Пять лет назад на полную проектную мощность заработал Крымский мост. Переправу с материка на полуостров вводили в строй в несколько этапов. В мае 2018 года с участием президента России Владимира Путина открыли автомобильный мост и по нему началось движение легковых машин. Осенью пустили грузовики. В декабре 2019 года приняли в эксплуатацию железнодорожную переправу. Началось пассажирское движение. И только 30 июня 2020 года в Крым прошёл первый товарняк. С этого момента мост заработал в полном объёме.

Инженеры и учёные Санкт-Петербурга внесли весомый вклад в создание сухопутного пути через Керченский пролив. Так в Крыловском государственном научном центре выяснили, как будет вести себя мост в условиях ветровой нагрузки. Его макет продули в уникальной ландшафтной аэродинамической трубе.

Кому и зачем это нужно

Испытывать мосты в аэродинамической трубе – это не прихоть заказчиков или проектировщиков. Подобного рода проверки – суровая необходимость. Если этого не сделать, есть немаленький шанс лишиться плодов своего многолетнего труда, понести убытки на миллионы, а то и миллиарды рублей. Счастье, если удастся избежать человеческих жертв. Вот только два примера того, к чему приводит подобного рода халатность.

Знаменитый Такомский мост в США был открыт для движения транспорта 1 июля 1940 года. Ещё во время возведения строители дали ему прозвище «Галопирующая Герти» из-за вибрации пролётов в ветреную погоду. Через полгода после открытия переправы при ветре, дувшем со скоростью 65 километров в час, мост начал раскачиваться и рухнул. В тот момент на нём находилась единственная машина, водитель которой сумел спастись. Как показало расследование, конструкторы забыли о существовании ветровых нагрузок. И когда частота воздушного потока совпала с частотой колебаний конструкции, возник резонанс, который и привёл к катастрофе.

Более свежий пример уже из российской истории – знаменитый «танцующий мост» в Волгограде. Его первая очередь была сдана в эксплуатацию 10 октября 2009 года. А 20 мая 2010 года при сильном, но далеко не предельном для тех мест ветре конструкции судоходных пролётов длиной более 150 метров начали колебаться. Причём довольно сильно. По свидетельствам очевидцев, машины подбрасывало и разворачивало. Движение пришлось закрыть. Как установила экспертная комиссия, причиной «танца» стал опять-таки ветровой резонанс. После продувки модели моста в аэродинамической трубе были выработаны рекомендации, как совладать со стихией.

Избежать подобных неприятностей и помогают большие ландшафтные аэродинамические трубы. Первая с закрытой рабочей частью длиной более 15 метров и шириной более 8 метров была построена в пригороде Копенгагена в начале 1980-х годов.

«В это время в Дании шло проектирование моста Большой Бельт длиной 2800 метров, который и по сей день остаётся одним из лидеров по длине центрального пролёта – 1624 метра, – рассказывает начальник отделения гидроаэродинамики Крыловского центра Вячеслав Магаровский. – Для корректного учёта аэродинамических нагрузок необходимо было изготовить модель моста в достаточно крупном масштабе с учётом окружающего ландшафта. Стало очевидным, что для подобного уникального проекта недостаточно «стандартных» аэродинамических труб с шириной рабочей части около 4 метров. Возникла необходимость строительства уникальной специализированной аэродинамической трубы ландшафтного типа. Таким образом, проектирование моста Большой Бельт дало толчок к созданию новой экспериментальной установки».

Можем и сами

В нашей стране первая подобная труба была построена и введена в эксплуатацию в 2013 году в Крыловском центре.

«В России примерно с 2005 года стали реализовывать амбициозные проекты по строительству высотных зданий, – вспоминает Вячеслав Магаровский. – В это время в стране существовало большое количество аэродинамических труб для нужд авиакосмической промышленности. Они характерны замкнутым контуром, короткой открытой рабочей частью и, в силу отсутствия возможности моделирования пограничного слоя атмосферы, не могут использоваться для исследований архитектурных объектов. Для исследований большепролетных мостов, небоскрёбов, стадионов и других уникальных сооружений необходимо обеспечить достаточно крупный масштаб исследуемой модели и корректно моделировать пограничный слой атмосферы, что под силу осуществить лишь в специализированной ландшафтной аэродинамической трубе с закрытой рабочей частью, имеющей значительную длину и ширину не менее 10 метров. До 2013 года из-за отсутствия специализированных аэродинамических труб в России практически все уникальные мосты исследовались в иностранных научных центрах Дании, Франции и других стран».

Ландшафтная аэродинамическая труба Крыловского научного центра была построена совместно с АО «Гипростроймост – Санкт-Петербург» в 2013 году и стала первой в России. Руководил работами Сергей Соловьёв. Длина рабочей части трубы 18 метров и ширина – 11. Она состоит из двух уровней. На верхнем располагается установка для создания воздушного потока. На нижнем – рабочая часть, где, собственно, и располагаются макеты объектов, аэродинамику которых необходимо выяснить.

При таких габаритах учёные могут моделировать движение воздуха в приграничных слоях атмосферы, продувать крупные макеты с хорошей детализацией, что существенно повышает эффективность проводимых испытаний. Труба служит для аэродинамических испытаний зданий, сооружений, стадионов, большепролетных мостов, ландшафтов, буровых платформ и других объектов. Используется для определения ветровых и снеговых нагрузок на различные уникальные сооружения, в том числе с учётом окружающей застройки и рельефа местности.

По своим параметрам Ландшафтная труба – единственная в России. В мире существует пять установок подобного типа. Но так как отечественный проект создавался самым последним, в нём есть нововведения, делающие его уникальным.

Одно из них – поворотный круг, на котором располагаются модели. С его помощью можно моделировать изменение направления ветра.

С природой не шутят

Как поясняет Вячеслав Магаровский, ветровая нагрузка для зданий высотой более 200 метров соизмерима с ударами землетрясения силой в 9 баллов. У мостов с пролётами более 100 метров при сильном ветре начинают проявляться эффекты аэродинамической неустойчивости, которые вызывают опасные колебания. Не случайно для получения достоверных результатов о воздействии ветровых нагрузок во многих странах в руководящие документы по проектированию включены требования о проведении аэродинамических испытаний моделей зданий и мостов в специализированных аэродинамических трубах.

В Крыловском центре, помимо Крымского моста, проводили испытания макетов стадиона «Газпром Арена» и небоскрёбов «Москва-Сити». Продувают не только отдельные сооружения, но и целые комплексы. И обязательно в привязке к окружающему ландшафту.

Что же касается комплексной продувки целых кварталов, то в этом случае проектировщикам важно понимать, насколько комфортными будут условия для жителей микрорайона. Ведь при неудачном раскладе проезды между современными длинными домами высотой по двадцать и более этажей могут сами по себе превратиться в аэродинамическую трубу, где ветер будет разгоняться до скоростей, делающих нормальное проживание невозможным – ни окно не открыть, ни на балкон не выйти.

То взлёт, то посадка

Ландшафтная аэродинамическая труба используется не только для продувки моделей архитектурных сооружений. В ней проводят работы и по основному профилю центра – испытывают модели кораблей.

Это позволяет ещё на стадии проектирования проверять правильность принятых инженерами решений, выяснять аэродинамические характеристики надводных кораблей и судов, буровых платформ и других объектов и в случае необходимости вносить изменения в проект ещё до стадии его реализации. Определять аэродинамические характеристики надводной части судна, которые далее используются для разработки математической модели его движения и оптимизации его органов управления.

Кроме того, аэродинамические испытания позволяют определить воздушные потоки в районе взлётно-посадочных площадок кораблей, способных нести на борту морскую авиацию. Дело в том, что посадка вертолёта на палубу находящегося в море корабля требует особого мастерства от экипажа. В отличие от наземных аэродромов, здесь надо учитывать скорость самого корабля, направление ветра, качку и наконец завихрения воздуха, которые образуются за надстройкой. Автору этих строк не раз приходилось общаться с пилотами морской авиации, и все они уверяли – чтобы безопасно сесть, нужно знать особенности каждого корабля. Определить их помогает продувка в аэродинамической трубе.

«Бывают и уникальные заказы на проведение испытаний, – рассказывает Вячеслав Магаровский. – Мы продували в трубе костюмы для конькобежцев, которые снижают сопротивление. Однажды помогали велосипедистам определить наилучшее с точки зрения аэродинамики положение тела».

Покидая Крыловский центр, я не мог не задать вопрос: «А может ли компьютер...»

«В настоящее время полная замена продувки макетов математическим моделированием на компьютере невозможна, поскольку математическое моделирование в данном направлении ещё не развито настолько, чтобы удовлетворять по сроку и точности получения результатов тем требованиям, которые предъявляет проектировщик», – заверил Вячеслав Магаровский.