Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Волынский Марк Семенович

Химическая реакция горения протекает бурно и идет преимущественно в газовой фазе; сквозь газ движутся горящие капли — давление в камере высокое: 50 и бо­лее атмосфер. Температура быстро нарастает от задней стенки к выходу камеры. Продукты сгорания поступа­ют в реактивное сопло, где поток разгоняется до высоких сверхзвуковых скоростей, и таким образом теп­ловая энергия преобразуется в кинетическую. Мы по­мним счетверенные слепящие блики на теле- или кино­экране, когда показывают запуск космического кораб­ля,— это огненные выхлопные струи из сопел связки двигателей, ими оснащена космическая ракета, идущая в зенит.

Мощность

и тяга современных ЖРД очень велики. Пять двигателей первой ступени американской ракеты «Сатурн», забросившей «Аполлоны» на Луну, имели тягу около 600 тонн каждый.

Приведем некоторые цифры для характеристики таких мастодонтов современной ракетно-космической техники, как «Сатурн-V» (двигатель F-1). Мощность одного двигателя первой ступени оценим по парамет­рам реактивной струи. Массовый расход компонентов G (керосин и жидкий кислород) составляет примерно 2650 кг/с, а скорость истечения газов из сопла двига­теля w  достигает примерно 2400 м/с. Тогда мощ­ность газовой струи оказывается равной 7.6-103 МВт :

Таким образом, двигатель диаметром около метра развивает мощность примерно 10 Днепрогэсов!

Оценим число капель, вылетающих в секунду из форсунок такого двигателя. Секундный расход жид­кости равен произведению числа капель п на среднюю плотность жидкости _ср и объем капли:

Если принять средний диаметр капли в спектре распыливания равным 100 мкм, а среднюю плотность равной 1 г/см3, то получим, что

n= 5 х 10¹² капель в се­кунду. Такой невероятный рой капель рождается в се­кунду примерно из 6000 распылителей форсуночной го­ловки, питая бушующее пламя камеры.

Упомянем еще один класс двигателей—РДТТ: ра­кетные двигатели твердого топлива — дальнейшее раз­витие древней пороховой техники. Главные части здесь — тоже камера сгорания и сопло, но в камеру за­ложен заряд твердого топлива сравнительно медленно­го горения. Заряд содержит оба компонента — горючее и окислитель. Наша знаменитая «Катюша» — пример твердотопливной ракеты.

— Но капель в РДТТ нет? — может спросить вни­мательный читатель.

Представьте, есть, но это особые, «железные» капли. Для повышения тяги ракеты иногда увеличивают кало­рийность топлива, закладывая в него мелкие частицы алюминия. Сгорая, они выделяют много тепла и пре­вращаются в мельчайшие капельки окисла — Аl₂О₃. Сде­лав свое полезное дело, они потом становятся бал­ластом. Хотя общая выгода получена, потоку газов приходится возвращать «сдачу» — часть своей энергии— на разгон и вынос частиц из сопла. Такие потери называются двухфазными (первая фаза— газ, вторая фаза — твердые или жидкие частицы); их надо уметь

рассчитывать, а для этого надо знать диаметры частиц. И вот мы снова пришли к спектру капелек, только из окисла металла, которые обычно меньше, чем капли в ВРД. Механизм образования спектра здесь другой. Капли жидкого горючего — результат распада струй, капли окислов — продукт конденсации в жидкость из газообразного состояния, и поэтому их называют кон­денсатом.

Архитектура из света и капель

Между тем затянувшаяся охота за каплей продолжа­лась, но шла пока без особого успеха. Оказалось сов­сем не просто измерить мелкую, иногда микронных раз­меров, частицу, летящую со скоростями 50—100 м/с. Дело усугублялось широтой спектра диаметров частиц. Имевшиеся в литературе способы измерений в двига­телях внутреннего сгорания нам не подходили.

Обычно рабочий день начинался с открытия. Кто-нибудь приносил очередную «блестящую идею», она представлялась дома такой обещающей, к обеду ее обычно «закрывали» под аккомпанемент беспощадной критики.

В те годы еще не родился метод «мозгового штур­ма», метод психической мобилизации творческой мысли в коллективе. Но мы, начинающие исследователи, на­щупывали его интуитивно. Из шутки, смеха, «всеобще­го трепа» постепенно вырастал серьезный разговор. Как-то сам собой возник обычай свободно высказывать любые безумные или смехотворные предположения и идеи. Поначалу слушатели не без труда воздерживались от зубастых, ехидных замечаний, на которые все были горазды. Но наш руководитель установил правило — отбор и строгая критика отодвигались на последующую дискуссию, когда набирался запас предложений (теперь психологи так и поступают).

— Надо ловить каплю на излете в какую-то мяг­кую подушку, чтобы не дробилась. Я думаю, подойдет паутина...

— Отлично, берем проволочные рамки и айда на чердак.

— Нет, так нельзя... нужно по плану. Рамки пока раздаем уборщицам... а нам всем оформить командиров­ку на завтра в Серебряный бор, там в лесу паутина — залюбуешься.

— Заведем казенного паука, будет новое лаборатор­ное оборудование; использование пауков в технике — авторское свидетельство. Пусть завхоз ставит его на довольствие, как нашу серую Мурку...

Возникала атмосфера раскованности; шутка, игра помогали ломать жесткий стереотип привычной мысли. Нам тогда не грозила опасность впасть в бездумную болтовню. Всех будоражили, тонизировали каждоднев­ные сообщения о новых технических идеях, конструк­циях, полетах, об успешных действиях наших Илов, штурмовиков с кинжальными эрэсами (ракетными сна­рядами), наших реактивных «Катюш», явно превосходивших немецкие шестиствольные минометы, о наших новых типах пороховых ракет, которые иногда запуска­лись прямо с деревянной тарой («Русские бросаются са­раями!»— вопили фашисты).

В издававшемся тогда журнале «Британский союз­ник» появились эффективные чертежи-рисунки первых турбореактивных двигателей. Но старые опытные цаговцы предостерегающе качали головами:

— Не очень доверяйтесь, здесь поработало бюро искажений.

Мы всматривались в них квадрат за квадратом, как в загадочные картинки — «найти взломщика», но так и не находили. Позже, когда мы работали уже в дру­гом институте, появились первые трофейные немецкие ТРД и огромные, как нам тогда казалось, марсианско­го вида ФАУ-2...