 |
I. Советская ядерная программа
|
|
|
|
История применения универсальных цифровых вычислительных машин в ядерной и космической программах СССР
Е. Н. Филинов
Решение задач военно-технической области с самого начала было одной из главных областей применения компьютеров. Постановка, алгоритмизация и программирование этих задач для универсальных машин стали предметом исследований и разработок ведущих школ прикладной (вычислительной) математики в СССР.
Таким же образом проблемы создания и применения компьютеров решались и в США. Поэтому большая часть работ в этой области на заре цифровой вычислительной техники и в СССР, и в США, велись тогда под грифом "секретно".
Даже корпорация IBM, исторически сформировавшаяся как фирма-поставщик средств вычислительной техники для деловой сферы, связанной с задачами обработки данных, сочла необходимым свой первый проект компьютера IBM 701 назвать "Defense Calculator" ("оборонный калькулятор"), чтобы привлечь к нему интерес военных заказчиков.
Настоящая статья посвящена истории применения отечественных универсальных цифровых вычислительных машин для решения задач ядерной и космической программ СССР, направленных на создание ракетно-ядерного щита страны и достижение военного паритета с США.
I. Советская ядерная программа
Основоположником советской ядерной программы следует считать академика В. И. Вернадского. Он еще в 1910 г., понимая как никто другой глубинный смысл радиоактивности, открытой Беккерелем, представил конкретную программу геологического поиска урановых руд и овладения энергией атомного распада. В 1922 г. в Петрограде на открытии Радиевого института, директором которого В. И. Вернадский был до 1939 г., он говорил: "Мы подходим к великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравняться все им пережитое. Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию - такой источник, который дает ему возможность строить свою жизнь, как он захочет. Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить ее на добро, а не на самоуничтожение? Дорос ли он до умения использовать ту силу, которую неизбежно должна дать ему наука?".
|
|
|
Именно в институте В. И. Вернадского проявилось дарование еще молодого тогда И. В. Курчатова, будущего руководителя советской ядерной программы [7].
В 1943 г. незадолго до начала Сталинградской битвы И. В. Сталин принял на даче в Кунцево двух крупнейших ученых В. И. Вернадского и А. Ф. Иоффе. Они убедили вождя в необходимости и реальной возможности создания атомного оружия. Конечно, у Сталина и до этого были донесения советских разведчиков об американском и английском атомных проектах, попытках создать "оружие возмездия" в Третьем рейхе, были письма ученых АН СССР, в том числе Г. Н. Флерова. Но убежденность в необходимости поставить эту проблему на уровень важнейшей государственной задачи пришла в результате этой встречи. За ней последовало решение Государственного комитета обороны (ГКО).
Начало советской ядерной программы относится к 1943 г., когда по решению ГКО было создано первое в стране научно-исследовательское учреждение, призванное заниматься атомной проблемой, - Лаборатория измерительных приборов № 2 АН СССР (ЛИПАН - ныне Российский научный центр "Курчатовский институт"). Руководство Лабораторией и всеми работами по атомной проблеме было поручено академику И. В. Курчатову. А одним из заместителей И. В. Курчатова по научной работе через некоторое время стал выдающийся математик С. Л. Соболев.
Атомная проблема выросла из фундаментальных физических проблем. Будущий нобелевский лауреат Н. Н. Семенов предсказал в 1926 г. в своей первой публикации по цепным химическим реакциям два возможных пути протекания таких реакций: цепной взрыв (как в урановой бомбе) и тепловой взрыв (как в термоядерной бомбе). В 1935 г. Н. Н. Семенов сделал свой знаменитый доклад о разветвленных реакциях с участием нейтронов. В 1939-1940 гг. физики Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон опубликовали в "Журнале теоретической и экспериментальной физики" три работы, которые стали впоследствии классическими и легли в основу атомной бомбы и атомной энергетики. Таким образом, в стране к началу ядерной программы был создан мощный фундаментальный задел, позволивший СССР самостоятельно и в кратчайшие сроки ликвидировать монополию США на обладание атомным оружием. Этот задел существовал не только в физике, но и в вычислительной математике, гидродинамике, химии.
|
|
|
Как известно, наукоемкость проекта атомной бомбы связана с необходимостью исследовать большое число вариантов физических и технологических принципов построения бомбы на основе урана-235 или плутония, который мог быть получен в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами ядер урана-238.
Проект создания атомной бомбы в фашистской Германии столкнулся именно с этой научной и технической трудностью, так как немецким физикам пришлось одновременно исследовать и разрабатывать семь вариантов построения бомбы. Это произошло из-за принципиальной ошибки в начале работ, когда был отвергнут графит как материал для замедления нейтронов при облучении урана и был сделан выбор в пользу "тяжелой воды" (ведь затянись война еще на два-три года, и неизвестно, кто бы сделал и применил первым атомную бомбу, а если бы она появилась в фашистской Германии, то катастрофа для человечества стала бы неизбежной).
Ясно, что для сокращения числа возможных вариантов было необходимо применять математические основы моделирования ядерных взрывов, прежде всего для расчетов мощности ядерных зарядов. Такие расчеты были организованы в ЛИПАН С. Л. Соболевым и в Отделении прикладной математики МИАН (ныне ИПМ им. М. В. Келдыша РАН) А. А. Самарским, еще до появления первых отечественных компьютеров, с помощью бригад расчетчиков на настольных счетно-клавишных машинах. Уже тогда они предложили эффективные алгоритмы численного решения уравнений математической физики, которыми описывались процессы ядерного взрыва. В 1953 г. вышло второе издание монографии А. А. Самарского и А. Н. Тихонова "Уравнения математической физики" [1], в которой был отражен полученный ими опыт (естественно, без ссылок на расчеты, послужившие источником этого опыта).
|
|
|
Поддержка исследований физиков со стороны вычислительной математики оказалась чрезвычайно важной на первой стадии советской ядерной программы, когда коллектив И. В. Курчатова стоял перед необходимостью принимать безошибочные решения. Как считает академик Е. П. Велихов, "если бы нам не удалось в августе 1949 г. испытать атомную бомбу, физики в СССР больше не было бы. По-видимому у Сталина была уже "запасная" команда физиков, готовая сменить коллектив, которым руководил И. В. Курчатов". Это предположение выглядит весьма правдоподобным, потому что в стране тогда политическим руководителем ядерной программы был нарком внутренних дел Берия. Физическое уничтожение людей, объявляемых "врагами народа", было ведь в 40-х годах в порядке вещей. Любопытно отметить, что подобная ситуация наблюдалась и в США. Ведь первая официальная бумага генерала Л. Гровса, отвечавшего в США за Манхэттенский проект, - письмо генеральному прокурору США об аресте физиков Энрико Ферми и Лео Сцилларда как якобы иностранных шпионов.
Первые программы для машины "Стрела", реализующие алгоритмы численного решения задач моделирования ядерного взрыва, были разработаны в ИПМ АН СССР. Хотя производительность и, главное, надежность этой машины для решения таких задач не были достаточными, первые задачи были решены благодаря виртуозной работе программистов. Крупнейший специалист по программированию М.Р. Шура-Бура по этому поводу образно высказался: "Как мы победили "Стрелу"".
В 50-х годах А. А. Самарский и А. Н. Тихонов активно развивали теорию разностных схем, позволявшую сводить численное решение дифференциальных и интегральных уравнений математической физики к решению алгебраических разностных уравнений. Эти результаты, опубликованные в Докладах АН СССР в 1956-1959 гг. [2] в дальнейшем использовались при алгоритмизации и программировании задач советской ядерной программы на машинах М-20 и М-220, БЭСМ-6 в Институте прикладной математики АН СССР, Институте атомной энергии, ВНИИ экспериментальной физики ("Арзамас-16"), ВНИИ технической физики (Снежинск, "Челябинск-70").
|
|
|
Основные события истории советской ядерной программы представлены на сайте музея ядерного оружия ВНИИЭФ (г. Саров) [3].
В 1953 г. в СССР было произведено испытание первой в мире водородной бомбы. Она была разработана ВНИИЭФ ("Арзамас-16"). Для работ по численному моделированию ядерного оружия, расчетов конструкций бомбы этого типа в ВНИИЭФ были привлечены в 1953-1956 гг. ведущие математики М. А. Лаврентьев, Д. В. Ширков.
Еще задолго до этого М. А. Лаврентьев предложил гидродинамическую трактовку явления кумуляции. Основная (и на первый взгляд парадоксальная) идея М. А. Лаврентьева состояла в том, что при достаточно высоких давлениях, которые возникают при взрывах, можно рассматривать металл как идеальную несжимаемую жидкость, а образование кумулятивной струи - как задачу о взаимодействии струй жидкости. Для этого в механике уже имелся готовый математический аппарат. Стало быть можно было строить теории и проводить расчеты направленного взрыва.
М. А. Лаврентьев вместе с В. С. Владимировым, Л. В. Овсянниковым и Д. В. Ширковым выполнили расчеты конструкций атомных снарядов для артиллерии, которые обеспечивали возможность применения ядерного оружия на поле боя (а не бомбометанием "по площадям") - "пушечного сближения", как называли тогда в США эту возможность.
За выполнение этой работы М. А. Лаврентьев и все трое упомянутых участников были удостоены Ленинской премии.
В 1961 г. на Новой Земле было произведено атмосферное испытание самой мощной в истории термоядерной бомбы мощностью 58 мегатонн тротилового эквивалента, а в 1962 г. СССР произвел на Новой Земле свое последнее воздушное испытание ядерного оружия. После этого основным методом испытаний ядерного оружия стали математические модели или подземные ядерные взрывы.
В 1970 г. на вооружение Советской Армии были поставлены первые межконтинентальные ракеты с разделяющимися ядерными боевыми головками.
Проблемы "миниатюризации" ядерного оружия решались во ВНИИ технической физики (Снежинск) под руководством К. Н. Щелкина. Именно они легли в основу разделяющихся головных частей ракетного вооружения Советской Армии в 70-х годах. Как писал академик А. Д. Сахаров в книге "Воспоминания", "большое" изделие (мощностью 100 мегатонн тротилового эквивалента) в военном смысле - дело пустое, так как для него не было подходящей ракеты-носителя, а бомбардировщик, несущий это изделие, может быть легко сбит. Идея для военных - торпеда, запускаемая с подводной лодки". Такие морские ракеты, включая ракеты с разделяющимися головками, разрабатывало КБ академика В. П. Макеева в г. Миасс.
|
|
|
В 1979-1987 гг. на вооружение Советской Армии поступило новое поколение стратегических ракетных комплексов стационарного и подвижного (в том числе на подводных лодках) базирования.
В течение некоторого времени в российских средствах массовой информации (в газетах и на телевидении) муссировался миф о том, что советская атомная бомба была копией американской, чрезмерно преувеличивавший роль научно-технической разведки в решении ядерной проблемы. В действительности это было не так - "ученые и разведчики делали общее дело" [6]. От американских физиков из атомной лаборатории в Лос-Аламосе, действовавших по убеждению, а не за плату, Клауса Фукса и Теодора Холла (кличка по данным разведки "Персей") советские разведчики получили не чертежи атомной бомбы (по которым И.В. Курчатов якобы сделал нашу бомбу), а схему устройства ядерного заряда с указанием его размеров и используемых в нем материалов [8]. Конечно, эта информация вместе с ответами на вопросы, которые систематически ставил И. В. Курчатов перед научно-технической разведкой, во многом способствовали отсечению неперспективных вариантов и принятию И. В. Курчатовым безошибочных решений, о чем было сказано выше. Однако не меньшую роль сыграло и применение математического моделирования. Об этом подробно рассказал академик А. А. Самарский на симпозиуме "Российская Академия наук и первое испытание отечественного ядерного оружия", посвященном 275-летию Российской Академии наук и 50-й годовщине первого испытания советской атомной бомбы [5].
Стремление показать партийно-политическому руководству страны свою значимость было характерно для советских спецслужб. Не избежали этого соблазна и службы научно-технической разведки. П. А. Судоплатовым была сочинена легенда о том, что Нильс Бор передал нашим разведчикам ценнейшие сведения. На самом деле это были общие данные, известные нашим физикам и без обращений к Н. Бору [4].
Рассказ о советской ядерной программе будет неполным, если не упомянуть о применении компьютеров для расчетов реакторов атомных энергоблоков. Наиболее весомый вклад в этом направлении был сделан Г. И. Марчуком в 1953-1962 гг. во время его работы в Физико-энергетическом институте (ФЭИ) в г. Обнинске. Для решения задач расчета атомных реакторов тогда применялась машина М-20. Математической основой были приближенные аппроксимации уравнения Больцмана в приложениях к решению нейтронных задач.
Г. И. Марчук опубликовал результаты своих работ в двух монографиях: "Численные методы расчета ядерных реакторов" (1959 г.) и "Методы расчета ядерных реакторов" (1961 г.). За работы в области атомных реакторов Г. И. Марчук в 1961 г. был награжден Ленинской премией.
Наконец, нельзя не сказать о применении универсальных вычислительных машин для глобального моделирования климата Земли. Модели так называемой "ядерной зимы" были разработаны в ВЦ АН СССР В. В. Александровым и Г. Л. Стенчиковым под руководством академика Н. Н. Моисеева. Расчеты, выполненные с помощью машины БЭСМ-6, показали, что ждет человечество, если случится ядерная катастрофа. Они послужили серьезным предостережением для политиков и в США, и в СССР в период "холодной войны" и стимулом для переговоров о сокращении запасов ядерного оружия, запрещении ядерных испытаний в атмосфере, открытом космосе и под водой.
|
|
|
