В 1906 г. Жуковский формулирует вихревую теорию крыла, которую затем существенно развивает русский ученый-аэрогидродинамик Сергей Чаплыгин (1869-1942 гг.). Эта теория впоследствии явится базисной для решения многих прикладных задач гидроаэродинамики и окажет большое влияние на использование вихревых теорий в механике сплошных сред.

В том же году опубликована научная работа русского корабельного инженера Р. Матросова “Методы исследования корабля с разбитым бортом”, в которой предложен оригинальный способ построения диаграммы статической остойчивости поврежденного корабля, получивший в свое время широкое применение в практике кораблестроительных расчетов. Это была первая работа, посвященная проблеме обеспечения аварийной остойчивости судна.

Тщательно анализируя уроки Цусимы, когда многие броненосцы опрокидывались раньше, чем уходили под воду, русские корабельные инженеры и ученые впервые сформулировали, что непотопляемость корабля определяется не только аварийной плавучестью, которой до этого уделялось все внимание, но и аварийной остойчивостью. Только выполнение требований по обеим этим частям непотопляемости может дать полноценное обеспечение этого свойства корабля (принцип того, что корабль должен тонуть, не опрокидываясь).

В 1912 г. Жуковский разрабатывает вихревую теорию гребного винта, которая описана в цикле его научных работ “Вихревая теория гребного винта”, опубликованных в 1912-1918 гг. Эта теория и в настоящее время лежит в основе наиболее совершенных методик расчета гребных винтов.

В том же году американский ученый - кораблестроитель Вильям Ховгард, разрабатывая теорию управляемости судна, получает формулу для определения радиуса установившейся циркуляции судна. Прогнозирование параметров маневренности боевых кораблей имело всегда большое значение, однако управляемость судна в целом явилась наиболее сложной корабельной наукой, тяжело поддающейся адекватному математическому моделированию. Поэтому работы Ховгарда представляли важный вклад в развитие этой науки.

С 1912 по 1914 г. выходит в свет 2-х томный труд Бубнова “Строительная механика корабля”, ставший классическим учебником, в котором задача этой науки сформулирована следующим образом: “Прочным сооружением мы будем называть такое, которое не разрушается под действием заданной системы сил; задача всякого строительного расчета - придать всем частям сооружения размеры, при которых разрушение не могло бы иметь место” [5]. С тех пор русская школа строительной механики корабля занимает прочные позиции в научном мире, что проявилось в создании на отечественных верфях крупных надводных кораблей и многих судов новых типов.

Рис.49. Печально известный всему миру английский трансатлантический лайнер “Титаник” (L= 269 м; B= 28,2 м; T= 10,5 м; v=21,5 уз; N= 46000 л.с.), роковая гибель которого в 1912 г. показала какой может быть цена отсутствия непотопляемости и надежных спасательных средств судна: пароход унес с собой на дно океана наибольшее количество жертв за всю предыдущую историю мореплавания - 1490 чел. Разделяя корпус судна при проектировании на 16 отсеков, конструктор и строитель "Титаника" Т. Эндрюс действительно полагал, что он будет непотопляемым, однако каковы бы ни были истинные причины гибели этого судна наука о непотопляемости получает новый толчок для своего дальнейшего развития.

Обладая большим опытом проектирования боевых надводных кораблей для русского ВМФ, среди которых были линейные корабли типа “Севастополь” и линейные крейсеры типа “Измаил”, Бубнов существенно развивает теорию проектирования судов, подходя к этой науке с исследовательских позиций. В частности, он впервые в практике проектирования предлагает дифференциальное уравнение весов в функции главных размерений и метод "исправления прототипа", используемый для его решения, а также общее аналитическое выражение подводной поверхности судна.

Уравнение Бубнова

В 1916 г. Бубновым предложена формула для определения массы продольных связей в эквивалентном брусе при определении основных проектных элементов судна в первом приближении, имеющая важное значение на ранних стадиях проектирования. Тем самым, Бубнову впервые удалось учесть требования к обеспечению общей продольной прочности при определении основных проектных элементов судна через решение уравнения нагрузки в функции главных размерений.

Интересно отметить, что еще тогда Бубнов затрагивал вопрос оптимального проектирования судна, предлагая в качестве критерия оптимизации использовать приведенные затраты.

В конце первой мировой войны английским кораблестроителем Д.Байлсом были проведены исследования, посвященные совершенствованию конструкции корпуса металлических кораблей. Занимаясь проектированием эсминцев, удлинение которых доходило иногда до 11-12, он пришел к выводу о нерациональности продольно-поперечной (стрингерной) системы набора, применяемой в их корпусах.

Опыты с миноносцем “Вольф”, проведенные Байлсом в доке еще в начале века после трагической гибели истребителя «Кобра», показали, что наружная обшивка, являющаяся, как известно, основной продольной связью корабля, несет полную нагрузку только в местах, усиленных продольными ребрами жесткости. Уже в 1926 г. в Германии закладывается головной легкий крейсер “Кенигсберг” (рис.53), в конструкции корпуса которого впервые применена современная продольная система набора с продольными ребрами жесткости, дающая существенный выигрыш в весе корпуса (рис.50). Широкое применение при строительстве этого крейсера электросварки позволило еще более облегчить корпус корабля.

В конце 40-х годов продольная система набора практически повсеместно вытеснила продольно-поперечную и поперечную системы не только в военном, но и в гражданском судостроении.

а) б)
b₁ b₁ > > b₂ b₂
Рис.50. Схема продольно-поперечной (а) и современной продольной (б) систем набора днища судна: 1 - днищевые стрингеры; 2 - продольные ребра жесткости.

Существенным развитием теории проектирования судов явился изданный в 1920 г. научный труд Ховгарда “Проектирование боевых кораблей”, в котором обобщаются последние результаты в области проектирования судов на примере боевых кораблей.

В 1923 г. русский ученый-аэродинамик Борис Юрьев (1889-1957 гг.) опубликовывает работу “Влияние земли на аэродинамические свойства крыла”, которую можно считать первым научным исследованием давно известного в практическом воздухоплавании “эффекта экрана” (рис.51). Дальнейшее развитие этого теоретического направления аэродинамики в СССР, Германии, Италии и других европейских странах привело к созданию в середине тридцатых годов первых экранопланов - транспортных средств, представляющих собой симбиоз самолета и корабля.

Краткая биографическая справка: Борис Юрьев, русский ученый аэродинамик, ученик Жуковского, член Академии наук СССР, генерал-лейтенант инженерно-технической службы. Окончил и работал в Московском высшем техническом училище, преподавал в Московском авиационном институте, заведовал лабораторией прикладной аэродинамики в Институте механики АН СССР, участвовал в организации Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) им.Жуковского. Один из первых создателей геликоптера (вертолета) и основатель отечественного вертолетостроения. Автор трудов по теории воздушного винта и экрана, аэродинамике крыльев, проектированию вертолетов.

v = idem; P₂ > P₁

Рис. 51. Схема эффекта экрана.

Примерно в это время, продолжая исследования устойчивости тонкостенных цилиндров Леви и Р. Лоренца^*), австрийский математик и механик Рихард Мизес (1883-1953 гг.) решает сначала задачу устойчивости изотропной цилиндрической оболочки при всестороннем давлении (на цилиндрическую поверхность и торцы), а затем, по всей видимости, - и устойчивости оболочки, подкрепленной ребрами жесткости, т.е. круговыми шпангоутами, применительно к реальным конструкциям подводных лодок.

Развитие строительной механики подводных лодок в Германии, где работал Мизес, было обусловлено той ролью, которая уделялась подводным лодкам кайзеровского флота в годы прошедшей первой мировой войны.

И не случайно, что развитие этого научного направления прочности дальше позволило фашистской Германии уже в 1935 г., сразу после заключения англо-германского договора, иметь на вооружении подводные лодки типа MVB-1 и MVB-2 ^**) (рис.55) , способные погружаться на рабочие глубины от 80 до 100 м, не говоря уже о сложной технике для подводно-технических работ - глубоководных камерах и жестких скафандрах.

Рис. 52. Шхуна "Букау" (L= 51 м) явилась первым судном, на котором в 1924 г. немецким инженером А. Флеттнером были испытаны роторные движители, использующие эффект Магнуса.

В период с 20-х по 40-е годы дальнейшее развитие строительная механика корабля, в том числе подводных лодок, получила в научных трудах Саутсвелла, Юлиана Шиманского (1883-1962 гг.) и Петра Папковича (1887-1946 гг.), Винденбурга и Триллинга.

В 1927 г. русский ученый Константин Циолковский (1857- 1935 гг.), основоположник современной космонавтики, в своих научных трудах теоретически обосновывает принцип движения на воздушной подушке, что позволило уже в 30-х годах перейти к постройке в Советском Союзе первых экспериментальных судов и аппаратов на воздушной подушке (СВП).

Краткая историческая справка: Юлиан Шиманский, русский ученый-кораблестроитель, профессор, член-корреспондент Академии наук СССР. Окончил Морское инженерное училище и Морскую академию в Петербурге. Работал на Балтийском заводе и НИИ, преподавал в Морском инженерном училище в Кронштадте, в Военно-морской академии и Ленинградском кораблестроительном институте. Автор трудов по строительной механике подводных лодок, конструкции корпуса и прочности судовых конструкций.

Краткая историческая справка: Петр Папкович, русский ученый-кораблестроитель в области прочности и строительной механики, профессор, член-корреспондент Академии наук СССР, инженер-контр-адмирал. Окончил кораблестроительное отделение Петербургского политехнического института и Морское инженерное училище, ученик Бубнова и Крылова. Участвовал в проектировании боевых кораблей и разработке Правил Регистра СССР, работал на Адмиралтейском и Балтийском заводах, НИИ, преподавал в Политехническом институте, Военно-морской академии и Ленинградском университете. Автор трудов по строительной механике, прочности и вибрации судов.

В 1928 г. советский ученый Василий Власов (1896-1959 гг.) предлагает новый метод вычисления элементов корабля для произвольной ватерлинии, что явилось значительным вкладом в развитие теории непотопляемости судна.

С 1928 по 1937 г. советскими учеными Георгием Павленко (1898-1970 гг.), Николаем Кочиным (1901-1944 гг.), Леонидом Сретенским (1902-1973 гг.), Леонидом Седовым (р. 1907 г.) и Мстиславом Келдышем (1911-1978 гг.) разрабатывается современная теория волнового сопротивления судна, а в течение 30-х годов Седов и, независимо от него, немецкий ученый-гидродинамик Г. Вагнер фактически формируют фундаментальную теорию глиссирования.

В 1934 г. советский ученый Леонид Лейбензон (1879-1951 гг.), который считается основателем науки о подземной гидравлике, впервые решил задачу колебания конструкции под воздействием жидкости путем совместного решения уравнений движения упругой конструкции и жидкости, положив начало новому научному направлению - гидроупругости конструкций, - науке, находящейся на стыке гидромеханики и прочности.

	Краткая историческая справка: Георгий Павленко, советский ученый-кораблестроитель в области гидромеханики и теории корабля, профессор, член Академии наук УССР. Окончил кораблестроительный факультет Ленинградского политехнического института, работал на судостроительном заводе и НИИ, преподавал в Ленинградском кораблестроительном институте и Одесском институте инженеров морского флота. Внес большой вклад в развитие экспериментальной гидродинамики (по проектам и под руководством Павленко построены два опытовых бассейна). Труды по теории гребного винта и глиссирования, устойчивости судов, волнового сопротивления, остойчивости и качке.
	Краткая историческая справка: Николай Кочин, советский математик, механик, член Академии наук СССР. Окончил Петроградский университет, преподавал в Ленинградском и московском университетах. Один из основателей современной динамической метеорологии, возглавлял Институт теоретической метеорологии, отдел механики Института математики АН СССР. Труды по теории глобального климата, волнового сопротивления и подводного крыла, качки корабля и аэродинамике.
	Краткая историческая справка: Леонид Сретенский, советский математик и механик, профессор, член-корреспондент Академии наук СССР. Окончил физико-математический факультет Московского университета, преподавал в Московском гидрометеорологическом институте и Московском университете, работал в Центральном аэрогидродинамическом институте, Институте теоретической геофизики и Морском гидрофизическом институте АН СССР. Труды по теории волн, теоретической механике, геофизике, гидрогазодинамике, теории приливов и волнового сопротивления.

Краткая историческая справка: Леонид Седов, советский математик и механик, профессор, член Академии наук СССР и иностранных АН. Окончил и работал в Московском университете, заведующий отделением механики Математического института им.Стеклова АН СССР. В годы Великой отечественной войны разрабатывал различную военно-морскую технику. Труды по математике, аэродинамике и гидромеханике, тензорно-физической теории симметрии, теории относительности и моделирования в механике, теории волн и полей, теории крыла и глиссирования. Автор теории сильного взрыва. Один из основателей советской научной школы механиков.

Краткая историческая справка: Мстислав Келдыш, советский математик и механик, профессор, член и президент Академии наук СССР и иностранных АН, депутат Верховного Совета. Окончил Московский университет, работал в Центральном аэрогидродинамическом институте, Московском университете, Математическом институте им.Стеклова АН СССР, директор Института прикладной математики АН СССР. Труды по математике, аэрогидродинамике, теории удара тел о жидкость и флаттера. Впервые применил в гидродинамике теорию функций комплексного переменного, руководил космическими программами.

В 1935 г. русский кораблестроитель и ученый Валентин Поздюнин (1883-1948 гг.), являющийся учеником Боклевского, издает учебник “Теория проектирования судов”, который явился крупным вкладом в развитие этой науки. Примерно в это же время Поздюниным и Львом Ногидом (1892-1972 гг.) был предложен метод вариаций и заложены основы оптимизации проектов судов, потребующие в послевоенный период интенсивного привлечения математического аппарата оптимизации, уже широко применяемого в экономических теориях капитализма.

Краткая историческая справка: Валентин Поздюнин, русский кораблестроитель и ученый, профессор, член Академии наук СССР. Окончил кораблестроительное отделение Петербургского политехнического института, Кронштадское морское инженерное училище, работал на Балтийском заводе помощником строителя и конструктором кораблей, в Бюро проектирования судов Главного управления кораблестроения и Адмиралтейского завода, во время войны заведовал отделом гидравлики Института механики АН СССР в Москве. Преподавал в Петербургском политехничесом институте, был деканом кораблестроительного отделения, один из создателей Ленинградского кораблестроительного института. Один из организаторов и руководителей первых советских НИИ судостроительной промышленности и морского флота, принимал участи в проектировании и строительстве первых советских судов торгового флота. Один из создателей издательства Судпрогиз, организатор и редактор 15-томного «Справочника по судостроению». Труды по теории проектирования судов, судовым устройствам, архитектуре корабля, гидромеханике и теории гребного винта.

Краткая историческая справка: Лев Ногид, советский ученый-кораблестроитель в области проектирования судов, профессор. Участник Первой мировой и гражданской войны. Окончил кораблестроительное отделение Ленинградского политехнического института, работал в конструкторском бюро, преподавал в Ленинградском кораблестроительном институте. Труды по теории проектирования судов. Автор оригинальной теории моделирования движения ледокола во льдах.

С 1934 по 1941 г. советские ученые-гидродинамики Константин Федяевский (1903-1970 гг.) и Лев Лойцянский создают современную теорию пограничного слоя, причем последний детально исследует физическую природу вихревого сопротивления.

Краткая историческая справка: Константин Федяевский, советский ученый в области гидродинамики и теории корабля, профессор, заслуженный деятель науки и техники. Окончил Московское высшее инженерное училище, преподавал в московских ВУЗах и Ленинградском кораблестроительном институте, работал в Центральном аэрогидродинамическом институте. Труды по теории пограничного слоя, гидродинамике подводных тел и управляемости судов. Автор вихревой математической модели корпуса судна.

В начале 40-х годов, когда в условиях военного времени советские конструкторы быстроходных кораблей все чаще сталкивались с непреодолимой проблемой кавитации гребных винтов, Поздюнин предлагает парадоксальное решение: бороться с кавитацией путем ее интенсификации. Открытое явление назвали “суперкавитацией”, а гребные винты, эффективно работающие в таких условиях, - суперкавитирующими (рис.57).

Примерно в это же время советский ученый Валентин Новожилов (1910-1988 гг.) начинает работать над общей теорией тонких оболочек и нелинейной теорией упругости, которые в послевоенный период явились значительным вкладом в развитие строительной механики корабля и нашли применение, в частности, в практике проектирования глубоководных подводных лодок.

В 1943 г. американский ученый Рихард Курант (1888-1972 гг.) на основе работ А. Хренникоффа предлагает численный расчетный метод, позволяющий с использованием приема дискретизации определять напряженно-деформированное состояние достаточно сложных с точки зрения строительной механики конструкций. Такой подход к анализу напряженно-деформируемого состояния сложных конструкций был вызван тем, что традиционно при проверке прочности объекта она всегда условно разделялась на общую и местную с вытекающими отсюда упрощениями. Однако, зачастую выяснялось, что упрощение взаимовлияния элементов общей и местной прочности приводит к значительным погрешностям и чем сложнее конструкция, тем они больше. Поэтому общее восприятие картины работы таких конструкций можно увидеть только, разбив ее на множество элементов, связанных в узлах между собой.

Так были заложены теоретические основы новых конечноэлементных численных методов, которые могли быть эффективно реализованы только в условиях интенсивного развития вычислительной техники.

Краткая историческая справка: Валентин Новожилов, советский ученый-кораблестроитель, член Академии наук СССР и Английского общества корабельных инженеров. Окончил Ленинградский физико-механический институт, работал в НИИ и занимался проектированием кораблей, преподавал в Ленинградском университете. Труды по строительной механике и теории упругости. Один из основоположников нелинейной теории упругости.

Глава 5. Кибернетический период эволюционного развития корабельных наук с 1945 г. по настоящее время)