Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
***
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.
