорострельность – 10 выстрелов в минуту. Затраты – 10 миллионов долларов на 5 лет.
Хотя можно ли считать создание такой пушки Достойной Целью? 
 
Инновация выводит из кризиса!
 
У председателя клуба Барбикена есть трудность. В организации – кризис, началось «брожение умов»! Нужны правильные решения. И Барбикен не просто находит, но и внедряет их в народ. 
Он вдохновляет не только членов клуба, но и весь мир на создание супер-пушки. Его выступление – образец речи политика, управляющего умами масс. Сначала он выражает собравшимся понимание их ожиданий: 
«…для нас крайне желательна какая бы то ни было война, однако война при нынешних обстоятельствах немыслима. С этим надо примириться и на другом поприще искать выход для пожирающей нас жажды деятельности».
Затем умело подогревает интерес:
«…проект разработан мной во всех подробностях. Дело это достойно вас, достойно славного прошлого «Пушечного клуба» и, без сомнения, произведёт шум на весь мир».
Потом переходит к Достойной Цели:
«…поддержите меня – и я поведу вас на завоевание Луны! Мы присоединим её имя к тридцати шести штатам, образующим великую державу Соединенные Штаты!» 
Затем ставит проблему: о Луне известно много, но нет прямого сообщения с ней. И он описывает неудачные попытки предшественников. 
И, наконец, изящно предлагает идею риторическим вопросом:
«Вы знаете, что сила и прочность орудий и метательная сила могут быть безгранично увеличены. И вот, исходя из этих принципов, я задал себе вопрос: возможно ли из орудия достаточных размеров и мощности пустить ядро на Луну?»
Разумеется, его поддержали «на ура». Идея примитивна, но как умело «продана» избирателям. Как красиво решена проблема кризиса!
Браво, Барбикен! Браво, Жюль Верн!
 
Заключение
 
Владея ТРИЗ, гораздо больше видишь и в известном романе, и в жизни. И многое можешь изменить с помощью Достойной Цели. Успехов, читатель! 
 
 
Жюль Верн
 
Жюль Верн родился 8 февраля 1828 года в Нанте. Пьер Верн, отец Жюля, занимался адвокатурой и рассчитывал, что сын пойдёт по его стопам. Жюль получил юридическое образование, но его больше привлекали театр и литература, поэтому он добился от родителей разрешения поселиться в Париже. 
Верн был страстным путе­шественником. На своей яхте «Сен-Мишель» он дважды обошёл Средиземное море, посетил Италию, Англию, Шотландию, Ирландию, Данию, Голландию, Скандинавию, заходил в африканские воды. 
Жюль Верн – автор около ста книг, среди которых – стихи, пьесы, рассказы, повести и романы. Первое русское издание «Пяти недель на воздушном шаре» увидело свет в 1864 году. 
Собрание сочинений Верна в 88 томах вышло в России в издательстве Сойкина в 1906 году – сразу же после смерти писателя. К 1977 году в СССР было издано 374 книги Верна, общим тиражом 20,5 млн экземпляров.
Когда советский космический аппарат передал на землю первые фотографии обратной стороны Луны, одному из расположенных там кратеров было присвоено имя «Жюль Верн».
 
 
Изобретательские решения Ж.Верна
 
Одним из требований, предъявляемых в романе к снаряду, была возможность наблюдения за его полетом с Земли с помощью телескопа – вплоть до попадания на Луну. Телескопы того периода имели увеличивающую способность в сорок восемь тысяч раз. Члены Пушечного клуба рассчитали: «..мы увидим Луну на расстоянии всего пяти миль, а с такого расстояния можно разглядеть предметы длиной в девять футов». Поэтому и было решено делать снаряд именно такого диаметра.
На возражения, что «вес ядра пропорционален его объёму, следовательно, снаряд диаметром в девять футов будет иметь чудовищный вес», председатель Барбикен резонно отвечает: «Да, если он будет сплошной, и нет, если он будет полый».
Для обеспечения достаточной прочности Барбикен предлагает сделать снаряд весом в двадцать тысяч фунтов. Это ставит перед членами Пушечного клуба вопрос: «Какую толщину должны иметь стенки чугунной бомбы, чтобы она весила не более двадцати тысяч фунтов?». Расчёты секретаря комитета Мастона неутешительны: «Стенки будут толщиной всего в два дюйма». И этого недостаточно. Поэтому Барбикен предлагает взять не чугун, а другой металл, а именно – алюминий. Так они сократили вес снаряда в четыре раза.
Вот что пишет Жюль Верн, описывая готовый отлитый снаряд: «Снаряд оказался чудом металлургии и делал честь индустриальному гению американцев. Никогда ещё до сих пор не добывали сразу такого огромного количества алюминия, и уже одно это можно было считать необычайным достижением техники».
И действительно, несмотря на высокую стоимость алюминия в XIX веке, выбор Жюлем Верном именно алюминия предугадал его будущее широкое применение для нужд аэрокосмической индустрии. 
 
Вечный оппонент Барбикена – капитан Николь –сделал несколько заявлений критического характера в адрес проекта. Одним из них, представляющих, по мнению Мишеля Ардана и Барбикена, реальную опасность, была сила толчка при вылете ядра. Барбикен решил задачу как ослабить отдачу снаряда при выстреле. Он позаимствовал эту идею у воды, и вот каким образом: «На дно снаряда наливается слой воды толщиной в три фута, на который кладётся деревянный круг, совершенно непроницаемый для воды и скользящий вдоль стенок снаряда. Путешественники помещаются на настоящем плоту. Слой воды разделен во всю ширину горизонтальными перегородками, которые одна за другой будут сплющены при толчке от выстрела. От каждого слоя проведены трубы к верхушке снаряда. Во время толчка вода в нижнем отделении, разбив перегородку, устремится по трубам наверх и будет выброшена наружу – точно так же, как и вода из следующих отделений, вплоть до верхнего. Таким образом вода сыграет роль пружины, и деревянный круг ударится о дно кабины лишь после того, как будут расплющены все перегородки. Конечно, путешественники испытают сильный толчок после того, как вся вода будет выброшена из снаряда, но всё же этот толчок будет значительно ослаблен благодаря системе «водяных пружин».
 
Жюль Верн решил и вопрос обеспечения своих героев кислородом во время полёта. «Было очевидно, что того воздуха, который путешественники захватят с собой внутри вагона, недостаточно на четверо суток». Задачи, как заменить потребляемый кислород таким же количеством нового и как удалить выдыхаемую углекислоту, разрешались с помощью хлорноватокислого калия и едкого натра.
«…Хлорноватокислый калий при нагревании свыше 400 градусов выделяет кислород и превращается в хлористый калий <…> Едкий натр – вещество, энергично поглощающее углекислоту, которая всегда находится в атмосфере. Стоит взболтать раствор едкого натра, и он тотчас начинает поглощать углекислоту, которая вместе с натром образует угленатровую соль». 
При решении этой задачи Верн основывался на опытах, которые химики Реньо и Рейзе проводили над животными. 
Впоследствии эта идея очищения воздуха для дыхания людей в замкнутом пространстве была признана правильной.
 
 
Иллюстрации к книге Ж.Верна «С Земли на Луну» 1865г. (De la Terre ? la Lune, Jules Verne).