Человек, построивший гиперболоид

Перечень сооружений, сделанных под руководством и по проектам Владимира Григорьевича Шухова, кажется бесконечным: паровые котлы, нефтеперегонные установки и нефтехранилища, трубопроводы, резервуары, насосы, газгольдеры, висячие металлические перекрытия, железнодорожные мосты, воздушно-канатные дороги, маяки, радиобашни… Всего не перечислить.

Родился Шухов 28 августа 1853 года в городке Грайворон Курской губернии, ныне Белгородской области. Родители — служащий экспедиции заготовления государственных бумаг Григорий Петрович Шухов и его жена Вера Капитоновна.
Детские годы Владимир провел в деревне. Закончил с отличием 5-ю Петербургскую гимназию, а в 1876 году — Московское высшее техническое училище, получил диплом инженера-механика и был отправлен в командировку в Соединенные Штаты для знакомства с американской промышленностью.

Начало пути

Много лет спустя Шухов напишет: «Наше образование грешило многими пробелами… Но все же от нас требовали прекрасного усвоения основ физико-математических знаний, на базе которых инженер имеет все для своего дальнейшего самостоятельного роста». И действительно, все последующее инженерное творчество Шухова в значительной мере основано на его солидной теоретической подготовке, полученной под руководством таких учителей, как Чебышев и Жуковский.

Еще в гимназии юный Шухов проявил незаурядные способности. Его одноклассники потом вспоминали такую историю. Когда преподаватель математики спросил, кто желает доказать теорему Пифагора, к доске вышел Владимир Шухов и сказал: «Я попробую доказать теорему Пифагора другим, более простым способом, чем вы нам рассказывали». Выслушав Шухова, педагог вынужден был признать, что доказательство безупречно, однако объявил, что снижает балл «за нескромность и вольнодумство».

Успехи Шухова-студента заметил и оценил не только профессор Николай Егорович Жуковский, преподававший в училище высшую математику и теоретическую механику, но и педагоги, ведущие со студентами практические занятия по слесарному, токарному, литейному и кузнечному мастерству. Незадолго до выпуска Шухов сделал доклад об изобретенной им форсунке.

Училище окончено, и тут Шухову поступает неожиданное предложение: вместе с группой профессоров и выпускников отправиться в командировку для изучения, как было сказано в приглашении, «Филадельфийской выставки и ознакомления с более известными заводами, фабриками и искусственными сооружениями».
Не успел Шухов дать согласие, как его пригласил к себе академик Пафнутий Львович Чебышев, который предложил талантливому выпускнику совместную научную работу. Шухов обещает продолжить этот разговор после возвращения из Америки. Но год спустя он отказывается от почетной роли сотрудника великого ученого и поступает на скромную должность в чертежном бюро Управления Варшавско-Венской железной дороги, находящемся в Петербурге. Выбирая между теорией и практикой, он предпочел работу практического инженера.

Правда, удовлетворения работа ему не приносит. В управлении не поощряется поиск новых технических решений, все делается по шаблону. Но судьба сводит Шухова с инженером и предпринимателем Александром Вениаминовичем Бари, с которым он случайно познакомился на Филадельфийской выставке. Возможно, это был главный результат американской командировки. Бари успел прожить несколько лет в США, но вернулся, будучи уверен, что со своими способностями он быстрее добьется успеха в России, стоящей, как он считал, на пороге великого промышленного развития.

Нефтепровод, нефтехранилища, форсунки

Бари создает строительную техническую контору, одну из первых в Москве, и предлагает Шухову принять руководство отделением конторы в Баку — быстро развивающемся центре русской нефтяной промышленности. Семидесятые годы XIX века — время повсеместного распространения в России освещения на основе горючего, именуемого фотогеном, который потом стал называться керосином.

Но надежды Бари найти заказчиков в Баку для своей конторы не сбываются. Познакомившись поближе с бакинскими нефтепромышленниками, он составил о них не очень лестное мнение. Бакинские промышленники не видят толка в каких-то усовершенствованиях процесса добычи и переработки. Выручают братья Нобель, компания которых сумела занять господствующее положение в нефтяной промышленности Апшерона.

Первейшая забота Нобеля — доставка и хранение нефти. Товарищество братьев Нобель не может больше мириться с перевозкой нефти в бурдюках и бочках. Перевозка обходится дороже, чем добыча. Компания решила строить трубопровод от Балаханских промыслов к фотогенному заводу в Черном городе.

И Нобели решают рискнуть. Проектировать нефтепровод и руководить его строительством поручено Владимиру Шухову. Ему впервые в России нужно спроектировать трубопровод и станционные сооружения, выбрать наиболее пригодные для данного случая конструкции насосов и других механизмов, определить, какого типа должны быть резервуары для хранения нефтепродуктов. В работу Нобели не вмешиваются. Главное, что их волнует, — как быстро окупятся расходы.

Шухов не только построил нефтепровод, он заложил основы теории, которая и сегодня служит проектировщикам и строителям трубопроводов.

Проходит несколько недель после пуска нефтепровода, и Бари в своей московской конторе распечатывает телеграмму от Шухова: «Лианозов заказывает трубопровод одиннадцать верст тчк есть предложение Мирзоева». Это были крупнейшие бакинские нефтедобытчики.

Конкуренты Нобеля спешат наверстать упущенное. Бакинский филиал конторы Бари обеспечен заказами надолго вперед.

Проектируя и строя свой первый нефтепровод, Шухов параллельно занимается резервуарами — хранилищами нефти. Прежде для этого строили большие амбары или бассейны, облицованные камнем или оштукатуренные изнутри цементом местного производства, который изготовлялся по особому рецепту из смеси извести с золой от верблюжьего или ослиного помета, виноградной патокой, яйцами и козьей шерстью.

А металлические резервуары для нефти обычно имели прямоугольную форму. В это время было широко распространено мнение, что такие коробки проще строить из плоских металлических листов, обходясь без вальцовки и всех тех сложностей, с которыми связано точное совмещение криволинейных кромок.

Шухов строит для нефтепровода Балаханы — Черный город и тем самым впервые вводит в практику металлические резервуары цилиндрической формы. Днища резервуаров опираются непосредственно на грунт — на простое, но хорошо подготовленное песчаное основание.

Как раз в то время в качестве жидкого топлива для паровых машин стали применяться так называемые нефтяные остатки керосинового производства. Шухов возвращается к конструкции форсунки, изобретенной им еще в 1876 году, в студенческие времена. Ему удается максимально улучшить распыление мазута. Не ограничившись этим, он разрабатывает конструкцию топки с подогревом воздуха, поступающего к пламени. Попадая в раскаленную камеру сгорания, мазут, превращенный в мельчайшую пыль, почти мгновенно испаряется, не оставляя золы и копоти.
На протяжении многих лет форсунка Шухова занимает господствующее место среди разнообразных приборов для распыления жидкого топлива.

Возвращение в Москву

В 1882 году, всего через два года после переезда Владимира Григорьевича в Москву, на счету строительной конторы Бари значится 130 стальных резервуаров, построенных по шуховским проектам. Владимир Григорьевич со своей группой одновременно успевает вести работу над проектом водоснабжения Тамбова, проектирует насосы для киевского водопровода и железную наливную баржу для перевозки керосина, разрабатывает конструкции стропил для новых корпусов гвоздильного завода Гужона в Москве.

Доходы фирмы быстро растут. Объем работы проектного бюро Шухова увеличивается из года в год. В 1883 году оно выпустило 175 комплектов чертежей различных сооружений, в следующем году их было уже 275.

Одна из задач, занимающих Шухова в это время, — создание научной теории сооружения и эксплуатации нефтепроводов. Шухов проводит не только инженерные, но и технико-экономические расчеты: как достичь минимума суммы эксплуатационных расходов и капиталовложений на постройку нефтепровода.

Одновременно он приступает к теоретическому обоснованию процесса транспортировки мазута по трубам. Известно, что с повышением температуры мазута уменьшается его вязкость и облегчается движение по трубам. Руководствуясь этим, Шухов построил первый в мире трубопровод с подогревом перекачиваемого мазута, определил наиболее выгодный диаметр труб при заданном расходе мазута.

На очереди — проблема хранения нефти. В те времена господствовало убеждение, что резервуар должен покоиться на сплошном массивном фундаменте. Проведя инженерно-математический анализ, Шухов смог доказать: если днище опирается на упругое земляное основание, нет никаких причин опасаться, что деформации грунта вызовут в корпусе резервуара перенапряжения. Одновременно он решает задачу определения оптимальных размеров металлического резервуара, чтобы тот имел наименьший вес при данном объеме. Это позволило российским резервуаростроителям применять металл толщиной четыре миллиметра, тогда как немцы использовали для этой цели пятимиллиметровые листы, а американцы считали минимально допустимой толщиной 6,35 миллиметра.

В перечне грузов, перевозимых по Волге, нефть быстро выдвигается на одно из первых мест, успешно соперничая с зерном и лесом. На речных берегах появляются нефтяные склады Нобеля и других промышленников. До восьмидесятых годов XIX века нефть по Волге возили главным образом в бочках. 

Волжским пароходчикам Шухов был известен как инженер, по проектам которого сооружено множество железных нефтяных резервуаров на прибрежных складах. Пароходное общество «Лебедь» обращается в контору с заказами на железные наливные баржи.

Разрабатывая рациональную конструкцию нефтеналивных судов, Шухов вновь возвращается к уравнениям, выведенным им для практического расчета резервуаров. Он смело удваивает длину нефтеналивных барж, доводит ее до 150–170 метров, почти не изменяя при этом сечения основных несущих элементов. К концу XIX столетия не менее трех четвертей всех нефтеналивных судов, ходивших по Волге и Каспию, приходилось на шуховские металлические баржи.

А неутомимый Бари подсказывает Шухову еще одну весьма актуальную для того времени тему — разработку рациональных конструкций паровых котлов. И тот создает свой знаменитый горизонтально-водотрубный котел с наиболее совершенной по тем временам теплопередачей, которому были присуждены почетные награды на Всероссийской промышленной выставке 1896 года и на Всемирной промышленной выставке 1900 года в Париже. Шуховские котлы ставят рекорды долголетия. Даже в середине ХХ века их можно было обнаружить на небольших предприятиях, насосных станциях, водокачках.

Крекинг

Еще в Баку Нобели заказывают бакинскому отделению конторы Бари разработку установки непрерывной перегонки нефти. В рекламном издании «30 лет фирмы братьев Нобель» было сказано, что ей удалось установить «неизвестную дотоле ни в Европе, ни в Америке систему непрерывной перегонки нефти в последовательно сообщающихся кубах». Изобретение Шухова входит в промышленный обиход под названием «нобелевской батареи».

Эту работой Шухов ведет вместе с инженером Феликсом Александровичем Инчиком, сотрудником проектного отдела конторы. В конструкцию установки заложен принцип противотока: нефть и ее погоны, которые образуются в процессе разложения, постепенно подогреваются движущимися им навстречу горячими остатками и отходящими газами. Промышленную проверку аппарат Шухова и Инчика получает в 1887 году на бакинском заводе Сидора Шибаева.

В эти же годы у Шухова возникает интерес к процессам так называемого глубокого разложения нефти. Шухов берется за разработку технологической и аппаратурной стороны этого процесса на принципиально новых началах совместно со своим товарищем по Московскому высшему техническому училищу инженером-механиком Сергеем Гавриловым.

В установке, созданной Шуховым и Гавриловым, под воздействием тепла и давления сложные молекулы мазута расщепляются на более простые молекулы керосиновой фракции. Отсюда и название процесса — крекинг, что по-английски означает «раскалывание», «расщепление». В новой установке цилиндрические кубы впервые уступают место трубчатым печам. Принудительная циркуляция улучшает теплопередачу, предохраняет трубы от преждевременного закоксования, дает возможность по желанию получать разные доли перегоняемых продуктов.
Несмотря на очевидные преимущества крекинг-процесса, нефтепромышленники в то время не проявили к нему заметного интереса. Они не видели смысла увеличивать отгон бензина, так как этот продукт не пользовался широким спросом. Основными товарными продуктами нефтяной промышленности были мазут, применяемый как котельное топливо, и керосин.

Одна из самых прогрессивных технических идей XIX столетия была надолго забыта. Лишь наступление эры двигателя внутреннего сгорания вернуло интерес к изобретению.

#image-kit_594

Нижегородская выставка

В 1896 году в Нижнем Новгороде состоялась XVI Всероссийская промышленная и художественная выставка. 

Бари решил принять в ней участие. Встал вопрос, что демонстрировать. Шухов предложил Бари добиться от выставочного комитета получения подрядов на сооружение павильонов выставки, предложив конструкции павильонов бесплатно, чтобы были возмещены лишь расходы на их сборку на месте. Это заведомо позволит выиграть контракты и показать возможности конторы: незадолго до этого над цехом котельного завода Бари в Симоновой слободе было возведено по новой технологии подвесное сетчатое покрытие, спроектированное Шуховым. Шухов создал, по существу, новый класс конструктивных форм, которые достаточно просто собирались из одинаковых элементов, изготовленных из металла уголкового или зетового профиля. Такие здания должны были поразить публику.

Уже в первые часы после открытия выставки стало ясно, что здания, построенные по проектам Шухова, стали одной из главных достопримечательностей. Газеты писали, что сетчатые покрытия выставочных павильонов строительного и инженерного дела выглядели как шатры первобытного человека, сделанные из шкур. И действительно, у них было нечто общее: основные элементы и подвесного сетчатого покрытия, и древнего как мир шатра работают по преимуществу на самый выгодный в инженерном смысле вид усилия — на растяжение.

В поисках возможности уменьшения веса материала, затрачиваемого на единицу площади покрытия, Шухов задался вопросом, насколько оправданно традиционное устройство всех общепринятых покрытий, состоящих из четырех рабочих элементов — настила, обрешетки, прогонов и стропильных ферм, условия работы которых неодинаковы: на долю каждого последующего элемента приходится нагрузка от всех предыдущих. Неизбежно возрастает вес фермы. Шухов стремится его уменьшить. Анализируя стропильную ферму с этих позиций, Владимир Григорьевич как и раз и приходит к сетчатым поверхностям.

Гиперболоид

На этой же выставке Шухов впервые демонстрирует еще одну свою новую разработку — башню в виде однополостного гиперболоида. Все инженеры проходили и проходят в институтах курс аналитической геометрии, в котором приводятся уравнения однополостного гиперболоида. Но только Шухов увидел в этой фигуре возможности для реализации в строительстве. 

Дело в том, что поверхность гиперболоида может быть представлена не только как результат вращения гиперболы — вокруг некоторой оси. Гиперболоид обладает замечательным свойством: через каждую его точку проходят две прямые линии, целиком лежащие на нем. Однополостной гиперболоид как бы соткан из прямых линий. Именно это свойство было положено Шуховым в основу нового вида сетчатых конструкций, в которых пространственный каркас, имеющий криволинейные очертания, образован из одинаковых прямых элементов. В шуховских башнях металлические элементы расположены так же, как прямолинейные образующие однополостного гиперболоида вращения.
До появления шуховских башен высотные металлические конструкции состояли обычно из стоек, взаимно соединенных связями, как на Эйфелевой башне. Задача этих связей — образовать систему, воспринимающую горизонтальные ветровые нагрузки, обеспечить жесткость башни и устойчивость ее элементов. Как правило, связи не участвуют в передаче вертикальных нагрузок, а стойки лишь частично «работают» на горизонтальные ветровые нагрузки. Получается, что прочность связей, требующих по условиям жесткости металла больших сечений, используется далеко не в полной мере.

Шухов впервые превратил математическую абстракцию гиперболоида в практическую конструктивную форму. 

В январе 1896 года он заканчивает расчет этой оригинальной высотной конструкции и подает заявку на выдачу привилегии. В мае того же года гиперболоидная башня Шухова уже высится над выставочным городком в Нижнем Новгороде.

Идея сетчатых гиперболоидных башен, как и многих других изобретений Шухова, была буквально на лету подхвачена проектировщиками и конструкторами, разглядевшими ее преимущества и применявшими ее без ведома автора, невзирая на полученную им привилегию. 

В России широкое признание завоевывают шуховские водонапорные башни. Увенчанные круглыми шапками резервуаров, издали похожие на шахматных ферзей, они вырастают повсеместно, быстро вытесняя башни из кирпича.

Выставка принесла конторе Бари еще большую известность и еще больше заказов. В частности, министерство путей сообщения поручает конторе Бари многие постройки для железнодорожного транспорта.

В одном только 1906 году Шухов строит станционные здания в Рыбинске, Астрахани, Лихоборах, путепровод на станции Златоуст, мост через реку Павловку, создает различные конструкции для Николаевской, Самаро-Златоустовской, Сызрано-Златоустовской и других железных дорог, мосты и другие сооружения для Оренбург-Ташкентской железной дороги, открывшейся в том же году.

К 1900-м годам относится множество арочных перекрытий, созданных Шуховым в Москве: перекрытия над торговыми рядами (нынешний ГУМ), над рестораном в гостинице «Метрополь»), стеклянные своды в здании бывшего Училища живописи, ваяния и зодчества, над дебаркадером Брянского (ныне Киевского) вокзала. подпись Шухова стоит также на проектах трехшарнирных ферм и конструкций сцены Московского художественного театра, раздвижной крыши для обсерватории Московского университета. Именно он проектировал стальные каркасы зданий магазина «Мюр и Мерилиз» (нынешний ЦУМ), пассажа Постникова, московского холодильника, Азовско-Донского банка…

Но началась война, и с ней пришли заказы военного ведомства. Одним из них было задание разместить на перевозимых платформах осадные орудия. Платформа должна была быть рассчитана не только на тяжесть двухсотпудового орудия и на усилие, возникающее в момент выстрела, она еще должна была позволить легко менять направление обстрела.

Новые времена

В 1917 году настали новые времена. По воспоминаниям многих, знавших Шухова, он встретил их, как когда-то Архимед встретил римских солдат: «Не трогай моих чертежей!» К счастью, судьба Шухова в это сложное время оказалась счастливее судьбы Архимеда. 

Уже в июле 1919-го новая власть обращается к Шухову с предложением построить высотную радиобашню. Шухов принимает предложение. Металлическая башня небывалой высоты позволяла использовать все преимущества гиперболоидной конструкции.

В Государственном объединении радиотехнических заводов разработано несколько вариантов новой мощной московской радиостанции. Один из них должен обеспечить круглогодичную связь Москвы с Красноярском двадцать четыре часа в сутки, а с Владивостоком и Нью-Йорком — двадцать два часа в сутки. Станция должна располагать воздушной сетью, подвешенной на три башни высотой 350 метров или же на две башни высотой 350 метров и две башни — 275 метров. Шухову поручают проектирование и строительство 350-метровых металлических башен.

Первоначально предполагали построить их в Кремле. Однако обследование показало, что разместить на кремлевской территории радиостанцию требуемой мощности вряд ли удастся. Мешают высокие металлические массы куполов Ивана Великого и Успенского собора, крыши и железные конструкции Кремлевского дворца. Более подходящим местом для сооружения мощной станции признали Дровяную площадь в Замоскворечье, по соседству с Шаболовкой.

Уже сделан первый эскизный набросок, подсчитан примерный вес металла, необходимого для сооружения, но вскоре, однако, выясняется, что на столь грандиозный проект у новой власти нет ресурсов. Теперь высота металлической конструкции предполагается 150 метров. 

Вызванное разрухой отсутствие техники не мешает строительству. Шухов применяет уже неоднократно использованную им технику крупноблочного монтажа конструкций: каждый последующий ярус башни собирается на земле внутри первого яруса, а дальше поднимается на необходимый уровень блоками полиспастов.
Но верхний диаметр ранее смонтированной части башни и нижний диаметр следующей, устанавливаемой выше, секции должны быть абсолютно одинаковыми. И нижнюю секцию просто так не протащить через «горло» нижней. Чтобы преодолеть эту проблему, Шухов стягивает основание монтируемой секции деревянной обстройкой — так называемой диафрагмой. Как только движущаяся вверх секция благополучно минует верхнее кольцо ранее смонтированного яруса, стягивающая их диафрагма удаляется. Освобожденное от стяжек основание расправляется, принимая проектное положение. Эта возможность — результат гибкости конструкции башни. 

Идет подъем четвертой секции. И тут разрывается трос одной из лебедок. С 75-метровой высоты секция падает вниз. Погнут третий ярус, повреждены второй и первый. Мало того, всей своей тяжестью рухнувшая стальная громада сминает стоявшие на земле и готовые к подъему пятую и шестую секции.

Комиссия, созданная для расследования аварии, в которую входили лучшие инженерные умы, пришла к выводу, что причиной стало плохое качество металла. В акте прямо было записано: «Проект безупречен». Но Шухова начали вызывать на допросы в ВЧК. Наконец, 30 июля 1921 года он записал в дневнике: «Приговор Шухову — условный расстрел». Это значит одно: пока достраиваешь башню, что больше никто другой сделать не может, — живешь, а там посмотрим. Теперь любая ошибка могла стоить инженеру жизни. Но ошибок не было, и 19 марта 1922 года работа была с успехом сдана государственной комиссии.

Гиперболоид Шухова вдохновлял многих деятелей искусства. Владимир Татлин еще в 1919 году разработал «Памятник III Коммунистическому Интернационалу», конструкция которого напоминала гиперболоиды Шухова, а Алексей Толстой использовал этот образ в романе «Гиперболоид инженера Гарина».

И в это время мир вспомнил о патенте Шухова на крекинг. В 1923 году в Москву прибыла делегация компании «Синклер Ойл», чтобы получить информацию о крекинге нефти, изобретенном Шуховым. Ученый, сравнив свой патент 1891 с американскими патентами 1912–1916 годов, доказал, что все эти американские крекинг-установки повторяют его патент и не являются оригинальными. Международный патентный суд в Гааге в 1923 году признал Шухова и Гаврилова единственными изобретателями термического крекинг-процесса. 

Дело в том, что в 1913 году рокфеллеровская нефтяная компания «Стандард ойл» громогласно объявляет об успехе, достигнутом в ее лабораториях химиком Вильямом Бартоном, которому удалось резко повысить выход бензина за счет тяжелых фракций нефти благодаря использованию нового метода перегонки — крекинг-процесса. Число крекинг-установок в Соединенных Штатах быстро растет. Патент на процесс позволяет концерну наживать миллионные прибыли, оттесняя конкурирующие компании.

Такое положение вещей никак не устраивало основного конкурента «Стандард ойл» — «Синклер ойл», которая уже не раз, правда без особого успеха, затевала судебные процессы с целью лишить Рокфеллеров монопольного права на крекингование нефти. Изучаются своды патентов, выданных не только в Америке, но и в других странах. Выясняется, что изобретение, авторство которого приписывается Бартону, почти на четверть столетия раньше запатентовано в России. Монополию «Стандард ойл» удается разрушить. 

А в 1934 году по проекту и при техническом руководстве Владимира Григорьевича Шухова был построен нефтеперерабатывающий завод «Советский крекинг» в Баку, где впервые в России был использован шуховский патент на крекинг-процесс при создании установок для получения бензина.

После окончания Гражданской войны техническая контора и завод «Парострой», возглавляемые Шуховым, выполнили немало проектов: среди них мост с 50-метровым пролетом под нефтепровод в Грозном, конструкции для электростанции в Нижнем Новгороде, водонапорные вышки для Орехово-Зуева и Самары, цеха Верх-Исетского и Белорецкого заводов, резервуары для «Эмбанефти» и «Грознефти», мачты для линий электропередачи Донецкого бассейна.

А в Москве это перекрытия библиотеки Дома Союзов, Клуба имени Кухмистерова, конструкции для зала пленумов МК ВКП(б) и завода «Пролетарский труд».
Шухов был первым из виднейших русских инженеров, избранных в Академию наук СССР. До этого академия не принимала в свои ряды инженеров. 

Масштаб сделанного Владимиром Шуховым поражает, но одно из его достижений произвело особое впечатление на современников: выпрямление минарета в Самарканде, древнего архитектурного памятника Средней Азии. Один из минаретов здания медресе, построенного в Самарканде по замыслу знаменитого астронома Улугбека, во время землетрясения сильно накренился. Крен продолжал увеличиваться, что грозило памятнику полным разрушением. Выпрямление было начато 7 января и закончено 11 января 1932 года. «Во время работ не обвалилось ни одного кирпичного основания и <…> не появилось ни одной новой трещины», — говорится в письме, полученном Шуховым из Самарканда. Блестяще проведенная реставрация ценного исторического памятника вошла в историю классических работ по восстановлению архитектурных сооружений.

Спустя семь лет, в 1939 году, Шухов погиб. В своей квартире в Москве он случайно опрокинул на себя свечу. Обожженной оказалась треть тела. Рассказывают, что он умер через пять дней в полном сознании, до конца сохранив достоинство и свойственное ему чувство юмора.