Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
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.
