Текст книги "Необыкновенная жизнь обыкновенной капли"

Автор книги: Марк Волынский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 9 страниц)

ББК 22.253.3 В70

Рецензенты:

А. Г. Прудников, доктор технических наук, Л. А. К л я ч к о, доктор технических наук.

Волынский М. С.

В70 Необыкновенная жизнь обыкновенной капли.—* М.: Знание, 1986.– 144 с. (Наука и прогресс).

25 к. 110000 экз.

Капля жидкости. Вот она сорвалась с кончика пипетки и летит вниз – какую форму она при этом принимает? Как происходит испарение неподвижной капли и капли, которая обдувается потоком воздуха? А как и почему вообще образуется капля? Ответы на эти простые, казалось бы, вопросы на самом деле не так просты. Капля всегда в движении, в динамике рождения и исчезновения: полет, колебание, распад, испарение и конденсация. Бесконечная цепь превращений, форм и размеров. Поэтому каплю можно назвать перекрестком, на котором сходятся интересы разных научных дисциплин – от гидродинамики до химии.

Для широкого круга читателей.

– ББК 22.253.3

© Издательство «Знание», 1986 г

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ КАПЛИ

(Вместо предисловия)

О капле писали многие и по-разному.

В целях познавательных, строго технических, популярно-художественных. А мне всегда хотелось написать о капле еще что-нибудь личное, лирическое. Тому есть серьезные причины: ей, капле, обязан я выбором научного пути. Эта скромная тропинка вела меня долгие годы непростыми маршрутами, они сходились и расходились с путями человеческих судеб, пересекали шумные магистрали и отворачивали порой от манящих горизонтов. Я продолжал с упорством, достойным лучшего применения, как считали иные, идти к своей, «мелкой», «капельной» цели. Потом выяснилось – цель не мельче, а путь не уже и не хуже других в сложном перепутье современных научных специализаций. Он привел меня в удивительный и многообразный «мир в капле воды».

Маленький прозрачный шарик, а сколько научных направлений и проблем пересекалось в нем, как лучи в фокусе линзы!

Еще недавно, в преддверии века, ученые и инженеры не знали, какая ответственная роль уготована капле в развитии современной техники.

В наше время мудрено не видеть телепередачи или фотографии величественных ракетно-космических стартов, красавцев авиалайнеров. Все слышали про реактивные двигатели. А что их двигает, что там внутри? Там сложно и много всего, и среди многого – капля. Нам помнится капля дождя на оконном стекле. Мы любуемся жемчужиной в ювелирной оправе цветочного бутона на лесной поляне в выходной день.

Ну а в будни? Глубоко спрятан от постороннего взгляда, но не менее важен для человека повседневный, будничный быт капли-труженицы в тесных отсеках и огненных вихрях камер сгорания, в реве турбин, в перестуке поршней.

Капля – гениальное изобретение природы, которое успешно использует человек. В природе тоже работает основанная на каплеобразовании «машина» – круговорот влагообмена на нашей планете: испарение, конденсация, дождь.

Где капля, там и пузырь,– общие законы поверхностного натяжения сближают их: пузырь в жидкости – это капля и воздух, вывернутые наизнанку; кристаллик льда – это замерзшая капля или капля – это оттаявший лед.

Капля необходима для всего живого – защитная капля крови на царапине, очистительная слеза в глазу. Капля – носитель зародыша в процессе оплодотворения. Велика вероятность гипотезы, что жизнь зародилась именно в капельной форме. Может быть, Земля и планеты Солнечной системы – огромные остывающие капли, выброшенные когда-то нашим Солнцем...

В очень интересной книге Я. Е. Гегузина «Капля» рассказывается, как некий физик-энтузиаст мечтал создать особую науку о капле – «сталагмологию» (каплеведение). Но капля – перекресток многих наук: гидродинамики, физики, физикохимии, биологии и других.

Трудно дать краткое и полное определение капли. Можно, конечно, сказать: капля – частица жидкости, в состоянии равновесия ограниченная поверхностью вращения и стремящаяся под действием силы поверхностного натяжения к шарообразной форме. Но это скучно и неточно. Капля всегда в движении, в динамике рождения и исчезновения: полет, колебание, распад, слияние, испарение и вновь конденсация. Бесконечная цепочка метаморфоз. А разнообразие форм: эллипсоид, кольцо, купол парашюта. А диапазон размеров: капельки туманов диаметром с длину волны света (десятые доли микрометра), капли форсунок – сотня микрометров, дождь – это два—четыре миллиметра. Хотите каплю величиной с яблоко, ее можно получить в невесомости, но попробуйте откусить – очень неудобно: выскальзывает изо рта...

«Поле деятельности» капли настолько обширно и разнообразно, что попытка подробного описания и объяснения всех связанных с каплей явлений вылилась бы в несколько объемных томов. В этой книге мы не будем претендовать даже на популярное изложение еще не созданной науки «сталагмологии». Задача автора много скромнее: рассказать о личном участии в изучении свойств и поведения капли, о тех каплях знаний о капле, которые были добыты в лаборатории, чтобы затем влиться в море сведений, которыми располагает наука.

Надеемся, что знакомство с каплей лишний раз убедит читателей в неправомерности бытующего мнения, будто в науке уже почти не осталось нехоженых троп. В мире достаточно такого, что скрыто от нашего взора покровом привычных, обыденных представлений («обманчивость видимости вещей»). Полным загадок может оказаться каждое явление, каждый даже самый примелькавшийся предмет, коль скоро мы дерзнем погрузиться в его глубину.

Но погружение имеет смысл в том случае, когда ясна цель. Поэтому перед тем, как начать рассказ об исследованиях свойств и поведения капли, хотелось бы дать читателям общее представление о том, насколько широк круг связанных с каплей проблем. Но как это сделать? Подробный рассказ обо всех явлениях, в которых участвует капля, был бы равносилен попытке объять необъятное. Ограничить рассказ рамками технического использования капли – значит, сузить ракурс до ложного впечатления, что человек не заимствовал у природы каплю, а изобрел ее сам.

В поисках формы повествования, которая позволила хотя бы кратко коснуться многих связанных с каплей сторон, пришлось вспомнить, что людей, обладающих пусть не слишком детальной, зато широкой эрудицией сразу в нескольких областях знаний, именуют энциклопедистами. Энциклопедия – вот та емкая форма, которая издавна используется для краткого изложения сведений из разных областей!

Так зародилась идея «Малой энциклопедии капли», сокращенно МЭК (см. Приложение).

Возможно, кому-то такое название покажется чересчур громким, поскольку количество содержащихся в МЭК сведений даже для малой энциклопедии слишком мало. Чтобы спасти идею энциклопедии, будем считать, что буква М в названии МЭК обозначает не «малая», а «микро». Согласны даже считать МЭК не энциклопедией, а всего лишь микроэнциклопедическим словарем. Главное – сосредоточить в одном месте самые разнородные сведения о капле, чтобы в отличие от остальных разделов книги читатель мог читать МЭК не подряд, а выборочно, как и любую другую энциклопедию, которую вряд ли кто-то возьмется читать том за томом от «А» и до «Я».

Для начала можно, быстро перелистав страницы МЭК, пробежать глазами включенные в нее термины. Это даст самое общее представление о круге связанных с каплей проблем. Не исключено, что уже при первом беглом просмотре возникнет желание узнать о чем-то чуть-чуть подробнее.

В МЭК найдутся, надеемся, некоторые интересные сведения о применении капель и в области химии, металлургии, геологии...

Сказанное в МЭК о капле в двигателях (внутреннего сгорания, реактивных, твердотопливных, жидкостных и др.) будет освещено подробнее на страницах соответствующих глав книги.

Еще раз подчеркнем, что МЭК, конечно, не претендует на какую-либо полноту – для этого она должна была бы превратиться в многотомную БЭК.

Наша цель будет достигнута, если после просмотра МЭК читатель проникнется интересом и уважением к капле за ее неутомимую и разнообразную деятельность в природе, в промышленности, в сельском хозяйстве и связанных с ними научно-технических областях.

И наконец, еще одно замечание, которое хочется сделать, прежде чем начать наш рассказ о капле. В этой книге роль героини, безусловно, отводится ей. Но жизнь героини не была бы столь насыщенной и содержательной без участия изучающих каплю людей. По ходу рассказа о капле в действие будут включаться и люди, чьими трудами постигается природа капли, ее капризный и непоседливый нрав. Вместе со скромными тружениками науки с проблемами капли соприкасались и такие корифеи, как академики М. В. Келдыш, Л. И. Седов, Б. В. Раушенбах, Г. И. Петров, профессора Г. Н. Абрамович, А. А. Гухман, Е. С. Щетинков, и другие ученые, имена которых упоминаются на страницах книги.

Надеемся, что пример исследований капли поможет читателю ярче представить себе, с каким трудом добывается каждая капля истины, как трудоемок и кропотлив каждый научный эксперимент, как капля за каплей наполняется море человеческих знаний, рождающих научно-технический прогресс.

Глава I

РАДУГА НА УЛИЦЕ РАДИО

Огонек на ветру

Желание написать книгу о капле, кажется, впервые возникло у меня в самолете. Мы летели в командировку на старом добром Ил-14, в вышине за хвостом самолета сияло солнце, а впереди по курсу из темно-пурпуровых туч опускался, зашторивая небо, густой дождь. Там, в его зыбкой глубине, висело роскошное кольцо радуги. Пассажиры, все как один, повернулись к окнам.

– Вот здорово, пролетим сквозь него, как в цирковом аттракционе,– сказал сосед-киношник.

– Так сказать, под куполом неба,– добавил жизнерадостный толстяк сзади.

– Не получится,– отозвался я,– не позволят законы оптики.

И мне пришлось объяснить, что такое радуга и почему на земле видно только полукружие, а отсюда весь круг. Радуга всех разговорила. Кто-то философски заметил, что небесный художник дал образцы своих красок, которыми расписывал этот мир.

В мой адрес посыпались метеорологические вопросы. Хорошо, никто не спросил, почему градины иногда бывают величиной с голубиное яйцо, а капли дождя у земли не более нескольких миллиметров. Я сам разобрался в этом значительно позже. А пока лишь пояснил им, что каплям не дает опасно разогнаться сопротивление воздуха. Не будь этой силы, капли, падающие с высоты трех километров, долбили бы по нашим черепам со скоростью револьверной пули. И тут же на обложке журнала прикинул величину скорости у Земли по школьной формуле для свободно падающего тела. Получилось около 250 м/с, в то время как действительная скорость крупной капли (0,2 грамма) не превышает 10 м/с.

К нашему разговору прислушивались другие пассажиры, и я понял: мои капли могут заинтересовать не только специалиста.

Самолет стал набирать высоту.

Мы прошли над грозой... А я погрузился в воспоминания.

...Корпуса московского ЦАГИ на улице Радио, просторный двор около ангара, идут испытания огромной модели центробежной форсунки. Она теперь принадлежит истории техники, ее помнят поколения студентов и инженеров по фотографиям в учебниках и научных статьях. Эта непривычно громадная «царь-форсунка» со стеклянным дном позволяла заглянуть сзади в камеру закручивания и увидеть на ее оси миниатюрный смерч воздушного вихря. Конус распыливания – широкий веер капель бил из соплового отверстия чуть не до знаменитой кирпичной башенки с ветряком, венчающим здание ЦАГИ. И в этой плотной сетке капель, почти у моих ног, возникла радуга – символ будущего решения моей неотвязной задачи...

...В те дни все мы, небольшой молодой коллектив группы реактивной техники, ложились спать и вставали с вопросом: как измерить летящую каплю? Тогда я не знал, что имеется теория радуги, что в природе есть и другие оптические чудеса и существует целая наука – метеорологическая оптика.

«Однако,– резонно думал я,– должна же быть какая-то связь между диаметрами капель и структурой радуги, по ней я и определю каплю, только нужно получить радугу в лабораторной комнате».

В моем воображении радуга превратилась в радостно многоцветную триумфальную арку. За ней, думалось мне, открывается путь научных побед. Позднее я убедился, что к истине ведет отнюдь не прямой и не ровный путь.

 ***

Годы войны. Пространством над планетой еще владеют винтомоторные самолеты, но уже восходит эра реактивной авиации и ракетной техники. Поршневой двигатель и пропеллер начинают задыхаться на пределе своих возможностей. Быстрее, выше, дальше – война резко ускорила процесс создания новых летательных аппаратов. Мысль ученых, инженеров, изобретателей разных стран, созревшая уже в довоенные годы, теперь воплощалась в металл.

Истребитель на фронте еще летает со скоростью 500—550 км/ч, но уже самолеты с ТРД (турбореактивным двигателем) дают скачок скоростей до 700– 800 км/ч. Сообщения следуют одно за другим. Героический и трагический полет советского летчика Г. Я. Бахчиванджи на самолете конструкции А. Я. Березняка и А. М. Исаева, созданного под руководством В. Ф. Болховитинова,– первый полет аэроплана БИ1 с ЖРД (жидкостным реактивным двигателем).

Схватки реактивных аппаратов в воздухе Европы: английские «Метеоры» с ТРД догоняют и сбивают над Францией немецкие «летающие консервные банки» – ракеты ФАУ-1 с пульсирующим ВРД (воздушно-реактивным двигателем). Итальянцы испытали самолет «Капрони-Кампини». Появляются на нашем и западном фронтах немецкие «Мессершмитты-262» с ТРД. В сентябре 1944 года немцы стали применять баллистические ракеты ФАУ-2 с мощными ЖРД. Из 1402 ракет, выпущенных по Великобритании, 517 взорвались в Лондоне.

Новые, невиданные двигатели строились, опережая едва зарождающуюся науку о рабочих процессах, происходящих в них,– так часто случается при быстром развитии техники. Смелый бросок инженерной мысли опережает точный расчет, опирается на первых порах лишь на интуицию и приближенные рассуждения. Некоторые узлы двигателей – плоды «голой» эмпирики, долгой отработки без глубокого понимания природы сложных явлений, с которыми столкнулись инженеры.

Как известно, ТРД большинства самолетов – от многоместного пассажирского до истребителя-перехватчика – это большая труба-сигара со сложной начинкой (рис. 1). При полете через воздухозаборник в нее нагнетает воздух многоступенчатый входной компрессор. Он вращается на центральной оси и похож на детскую пирамидку с «кружочками» метрового диаметра, с лопатками и с «колпачком» пирамидки – передним коком-обтекателем.

Поток попадает в камеры сгорания – трубки, расположенные внутри венцом по окружности. В каждой камере– форсунка, разбрызгивающая топливо, источник энергии двигателя.

 Его надо сжечь, но в необычных и сложных условиях ураганного газового потока. В камере химическая энергия топлива перейдет в тепло, нагреет и разгонит газ. Далее поток пройдет сквозь турбину, заставит ее вращаться, а вместе с нею и компрессор. И уж затем поток сжатых газов вырвется из выходного сопла двигателя, и по законам механики самолет или ракета получит импульс движения в противоположную сторону.

Камера сгорания реактивного двигателя – узел, обычно самый простой по конструкции и самый сложный по физике процессов. В камерах ТРД авиалайнеров нет сложных вращающихся деталей, подобных турбине или компрессору, которые работают в других частях двигателя. Здесь работает капля.

Как это происходит? Через цепь трансформаций, претерпеваемых жидкой частицей. Эту цепь составляют пять сложносочлененных звеньев: распыливание, полет роя капель, испарение, смешение паров с воздухом и горение. Цепочка сплетена из разнородных по природе процессов, подведомственных многим наукам (гидроаэромеханике, физике, химии) и называемых в технике элементарными процессами смесеобразования и горения. Анахронизмы, рожденные первым подходом к явлению, живучи: в действительности процессы не более элементарны, чем элементарные частицы в атомной физике, и термин выражал лишь уровень тогдашнего знания и мышления. В принципе смесеобразование одинаково для разных типов двигателей. Но наблюдать его легче и наглядней всего в камере сгорания ПВРД – прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

ПВРД – попросту «летающая труба», где в проходящий воздух подается и сжигается топливо. За такую простоту нужно платить – аппарат с ПВРД (рис. 2) не способен к самостоятельному взлету, ведь у него нет турбины и входного компрессора, как в ТРД, лопатки которого, вращаясь, засасывают воздух из атмосферы, сжимают его и гонят по тракту двигателя. Но если он взлетел с помощью стартового движка – небольшого ЖРД или двигателя на твердом топливе («пороховика») ,– полет будет продолжаться. Набегающий воздух по законам аэродинамики затормозится и сожмется до нужного давления во входном диффузоре, который таким образом заменит компрессор.

Все же первой взлетела не заманчивая своей простотой «прямоточка», а ее более сложные собратья – аппараты с ТРД и ЖРД, может быть, в подтверждение мысли Б. Л. Пастернака:

Хоть простота нужнее людям,

Все ж сложное понятней им.

Чтобы «пламенный мотор» тянул многотонный летательный аппарат, его «луженый желудок» – камера сгорания – должен переварить все или почти все топливо. Но какие-то недоиспарившиеся крупные капли могут недогореть, попадая в зоны, бедные воздухом и переобогащенные продуктами сгорания. А химическая реакция привередлива, ей подавай определенную пропорцию масс компонентов – воздуха и топлива. В единице смеси выделится максимум тепловой энергии, и тяга двигателя будет наибольшей, если на каждый килограмм углеводородного топлива (бензина, керосина) затратить примерно 15 килограммов воздуха. Самые «комфортные» условия для реакции горения будут, если такое соотношение окажется выполненным в каждой точке потока. Если же перемешивание компонентов недостаточно равномерно, химия «сработает» не полностью, несгоревшие частицы вылетят из двигателя, унося часть энергии, и тяга упадет. К тому же всей «драме жизни» капли положено уложиться на сравнительно коротком интервале камеры (в длинной-то камере она рано или поздно сгорела бы), так как авиация и ракетная техника требуют предельной легкости и компактности конструкций. Перед наукой смесеобразования и горения встает непростая задача: в малые доли секунды массу топлива надо тонко измельчить, равномерно распределить, испарить, хорошо смешать с воздухом и полностью сжечь. А чтобы рассчитать и сделать под это «тонко» и «хорошо» камеру сгорания, необходимо знать, кроме многого другого, весь набор капель, или иначе спектр распыливания форсункой.

***

В нашей лаборатории неделями, не принося особых радостей, шли стендовые испытания модели прямоточного двигателя. Сегодня был опять неудачный запуск – что-то не так в системе смесеобразования или горения. Капли топлива из форсунок не хотели воспламеняться. Горючая смесь, как будто издеваясь над своим названием, не горела, а просто гасила электроискру, заливая электроды в нашем поджигающем устройстве, заключенном в экранирующую трубку. Если же пламя вдруг робко вспыхивало, его наотмашь гасил мощный поток воздуха.

–   Что будем делать?

Мы хмуро обступили ведущего инженера огневого стенда. Уныло протянулась через всю лабораторию несработавшая камера с присоединенным воздухопроводом.

В паутине проводов и шлангов она казалась большим мертвым питоном, попавшим в сети. Металлическая поверхность кишки противно холодила руки.

– Тоже мне, горячий стенд называется,– механик потирал пахнувшие бензином пальцы, уставшие от безуспешного нажатия кнопки включения.– От него даже не прикуришь!

– Разойдемся по рабочим местам,– сказал ведущий.– Надо снова все продумать, посмотреть протоколы прошлых опытов, ведь при каких-то скоростях воздуха камера хоть поначалу включается...

– Уже смотрели: цифры пляшут – никакой закономерности, придется менять что-то в схеме, нужна новая идея.

– Имеем одну такую... «Вы просите песен, их есть у меня»,– с одесским напевным акцентом сказал молодой конструктор Д. Он провел детство в Одессе и любил «играть под одессита».

– Ну высказывайся, какая идея?

– Не так сразу... А что делают, закуривая на ветру?

– Нельзя ли без одесских загадок и не вопросом на вопрос? Их у нас и без тебя хватает, давай конкретное предложение.

– Хорошо заданный вопрос – половина ответа.

Д. поискал взглядом нашей поддержки, но мы, всегда понимавшие друг друга с полуслова, на этот раз, утомленные неудачами, ответили лишь унылым молчанием.

– Так. Я, кажется, в вагоне для некурящих...

– Ладно, на сегодня разговорчики кончаем,– рассердился ведущий.– Завтра пусть Д. доложит свои соображения, но без этих штучек, обоснованно и со схемой двигателя.

Перед концом рабочего дня Д. подошел ко мне и попросил материалы по распылителям.

– Все-таки наш ведущий – изрядный чурбан.

– Не ругайся, ведь он отвечает за объект, и с него будут снимать стружку. Пошли домой.

– Нет, я немного задержусь...

Утром следующего дня началось оперативное совещание. Пришли соседи из КБ. Докладчик, подтянутый, серьезный, с чуть утомленными, покрасневшими глазами, стоял около кульмана. Он картинным жестом сорвал прикрывающий лист, и на доске открылась красиво вычерченная схема ПВРД.

«Когда только успел? Значит, работал ночью». Я следил за четким, без вчерашних одесских словечек, докладом. Картину за. картиной я постепенно и отчетливо представил все сложное сплетение явлений в двигателе. На входе в камеру стоит коллектор из центробежных форсунок. Они выбрасывают «бутоны» топливных конусов, которые мгновенно выворачивает «наизнанку» поток воздуха. Еще не зная законов распыливания, мы интуитивно понимали: встречное расположение струй улучшает обдув и дробление капель.

– Пусть скорость воздуха 80 м/с и давление подачи керосина приличное – 50 атмосфер. Это значит, скорость истечения около 100 м/с. Но если впрыск по потоку, скорости вычитаются и относительная скорость близка к арифметической разности 20 м/с. Если же впрыск противоточный, скорость обдува близка к сумме, то есть к 180 м/с. В этом случае поток сразу раздробит струю на мелкие капельки.

Докладчик переносит указку в нижний левый угол кульмана – узнаю свою прикнопленную фотографию, моментальный снимок с большим увеличением фрагмента факела распыла в пяти сантиметрах от точки впрыска, на самом развороте жидкости. Факел напоминает разрыв снаряда на рой осколков: черное пятно – недра зоны переобогащенной смеси, там концентрация жидкости максимальна, а воздуха мало. Далее смесеобразование развивается в «холодном» участке камеры (см. рис. 2), где еще нет горения. Капли летят и «худеют», отдавая пар в окружающий поток. Следовало бы рассчитать интервал испарения жидкости и установить коллектор нужного сечения, но пока это нам не под силу: размер капель неизвестен, да неизвестна и скорость парообразования, и потому интервал выбирается эмпирически. Газ с еще недоиспаренными каплями должен влететь в зону поджигания и стабилизации пламени.

Вот тут цепь рвется. Оказывается, совсем не просто поджечь поток и удержать устойчивое горение на ветру со скоростью под 100 м/с. Докладчик делает интригующую паузу, смотрит в окно – потом четко формулирует свое предложение:

– Нужно сделать «дежурный огонек», небольшую камеру в камере. Короче, форкамеру, со своей отдельной малорасходной форсункой и электросвечой. Зажатый вход с завихрителем едва-едва пропустит сюда слабую струйку по аналогии с тем, как ладони курильщика, сложенные лодочкой, заслоняют огонек спички от ветра.

«Так,– соображал я,– здесь всегда будет штиль, малые скорости, мелкие вихри высокой турбулентности – короче, тепличные условия для произрастания пламени. Вот оно, блестящее решение задачи. Вчера Д. только морочил голову намеками на каких-то курильщиков, а сегодня дал-таки всем прикурить!»

(Теперь устройство такого рода описано в учебниках и кажется простым и естественным. В разных исследовательских центрах, у нас и на Западе, пришли почти одновременно к идее форкамеры – огневого якоря спасения от шторма газового потока.)

– Дальше,– продолжал докладчик,– дежурный поджигающий огонь из форкамеры перекидывается в топливовоздушную смесь. Однако здесь он снова открыт всем ветрам, и его без страховки мгновенно сорвет. Но у нас уже есть опыт: выручают плохо обтекаемые тела.– Указка касается схемы (см. рис. 3).– Это конические кольцевые стабилизаторы,– указка сначала тычется в схему, изображенную на рис. 2, затем перескакивает на рис. 3.– За ними тянется аэродинамическая тень – зона относительно малых скоростей. Здесь крутятся крупные спирали кольцевых вихрей, создавая разрежение и питая зону мелкими вихорьками. Горючая смесь с каплями засасывается в этот круговорот и сгорает, давая высокий жар. За него-то и цепляется пламя. Напитавшись теплом, окрепший фронт пламени рвется в набегающую горючую смесь по ступенькам стабилизаторов.

Вспоминаю камеру ТРД (рис. 4). Там пламя распространяется в чуть более спокойных условиях. Сначала оно цепко держится у входного завихрителя-решетки; потом вторичный воздух подмешивается к разгоревшемуся огню через отверстия рубашки. Дальнейшие опыты показали: чем богаче набор капель по размерам, тем устойчивее пламя за стабилизатором, а чем они в среднем мельче, тем полнее сгорание.

Процесс горения основной массы топлива развивается на довольно протяженном участке камеры, где протекает химическая реакция окисления. Топливовоздушная смесь не сгорает во фронте пламени полностью, зона догорания простирается далеко за ним.

Доклад еще длился, но я слушал плохо. Мысль отцепилась, как вагон от состава, и пошла по своей, ответвленной колее. Я думал о привычном: как измерить эту каплю?

Миллиарды капель и космический старт

Те же «капельные», но совсем не малые проблемы встали и перед создателями ЖРД. Здесь камеры особенно прожорливые: рабочий процесс должен «переварить» огромные массы топлива, обеспечить высокие мощности, необходимые, чтобы вывести ракету в космическое пространство. Но сначала немного истории.

Созданная упорным и вдохновенным трудом ученых, инженеров, конструкторов ракета с ЖРД свершила техническое чудо и проложила человеку путь в космос. Основы этой гигантской победы человеческого разума были заложены на рубеже XIX и XX веков. Основоположником современной космонавтики и реактивной техники был, как известно, Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935). Школьный учитель физики из Калуги первый увидел реальные очертания будущих космических аппаратов. В своей замечательной работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903) он дал законы движения ракеты и впервые в мире предложил и обосновал новый тип двигателя – ЖРД. Этим же путем позднее пошли и другие ученые: Р. Эно-Пельтри во Франции (1913), Р. Годдард в США (1919), Г. Оберт в Германии (1923). Интересно, что Оберт, имя которого для многих наших специалистов звучало лишь вехой ушедших лет, неожиданно «ожил» и в 1982 году прибыл, достаточно бодрый для своих 88 лет, в числе почетных гостей к нам в страну, когда мы отмечали 125-летие со дня рождения Циолковского и 25 лет с начала космической эры.

В беседе с академиком Б. В. Раушенбахом, нашим известным ученым, соратником С. П. Королева, Оберт с гордостью напомнил собеседнику, как одним из первых понял и высоко оценил труды Циолковского.

Не все ученые того времени были столь прозорливы, отчасти из-за своеобразия формы публикаций Константина Эдуардовича, заменявшего часто в формулах алгебраические символы словами. Оберта повезли в Центр подготовки космонавтов и среди прочего показали специальный бассейн, где удельные веса жидкости и плавающего тела одинаковы. Космонавты в скафандрах демонстрировали тренировку в условиях невесомости. Борис Викторович Раушенбах рассказывал: Оберту все очень понравилось, и он ко всеобщему веселью сделал вдруг заявку на приоритет:

– О да, интересно! Но я сам проделал это еще в 1916 году. Погружался с головой в свою ванну, держа трубочку во рту. Мне очень хотелось почувствовать, что есть невесомость...

Прошли годы. Вот-вот станет явью мечта Циолковского, говорившего, что Земля – колыбель человечества, но нельзя все время жить в колыбели. По обе стороны океана уже шли к космическим стартам. Но первым взлетел в космос 12 апреля 1961 года наш Юрий Гагарин на корабле «Восток», и одним из решающих факторов успеха были мощные и надежные ЖРД.

Вспомним рациональный, поразительно простой и эффективный принцип действия ЖРД (см. рис. 5). Горючее и окислитель из баков подаются центробежными насосами в камеру сгорания: окислитель – непосредственно к своим форсункам, а горючее – к своим, но через узкую полость между двойными стенками камеры сгорания и сопла. Только так, используя большой поток горючего в качестве охладителя, можно защитить камеру и сопло (конструктивно они представляют одно целое) от чудовищного (выше вулканического) жара, развиваемого внутри этого химического двигателя. Горючее, подогреваемое между стенками, готовится к процессу смесеобразования. В реальных двигателях вспомогательный насос подает его из отдельного бака в газогенератор – специальную меньшую камеру, работающую при более низкой температуре. Здесь оно газифицируется и идет как рабочее тело на колесо турбины. Турбина вращает соосно расположенные основной и вспомогательный насосы – все в целом образует ТНА (турбонасосный агрегат), компактный сгусток современной технической мысли; перед запуском ЖРД его раскручивает специальный стартовый движок. Автоматика регулирует режим работы, поддерживает заданную пропорцию жидких компонентов.

Камера сгорания ЖРД – подлинное царство капель, они владеют всем пространством на начальном ее участке – там нет никакой металлической начинки, как в ВРД (форкамеры, стабилизаторы). Здесь оба компонента реакции – и горючее, и окислитель – используются в виде жидкости, например керосин и сжиженный кислород (или спирт с азотной кислотой, отдающей кислород при разложении). В этом заключается отличие от ВРД, для которого возят с собой только жидкое горючее, а окислитель даровой – из воздуха атмосферы.

Все ВРД – проточные каналы, ЖРД – глухой горшок, дно его плотно усажено сотнями форсунок – форсуночная головка должна за секунду пропускать многие килограммы жидкости. В форсуночной головке распылители обоих компонентов расположены в определенном порядке, чтобы каждый факел горючего равномерно по возможности насытить окислителем. Часто используют сотовое расположение, подсказанное архитектурой пчелиного улья.

В адском горшке ЖРД приготовляется более калорийное варево, чем в камере ВРД. Температура газов на выходе из двигателя достигает 3500 К и более. Однако набор процессов смесеобразования здесь в принципе тот же, что и в воздушных камерах: распыливание, движение и испарение капель, смешение паров до горючей концентрации, только организованы они сложнее во времени и в пространстве. Все явления протекают почти рядом, бок о бок друг с другом и горением. Исследователи нарисовали картину рабочего процесса в ЖРД. Плотное облако капель в факелах форсунок увлекает за собой слои окружающего газа, на их место обратно засасываются встречные струи горячего газа – продукты полного и неполного сгорания из начальной зоны пламени. Образуются обратные токи – вблизи форсуночной головки крутятся колечки интенсивных вихрей. Только жидкие розетки, и густое облако капель спасают сами форсунки от выгорания.