загрузка...
Перескочить к меню

Необыкновенная жизнь обыкновенной капли (fb2)

файл не оценён - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли 1323K, 151с. (скачать fb2) - Марк Семёнович Волынский

Использовать online-читалку "Книгочей 0.2" (Не работает в Internet Explorer)


Настройки текста:





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 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.

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 (керосин и жидкий кислород) составляет примерно 2650 кг/с, а скорость истечения газов из сопла двига­теля  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 ρср 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...

Мы сбились с ног в поисках материалов для улав­ливания капель. Пробовались новые по тем временам пластики и полимеры, пористый пенопласт, желеобраз­ные среды (гели), смолы, различные пасты вплоть до гуталина, который был тогда дефицитом.

Пока же опыты ставились на модельной установке, капли распыленной воды улавливались в касторо­вое масло. Каждую пробу, приходилось утомительно и кропотливо обрабатывать под микроскопом. Способ годился для условного сопоставления форсунок по качеству распыливания, но не для измерения частиц реального топлива в камерах. Кто-то однажды пред­ложил:

— Хватит ловить капли, как мух на липкую бума­гу. Применим метод моментальной, искровой фото­графии.

Он уже тогда был достаточно усовершенствован. Время экспозиции, то есть вспышки искры, составляло 10-5—10-6 с. Экспериментатор, жаждавший остановить мчащуюся каплю, мог скомандовать: «Остановись, мгно­вение, ты прекрасно!» Метод позволил впоследствии многое разглядеть и понять в самом явлении распада, но для систематических измерений не пошел. Вступили в противоречие два главных требования — точность за­меров и массовость объектов. Для хороших измерений нужен увеличенный портрет капли. По законам опти­ки укрупнение масштабов изображения оплачивается уменьшением глубины резкости и сужением поля зре­ния. Из массы летящих капель объектив фотоаппарата выберет несколько резко сфокусированных, остальные получатся размытыми пятнами — не напасешься дефи­цитной мелкозернистой пленки.

Тут как раз и подоспело мое предложение использо­вать радугу. В литературе по метеорологической оптике я отыскал теорию радуги, ее создал известный английский астроном и физик Эри (1801—1892).



Про­стой принцип этой дивной архитектуры из солнечного света и капель совсем нетрудно понять. Наблюдатель видит радугу, стоя спиной к солнцу (рис. 6). Лучи солнца претерпевают в каплях полное внутреннее отражение и возвращаются обратно к зрителю под определенным углом. Это сопровождается дисперсией — капли «рабо­тают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на цве­та исходного спектра, от красного до фиолетового. На рис. 6 одна из капель и ход лучей в ней показаны круп­ным планом.

Вследствие интерференции световых волн интенсивность возвращенного света имеет для каждого цвета ряд максимумов, которые соответствуют определенным углам наблюдения. Только эти максимумы и может ви­деть глаз, слабые лучи всех других направлений не дают зрительного восприятия. Но максимумы — от пер­вого к последующим — в каждом цветовом ряду резко слабеют, и различать вторые, третьи и т. д. глазу стано­вится трудно. Поэтому мы обычно видим одну арку, так называемую главную радугу — это сомкнутые по­лосы, соответствующие первым максимумам всех цветов; она всегда наблюдается под углом примерно 42°.

Изредка в очень чистом небе видна и вторая многоцвет­ная арка — от капель, где свет прошел двойное внут­реннее отражение.

Такая интерференционная картина обладает особен­ностью — стоящий в данном месте наблюдатель видит радугу только от определенной группы частиц. Глаз служит вершиной конуса с углом 42°, а все «избирае­мые глазом» капли дождя образуют круг в основании конуса.

Первым дал объяснение радуги знаменитый фран­цузский философ, математик, физик и физиолог Рене Декарт в 1631 году. Не зная еще явления дифракции, он имел терпение и трудолюбие построить чисто геоме­трически ход 10 000 лучей, прошедших через каплю. Обнаружилось, что только небольшая группа лучей под номерами от 8500 до 8600 выходит из капли компакт­ным пучком, давая примерно одинаковый угол откло­нения, порядка 42°, все остальные расходятся широ­ким веером, то есть рассеиваются.

Земной зритель не может видеть всю окружность, а только ее верхнюю часть. На самолете другие гео­метрические условия обзора: они позволяют объять глазом весь круг (одно из бесплатных преимуществ авиапассажира, которое Аэрофлот забыл указать в сво­их проспектах и рекламе).

Радуга принадлежит к «призракам, идущим за то­бой». Вы отходите — она перемещается за вами на дру­гой Слой капель, строго соблюдая постоянство угла зрения. Солнечные и лунные дорожки на воде «из той же компании»: помните, они тоже всегда следуют за вами; причины аналогичные — максимум интенсив­ности света, отраженного от ряби волн, соответствует определенному углу зрения.

Теория Эри мне очень понравилась. Все было так красиво и просто, а главное, подтвердилась моя надеж­да: теория давала нужную зависимость. Это была связь углового расстояния между соседними максимумами световых интенсивностей (для каждого цвета) и диа­метром капли. «Теперь ясно, как ставить опыт,— мне необходима монохроматическая (одноцветная) радуга».

Я работал все дни до 10 вечера, и в неделю мы со­брали простую оптическую установку в темной комнате на пятом этаже. Всем не терпелось проверить правиль­ность идеи. «Солнцем» служил межэлектродный про­межуток вольтовой дуги, помещенный в фокусе большо­го конденсора. Красный светофильтр (иных не на­шлось) отсекал все другие цвета, потому и требовался очень яркий источник. Под форсункой стояло устрой­ство с улавливателем капель в касторовое масло для контрольного измерения. Все было готово. Мы застыли в полной темноте и тишине ожидания. Сердце у меня колотилось, казалось, о стены комнатки — выйдет или не выйдет этот первый в жизни самостоятельный эксперимент?

— Давай давление воды... держи десять атмосфер, включай рубильник...

На бисерных нитях конуса распыливания небольшой центробежной форсунки повисли бледные, но ясно раз­личимые красные дуги комнатной радуги, разделенные темным промежутком, как и предписывала теория. Мне самодельная радуга показалась прекрасней многоцвет­ной, естественной.

Все были довольны — «момент истины», когда реаль­ность совпадает с предсказанием теории, доставляет какую-то детскую радость. Дескать, фокус удался, хотя вы читали о нем и знаете, как это делается. На другой день я вычислил диаметры капель по формуле радуги, через измеренное угловое расстояние между ее первым и вторым кольцом. Потом мы обработали пробу капель, уловленных в касторовое масло,— данные обоих изме­рений неплохо согласовывались.

Итак, мои радужные надежды оправдались. Метод давал величину, близкую к среднеарифметической вели­чине диаметров капель в спектре распыливания.

Природа образует радугу не на любой жидкости — все зависит от величины коэффициента преломления. Но керосиновая радуга оказалась в числе «разрешен­ных». Это уже сулило практический результат, так как керосин применялся в ТРД. (Правда, запротестовали пожарники, требуя для опытов более сложной взры­вобезопасной установки.) Конечно, до решения всей капельной проблемы было еще очень далеко. Для понима­ния физики распыливания и создания расчета смесеоб­разования требовалось определение всего спектра час­тиц. Но теперь хоть можно было определять и довольно просто средние значения диаметров капель спектра.


Глава II


ОХОТА ЗА КАПЛЕЙ



В поисках уравнений


Начальник одной из лабораторий ЦАГИ и наш научный руководитель Генрих Наумович Абрамович предложил мне написать статью. Я писал ее в состоянии внутрен­него подъема. Мне нравилась радуга, ее теория, мир капель и вообще весь мир. Статья содержала такой перл: «Теория Эри по своей красоте и изяществу может соперничать с явлением, ею описываемым». Мой това­рищ по работе инженер Л. А. Клячко, острослов, не без ехидства выдернул эту фразу из текста, как смешную редиску из грядки, и бегал с нею по всем комнатам, по­тешая сотрудников. Через несколько лет мы поквита­лись. Отыскался в его статье соответствующий перл: «Кривая концентраций топлива для форсунки имеет двугорбый характер» (автор имел в виду наличие двух максимумов).

Нам, начинающим, повезло на начальников и науч­ных руководителей. Генрих Наумович Абрамович, сам ненамного старше нас, был тогда уже видным исследо­вателем и автором известных работ по теории свобод­ной струи. Много позже на одном из его юбилеев кто-то сострил: «50 лет в струю», вкладывая в эти слова два подтекста. Один говорил о преданности делу — по ассо­циации с книгой генерала Игнатьева «50 лет в строю», другой — об умении юбиляра находить нужные, акту­альные задачи. Г. Н. Абрамович — один из создателей советской школы аэрогидромеханики. «Генрих», как мы его звали, живой, привлекательный, руководил ненавяз­чиво, требуя от нас лишь инициативы и самостоятель­ности. Генрих Наумович просто и наглядно объяснял суть сложных аэродинамических явлений. «Мы здесь рассудим по-нашему, по-плотницки»,— говорил он, пояс­няя образование ударной волны в сверхзвуковом тече­нии. Его книга «Прикладная газовая динамика» стала настольной для поколений студентов и инженеров.

В то время он разрабатывал теорию центробежной форсунки, давно и широко применявшейся в технике, но пока не подвластной инженерному расчету. А без фор­сунки нет ракеты, дождевального агрегата, реактивного самолета, котельной установки и еще многого.

Есть в инженерной практике человечества счастли­вые находки, «вечные» устройства, решающие задачу простейшим и рациональнейшим образом: колесо, болт с гайкой. Таково и сопло Лаваля — канал в виде растру­ба на выходе реактивного двигателя, где газ разгоняет­ся до сверхзвуковой скорости. В силу привычки мы не удивляемся античной красоте простых и умных геоме­трических форм. Кстати, древние греки могли бы полу­чить сверхзвуковую струю воздуха, надув бурдюк, выдерживающий давление около двух атмосфер, и подо­брав эмпирически сопло — раструб с определенной пло­щадью горловины, меньшей площади выхода.

Центробежная форсунка — младшая сестра в уни­кальном семействе устройств, которые скупыми сред­ствами, компактно и внешне просто решают сложную техническую задачу. Как пустить жидкость широко рас­ходящимся конусом мелких капель, чтобы полнее на­сытить некий объем? Проще всего подать ее танген­циально, то есть по касательной к окружности внутрь отрезка цилиндрической трубы, один конец которой за­крыт, другой — сужен до малого отверстия (рис. 7). По­лучится камера закручивания, в ней жидкость пойдет по винтовым линиям. На выходе они «расплетутся», об­разовав факел, или конус распыливания. У самого корня это не совсем конус, а поверхность более сложной фор­мы: однополостной гиперболоид (рис. 8).

Течение в камере закручивания не сплошное, а по­лое, и мы уже видели через стеклянное дно форсунки столбик воздушного вихря. Поэтому струя на выходе из соплового отверстия превращается в кольцевую пелену, ограниченную двумя поверхностями гиперболоида тол­щиной несколько десятых миллиметра. При очень ма­лых давлениях подачи (порядка десятой доли атмосфе­ры), то есть малых скоростях истечения, капиллярные силы еще конкурируют с гидродинамическими и замы­кают пелену в полую эллипсообразную форму, что соот­ветствует так называемому режиму пузыря (рис. 9). Поверхностное натяжение силится вернуть жидкости каплеобразную форму шара — минимум поверхности при заданном объеме (известный принцип минимума по­верхностной энергии для равновесной формы жидкости).








С ростом давления подачи пузырь размыкается, и тече­ние становится обычным конусом распыливания, жидкая пелена постепенно укорачивается, сохраняя небольшой венчик у самого корня факела. В тонкой пелене секрет высокой дисперсности, мелкости капель.

Почему же во вращающейся жидкости появляется полость, воздушный вихрь, и что вообще там происхо­дит? Центробежная форсунка — хороший повод пригля­деться ближе к жидким и газовым потокам, кратко по­знакомиться с азбукой гидродинамики идеальной (без трения) несжимаемой жидкости. Нам станут тогда по­нятней события, происходящие в мире капель и струй.

Следить за пространственной картиной изменчивых жидких (и газообразных) сред удобно с помощью ли­ний тока, проведенных касательно к скоростям в раз­личных точках жидкости. Узор таких линий является как бы мгновенной фотографией всего происходящего на большом интервале потока. Этот метод часто более информативен, чем попытка следить за перемещением отдельных жидких частиц. Движение потока может быть установившимся, когда его картина в любом месте не меняется со временем, и неустановившимся, когда она изменчива.

Установившееся движение — это, например, река с постоянным течением, омывающая одну и ту же линию берегов, или течение в трубе при постоянном угле от­крытия крана. Неустановившееся — это море со сменой приливов и отливов, штилем и волнами или переменное истечение струйки из шприца под действием все уско­ряющегося поршня. Оказывается, в установившемся дви­жении линии тока совпадают с траекториями частиц.

Вращательное движение, или циркуляция, в жид­кости может происходить не обязательно по кругу, а по любому контуру и имеет обобщенный характер. Оно — основа многих важных явлений, в том числе подъемной силы крыла. Проведем любой замкнутый контур в поле линий тока. Можно построить проекции скоростей час­тиц жидкости на касательные к контуру в каждой его точке — линия окажется оперенной стрелочками. Сум­ма (или, точнее, интеграл по контуру) произведений таких проекций на длины малых отрезков дуг по всем точкам называется циркуляцией по контуру; она имеет знак «+» или «—» в зависимости от направления вра­щения: по ходу или против хода часовой стрелки. В жидкости все частицы могут не вращаться в привыч­ном смысле, а циркуляция будет существовать. Враще­ние здесь приобретает более общий кинематический смысл. Выделим в потоке элементарный «жидкий ку­бик» и проследим за его движением. Оно может склады­ваться только из трёх составляющих: поступательного (перемещение параллельно себе), вращательного (пово­рота как твердого тела), деформационного, когда гра­ни углов наклоняются одинаково, так что биссектрисы сохраняют свое положение. Поток, где отсутствует вра­щение, а «кубик» только перемещается и деформирует­ся, называется безвихревым, или потенциальным. Если присутствуют все три движения — поток вихревой, а вихревое течение всегда несет в себе циркуляцию. В гид­родинамике существует теорема У. Томсона: циркуля­ция в идеальной жидкости остается всегда постоянной; если ее в начале движения не было, она никогда и не появится, но, возникнув, сохраняется неизменной. В даль­нейшем мы еще вспомним об этой теореме.

Выделим элементарную струйку жидкости, или «трубку тока». Ее поверхность образована траектория­ми жидких частиц. Струйку берут тонкой, почти одно­мерной, так что параметры изменяются лишь вдоль ее течения, а поперек они постоянны. Течет она в общем потоке, вместе с ним сужаясь, расширяясь, вращаясь, и меняет свои параметры: площадь поперечного сече­ния f , скорость w , давление Р. Ходом многих явлений в мире гидродинамики, включая и малую струйку тока в ее изменчивом течении, управляют основные законы со­хранения, которые диктуют постоянство трех главных физических параметров: расхода вещества, вращения, энергии (о четвертом законе — законе сохранения им­пульсов, или количества движения, речь будет несколь­ко позже).

Тут иной читатель, пусть еще не очень много знаю­щий в нашей науке, но желающий полной ясности, пытливый, внимательный, дотошный (автор особенно расположен к такому), скажет: «Ну хорошо, мы догово­рились в самом начале, что жидкость условно принима­ется идеальной, то есть без трения, а почему ее назвали несжимаемой, ведь она течет, сужается, изгибается, при­нимает форму канала, камеры закручивания форсун­ки?» Здесь необходима точность определений: не следу­ет смешивать любую деформацию со сжатием. Пред­ставьте себе опять-таки некий жидкий кубик в потоке. Поток непременно вытянет его в длинный столбик, то есть изменит его форму, но объем останется преж­ним. Это и есть несжимаемость, свойственная практиче­ски всем жидкостям при не очень больших давлениях (не выше сотен атмосфер). В газе эффект сжимаемости (изменение объема «кубика») начинает сказываться, лишь когда скорость потока приближается к звуко­вой. При меньших скоростях удельный вес и плотность в различных точках потока остаются близкими к по­стоянным.

Первый закон — закон сохранения расхода: количе­ство жидкости, прошедшей через площадь f в секунду, то есть массовый расход, остается постоянным по всей трубке потока:



Уравнение (1) является гидродинамической формой закона сохранения вещества. 


Частицы жидкости или газа ведут себя куда разум­нее людской толпы, они не замедляются, не толкутся в узких проходах, а, наоборот, если канал сужается (f падает), жидкость протекает быстрее, при расшире­нии тракта (f возрастает) скорость ее падает.

Второй закон — закон неизменности момента количе­ства движения: произведение скорости вращения и на радиус r сохраняется постоянным от одной струйки жидкости к другой. Применительно к форсунке это условие запишется так:



где vвх — скорость жидкости на входе в форсунку (на­чальная скорость закрутки), R — радиус камеры закру­чивания.

Вращающаяся жидкость — это «антикарусель»: чем меньше радиус вращения, тем больше скорость.

Третий закон — это закон сохранения энергии едини­цы объема жидкости (уравнение Бернулли): в уста­новившемся движении идеальной жидкости сумма по­тенциальной энергии единицы объема, то есть давления и кинетической энергии, обусловленной скоростью, со­храняется постоянной вдоль всей струйки тока, в нашем случае — от исходного давления Р0 в резервуаре (балло­не) до выхода из канала. Уравнение Бернулли, связы­вающее параметры струйки, текущей сквозь форсунку, в различных поперечных сечениях имеет вид:



Здесь суммарная кинетическая энергия жидкости в сложном движении через сопло форсунки (где она идет по винтовым линиям) складывается из энергии по­ступательного движения со скоростью до и вращатель­ного — со скоростью и.

Удельная кинетическая энергия рv2/2 по аналогии с первым слагаемым Р называется скоростным или дина­мическим напором Рg — эта энергия может перейти в давление. Если текущую жидкость остановить ладонью, то вы почувствуете суммарное давление Р+Рg , которое называется полным напором (с точностью до потерь на трение; эта сумма равна давлению в баллоне).

В медицине, например, используется полный напор струи для безыгольной инъекции вакцины. Специальный импульсный шприц подает кратковременную струю высокого давления. Это «жидкая игла» безболезненно про­калывает, точнее даже, пробивает кожу.

А вот новинка хирургии — «выстрел клеем»: специ­альный биологический клей вводят из пневмопистолета струей в зону операционного разреза. Механизм дей­ствия этого целебного пистолета таков. Клей, поданный под большим динамическим напором Рg в межклеточ­ное пространство живых тканей, сдавливает сосуды, останавливая кровотечение. Оставшийся на поверхности разреза клей образует корочку, способствующую зажив­лению. В обоих устройствах потенциальная энергия на­чального давления переходит сначала в кинетическую энергию, а потом, при ударе о поверхность, снова в дав­ление.

Из уравнения Бернулли видно, что давление и ско­рость — «антагонисты»: если вдоль потока v растет, то Р падает, и наоборот — с замедлением потока повыша­ется давление. На этом явлении основан, в частности, самый простой и экономичный распылитель — парик­махерский пульверизатор, дающий широкий факел с очень тонким распыливанием при малом расходе пар­фюмерии, что вполне устраивает и парикмахера, и кли­ента. Т-образная трубочка с перекладиной наверху опу­щена во флакон с жидкостью. Воздух из резиновой гру­ши под давлением поступает в трубку, где его скорость (согласно закону сохранения расхода) резко возра­стает: ведь трубочка намного уже, чем груша. Сле­довательно, давление, согласно уравнению Бернулли, упадет, и возникшее в перекладине разрежение по вертикальной трубочке будет засасывать жидкость вверх. Там быстрый поток воздуха погонит ее к вы­ходу на другом конце перекладины, распыливая на ка­пельки.


Уравнение Бернулли позволяет просто получить при­ближенные формулы для скорости истечения и расхода жидкости из отверстия распылителя в атмосферу. За­пишем уравнение сохранения энергии (3) между на­чальным сечением в баллоне, где давление равно Ро, а скорость течения жидкости почти нулевая (баллон очень широк сравнительно с отверстием), и сечением выхода в атмосферу с давлением Ра:






Для форсуночных и капельных нужд нам хватило трех уравнений сохранения, но мы упоминали еще о четвертом. Оно знаменательно, в частности, тем, что приводит к формуле для реактивной тяги двигателя, ле­жащей в основе всей ракетной техники. Вспомним про­стой и общеизвестный пример. Вы стоите в неподвиж­ной лодке на озере и бросаете тяжелый камень с кор­мы — лодка двинулась в противоположную сторону. Объяснение дает закон сохранения количества движе­ния (или импульса), из которого вытекает важное след­ствие: положение центра тяжести (или центра масс) системы под действием внутренних сил остается неиз­менным. До броска центр тяжести лодки со всем содер­жимым покоился в некоторой точке. Когда мы выброси» ли камень, часть массы системы ушла назад, распреде­ление масс изменилось, но центр тяжести «не имеет права» перемещаться. Чтобы сохранилось его прежнее положение в пространстве, лодка должна ‘была двинуть­ся вперед. То же и с ракетой: до запуска она была не­подвижной, но когда массы газа стали вытекать из со­пел, ракета, подчиняясь общему закону, полетела в противоположную сторону. Мощные струи газа будут вытекать из ракеты, сама она унесется далеко в космос, а центр тяжести системы «газы—ракета» останется по- прежнему в своей исходной точке, на земле. Закон ко­личества движения гласит: импульс сил — произведение сил на время их действия — равен изменению количе­ства движения всех тел в системе.

Если этот закон применить к ракете, получим фор­мулу тяги:


 P = Gwc    (7)


Здесь Р — тяга двигателя; в правой части уравне­ния — количество движения газов, вылетающих из сопла (G — массовый расход газов, wс— их скорость на срезе сопла).

Формула (7) показывает: конструктор имеет два ре­сурса для увеличения тяги — расход G и скорость wс вытекающего вещества. Но топливо и так составляет львиную долю массы всей ракеты, выше определенного запаса его не возьмешь. Вот почему поток газов в сопле (где тепловая энергия переходит в кинетическую) раз­гоняют до огромных скоростей, в несколько раз пре­вышающих скорость звука.

Четыре основных уравнения сохранения только в первом приближении — в идеальном случае установив­шегося течения невязкой, несжимаемой жидкости — за­меняют более общие законы движения жидких сред и взаимодействия их с твердыми телами. Эти сложные дифференциальные уравнения содержат время и коор­динаты перемещающихся частиц и способны дать более полную картину трехмерного мира жидкостей и газов с учетом всех действующих сил. В них входят физические константы среды: вязкость, плотность и другие, найден­ные из опыта. В них (совместно с граничными условия­ми) заложена вся информация о течении — они могут ответить на вопрос: куда и в какое время придет любая частица жидкости, предсказать все явления и факты. Многочисленные опыты и практика подтвердили их пра­во называться фундаментальными законами природы. Однако решение этих уравнений является очень слож­ным делом и не всегда возможно, даже при современ­ных ЭВМ.

Гидромеханика, как и другие естественные науки, веками поднималась к вершинам познания «в связке альпинистов»: опыт — теория. Первый шаг делает опыт, это наблюдение, установленный факт (еще не полностью понятый), использование в практике каких-то явлений. Опыт ставит задачи, подтягивает за собой теорию. Она делает следующий шаг: как правило, бросок выше по­ставленного рубежа, к математическим обобщениям. Теория многое объяснила, но теперь возникли новые задачи для опыта, в которых теория выступает уже за­казчиком: нужно проверить в эксперименте решения ее уравнений, правильность гипотез. Снова включается опыт — уже на следующей ступени, вооруженный новой приборной техникой. Так, выполняя заказ времени, из­вестный американский физик А. Майкельсон (1852— 1931) ставит в 1881 году свой знаменитый опыт по из­мерению скорости света. Он использует для этого точ­ные дифракционные решетки Роуленда. И вот резуль­тат: гибнет старая гипотеза эфира, рождается теория относительности — «связка» преодолевает величайший барьер в истории науки.

Так попеременно вырубая ступени в упорной породе, обгоняя и подтягивая друг друга, непрерывно движутся в единой связке опыт и теория. Общие дифференциаль­ные уравнения гидромеханики — одна из самых высо­ких вершин этого восхождения: с нее далеко видно.


Катаклизмы внутри форсунки


Теперь со знанием дела, слегка подкованные по части гидродинамики, обратимся снова к форсунке: интерес­но, как там работает связка «опыт—теория»? Вблизи горизонтальной оси форсунки, где радиус r мал, скорость вращения жидкости и велика, это диктуется уравнени­ем (2). Велика и кинетическая энергия — слагаемое в законе Бернулли pu2/2. Следовательно, другое слагае­мое— давление Р — мало. Двигаясь все ближе к оси, при r ->0 получаем — согласно уравнениям (2) и (3) — нечто странное: и-> , Р-> —∞.

Это называется особой точкой решения. Математика начинает «чудить», приводит к противоречию с физи­кой, к невозможному результату: бесконечная скорость, бесконечное, да еще отрицательное давление.

Но часто математический парадокс как бы подает сигнал: здесь не разрыв со здравым смыслом, а разрыв в самой картине явления — ищите резкого изменения формы течения. А происходит вот что: когда давление у самой оси упадет ниже уровня давления среды, воз­дух из атмосферы засосётся внутрь форсунки через соп­ловое отверстие и образуется полость — воздушный вихрь радиуса rm , подобие воронки в ванне при сливе воды. Математическое зеркало, даже искривляясь, как бы продолжает своей кривизной отражать реаль­ность.

Теория центробежной форсунки создавалась у нас на глазах, и многие помнят, как возникла неожиданная, трудность: число уравнений в задаче оказалось меньше числа неизвестных — радиус вихря rm стал «лишним», для него не хватило одного уравнения. Проблема зашла в тупик, поскольку было неясно, как вычислить главную величину — расход жидкости. В уравнении



Тогда Г. Н. Абрамович решил: посмотрим структуру неизвестного, и построил зависимость расхода от радиу­са rm или, что равносильно, от коэффициента φc (при постоянном давлении подачи). Обнаружилась характер­ная особенность: при малых rm (толстое колечко) сече­ние выхода хорошо заполнено жидкостью, зато осевая скорость потока мала и их произведение (расход) мало; при больших rm (тонкое колечко) выходное сечение за­полнено плохо, и, хотя скорость велика, расход опять мал. На кривой при каком-то промежуточном значении rm обнаружился четкий максимум: природа как бы сама обращала внимание исследователя на одну особенную точку графика. Интуиция исследователя подсказала Генриху Наумовичу смелый «принцип максимума рас­хода», отбирающий одно-единственное в целом мире ре­шение; из всех возможных вихрей форсунка избирает такой, что расход жидкости получается наибольшим. Этот принцип позволил замкнуть теорию — интуиция заменила недостающее уравнение.

Опыт подтвердил красивую гипотезу в определенном диапазоне режимов. Был достигнут существенный про­гресс. В дальнейшем теория уточнялась и развивалась советскими учеными Л. А. Клячко, В. И. Скобелкиным, В. Б. Тихоновым и другими. Она нашла самое широкое применение в инженерной практике, поскольку позволя­ет просто вычислять расход жидкости и угол распыли­вания. Массовый расход в соответствии с уравнени­ем (5) запишется так:



характеристика форсунки, r и п — соответственно ра­диус и число каналов камеры закручивания.

Геометрическая характеристика оказалась фактором подобия: самые разные форсунки, имеющие одинаковую комбинацию основных размеров А, имеют одинаковые коэффициенты расхода μ и углы распыливания. Теперь общая картина течения в форсунке выглядит так. По­ток, попадая из широкой камеры закручивания в узкое сопло, ускоряется — работает уравнение сохранения расхода. Убыстряется и вращение, как у фигуриста, мгновенно сложившего на груди до этого раскинутые руки (уравнение сохранения момента количества дви­жения). Давление жидкости, вышедшей в открытое про­странство, должно упасть до атмосферного, центробеж­ное давление — исчезнуть. Но энергия не исчезает. По уравнению Бернулли потенциальная энергия переходит в кинетическую, то есть возрастает скорость истекаю­щей пелены, и она на самом выходе утоньшается. Итак, остроумная догадка о максимуме расхода разрешила трудности и дала законченную теорию явления.

Однако возникает вопрос: как же получилось, что не хватило уравнений и строгую логику пришлось заме­нить гипотезой? Победителей не судят, но если бы пред­положение ученого не оправдалось? Быть может, какой-то фактор выпал из рассмотрения, какие-то связи не были учтены? Вопрос законный, серьезный. Для ответа мобилизуем все ту же испытанную связку «опыт—тео­рия». Вглядимся внимательней в явление, вернувшись опять к форсунке. Но теперь приделаем к ней, продол­жая выходной канал, длинную прозрачную трубку — сопло из плексигласа. Раньше мы видели поток всегда с тыла или на выходе, сейчас можем взглянуть сбоку. Действительно, в профильной проекции обнаружилось нечто новое: у самого входа в сопло из камеры виднеет­ся крутая ступенька (иногда не одна) — резкое падение толщины жидкого колечка; внезапный рост радиуса вихря rm (рис. 10). Сразу появляется информация к размышлению: что за скачок? Где такое бывает? По­ищем аналогии — путь в науке очень полезный. Карто­тека памяти выдает необычный, запомнившийся образ: ведь это гидравлический прыжок, и возникает он дей­ствительно в потоках, сходных с нашим.


Гидравлики подробно изучают течение в открытом русле водослива (например, оросительный канал).



Жидкость там течет под действием силы тяжести — аналог потока с центробежным давлением в форсунке (оно тоже зависит от массы). Интересное это явление — гидравлический прыжок. Плавно ускоряясь, течет под уклон вода в канале по совершенно гладкому дну, уро­вень меняется медленно, равномерно. Но вот, разогнав­шись до какой-то предельной скорости, поток скачком меняет свою высоту, прыгает иногда почти отвесной стенкой, образуя один или несколько горбов-порогов. Потом на уменьшенном уклоне течение снова идет плав­но, но уже на другом уровне. Гидравлический прыжок возникает как раз в сечении, где скорость потока w до­стигает скорости с распространения поверхностных так называемых тяжелых волн *.


* Предположение о равенстве скорости течения жидкости в сопле форсунки скорости распространения тяжелых (центробежных) волн впервые было высказано И. И. Новиковым.


 Из теории волнового дви­жения известна простая формула определения скорости распространения волн: c =gh, здесь g— ускорение под действием силы тяжести, h — высота уровня жид­кости.


Перенесем на форсунку это уравнение прыжка. Теперь система уравнений замыкается без каких-либо дополнительных гипотез, поскольку появилось новое со­отношение, определяющее радиус вихря, а именно ра­венство w  и с:



Вот оно, потерянное уравнение. Вместе со старыми уравнениями вся система приводит к принципу максимума расхода — теперь он уже не гипотеза, а следствие теории течения в форсунке.

В чем физический смысл условия w = c ? Скорость тяжелых волн с — это скорость передачи импульсов в разгоняющемся потоке. Они передают информацию сверху вниз по течению с помощью бегущей волны жидкости малой амплитуды: «Поток ускоряется, изда­ли меняйте форму течения, постепенно подстраивайте уровень жидкости на всем протяжении пути». Пока сиг­налы проходят по трассе, движение идет плавно, уро­вень меняется постепенно. Но вот жидкость к некоторо­му сечению разогналась до скорости волн — информа­ция уже не опережает потока жидкости, а движется параллельно с потоком, не оставляя времени для пере­стройки. Потому тесно, «задние напирают на перед­них», возникает так называемый кризис течения. И вот поток «взбунтовался», встает отвесной стеной, резким уступом, нарушив монотонность процесса. Произошел, естественно, и прыжок скорости, поскольку резко изме­нилось проходное сечение. Потом, на ином уровне подъ­ема, жидкость успокаивается, и снова течение стано­вится плавным. Значит, в крутящемся потоке нашей форсунки есть критическое сечение, где скорость равна критической, и это сечение в самом начале сопла. Даль­ше вниз по потоку, что ни делай, расход, формирующий­ся в истоке, уже не увеличишь, поток перед критическим сечением не перестроишь — туда просто не дойдут ника­кие импульсы-сигналы.

Итак, догадка Г. Н. Абрамовича о существовании максимума расхода подтвердилась экспериментом, экс­перимент помог найти аналогию между гидравлическим прыжком жидкости в открытом русле и режимом мак­симального расхода в форсунке с центробежным дав­лением.

Но, если мы взялись докапываться до самой сути, можно поставить новый вопрос: «А где же всеобщность исходных фундаментальных уравнений, о которых гово­рилось раньше? Они ведь должны предсказать все яв­ления, все опытные факты. Нельзя ли из самих исход­ных уравнений вывести гидравлический прыжок?»

Чтобы ответить на этот вопрос, вновь приходится возвратиться к истории этой проблемы, начиная с того периода, когда практика настойчиво потянула нашу связку «опыт—теория» на новый уровень.

Обычные виды топлива обладают заметной вяз­костью. Новые (для того времени) реактивные двигате­ли космических ракет и больших авиалайнеров, где чис­ло и разнообразие форсунок все возрастали, требовали более точных расчетов. Конструкция самой форсунки усложнялась, она обрастала различными клапанами, изготовлялась по все более высокому классу точности и становилась довольно дорогой деталью. Теория форсун­ки на основе идеальной жидкости сделала свое важное дело, но теперь уже не всегда давала нужную точ­ность.

Исследователи приняли эстафету дальнейшего дви­жения от теории идеальной жидкости к теории вязкой жидкости применительно к процессам в форсунке. Ин­женер Л. А. Клячко проводил испытания центробежной форсунки на топливах разной вязкости. Сначала в фор­сунку подавалось маловязкое топливо — бензин, затем более вязкое — керосин. Первые же опыты, к его удив­лению, показали парадоксальный результат: для керо­сина коэффициент расхода оказался больше, чем для бензина. Клячко сказал готовившему эксперимент ме­ханику:

— Быть этого не может: вязкость больше, а расход возрос. Что-то здесь не так! Вы, наверное, плохо уплот­нили форсунку, и керосин где-то подтекал.

— Форсунка собрана правильно, герметичность я га­рантирую,— с достоинством ответил опытный механик.

Повторный эксперимент (правильность сборки фор­сунки теперь проверяли вместе придирчивый инженер и задетый за живое механик) дал все тот же результат: на керосине коэффициент расхода больше, чем на бен­зине. Провели опыт с еще более вязким топливом — соляровым маслом. Коэффициент расхода опять возрос.

После мучительных раздумий инженер нашел раз­гадку парадоксального явления. Действительно, под влиянием трения уменьшается закрутка потока в каме­ре. И тем сильнее, чем больше вязкость топлива. Момент количества движения уже не сохраняется, как в идеаль­ной жидкости. Та же скорость вращения на границе воз­душного вихря достигается теперь при уменьшенном моменте количества движения, то есть на меньшем ра­диусе r. Короче, трение, слегка «съедая» вращение, при­водит к лучшему заполнению сечения сопла, «накручи­вая» более толстое жидкое кольцо. Кроме того, оказалось, что трение перераспределяет энергию потока: большая доля идет на определяющее расход поступа­тельное движение со скоростью w, меньшая остается вращению. Поэтому с ростом вязкости жидкости коэф­фициент расхода центробежной форсунки возрастает. Согласно новой теории, расход получали больше, а угол распыливания меньше, чем по старой теории. Но опыт и расчет теперь согласовывались значительно лучше.

Форсунка вдобавок ко всем другим своим полезным качествам оказалась еще простым и универсальным на­глядным пособием: кажется, нет такого закона гидро­динамики, который нельзя было бы на ней продемон­стрировать.

Теперь, когда учет вязкости реальной жидкости ри­сует картину, более близкую к фактической, мы можем вернуться к нашему вопросу. Критическое сечение в соп­ле форсунки и в нем бесконечно крутой гидравлический прыжок действительно получаются из уточненной тео­рии, однако полностью до реальной картины она «не до­тягивает». На самом деле явление гидравлического прыжка развивается не в одном сечении, а на некото­ром конечном интервале, так что отвесного прыжка жидкости, бесконечной крутизны нет нигде. Причина нового, более тонкого расхождения теории с реаль­ностью состоит в том, что эффект вязкости хотя и от­ражен теперь, но далеко не полно — только через изме­нение момента количества движения, в то время как структура поля скоростей не учитывалась. Гидравличе­ский же прыжок обычно сопровождается резким изме­нением всей картины потока, отрывом пограничного слоя от стенки, возникновением обратных токов и за­вихрений и принадлежит к классу сложнейших явлений скачкообразной смены одного режима устойчивого тече­ния качественно другим. Среди других гидромеханиче­ских эффектов и этот, конечно, выражается в символах общих уравнений вязкой жидкости (уравнений Навье—Стокса), но вывести его из уравнения пока не удается из-за математических трудностей и неполной ясности относительно влияния на процесс граничных условий.

Наше повествование коротко и упрощенно отразило ход исследования одной из проблем прикладной гидро­механики, связанной с принципом максимума расхода. В теории форсунки существуют и другие подходы, но изложенная методика нашла наибольшее признание в литературе по авиационной, ракетно-космической техни­ке, теплоэнергетике и т. д.

Знания, которые изложены в учебниках, всегда вы­глядят гладкими, логичными, обоснованными. Реаль­ный же путь живой, развивающейся науки изобилует зигзагами, интуитивными догадками, нестрогими ре­зультатами, поскольку интуиция — часто единственный способ перенестись через разрыв, не имеющий пока ло­гического мостика. Даже в наилогичнейшей из всех наук — математике — теоремы обычно сначала высказы­ваются, часто угадываются, а потом доказываются, по­рой долго, порой очень долго, а возможно, не доказыва­ются никогда, как, например, теорема Ферма.

 Рассказ об одной из проблем прикладной гидроме­ханики хочу завершить эпизодом, в котором проявилась поразившая тогда нас интуиция профессора Абрамови­ча, создателя теории центробежной форсунки. Задача выбора формы реактивного сопла — одна из основных в прикладной газодинамике. Наука знает много приме­ров, когда простота конструктивного воплощения идеи требует очень сложной теории для своей реализации. Сейчас задача решается с помощью ЭВМ — борьба идет за малые доли процента реактивной тяги, завися­щей от контура стенок сопла. Оно изготовляется на вы­сокоточных станках с программным управлением. В ту давнюю, «домашинную» эру приближенный расчет был длительным и трудоемким.

 Однажды конструктор развесил чертежи разрабаты­вавшейся тогда серии сопел. Вошел профессор Абрамо­вич. Он бегло осмотрел чертежи, а затем, к нашему не­доумению, стал пристально вглядываться в верхний угол одного из чертежей, хотя там ничего не было. Вы­брав хорошо отточенный карандаш, он быстрым и плав­ным движением нарисовал, не отрывая грифеля от бумаги, лаконично красивую линию контура, потом мол­ча поставил подпись и дату. Всю серию сопел изгото­вили, эксперименты показали: его экземпляр был од­ним из лучших. Потому что много сопел на бумаге и в железе прошло через его руки, много их было рассчита­но, испытано. Концентрированный опыт отложился в интуиции, и в нужный момент она повела острие его карандаша.

Еще один работник ЦАГИ производил на нас, моло­дых, большое впечатление — Георгий Иванович Петров,теперь академик, крупный ученый в области газодина­мики и реактивной техники. Он тогда занимался иссле­дованием устойчивости течения жидкой струи, продол­жением идей предыдущей его работы по распаду вихре­вых слоев. Он любил обсуждать научные вопросы, шагая по коридору или заглядывая мимоходом в комна­ту. У Георгия Ивановича была манера вести несерьез­ный по форме разговор о серьезных и содержательных вещах. Он мог вдруг прервать беседу смехом, окинув всех сияющим взглядом, как бы приглашая порадовать­ся и подивиться вместе с ним неожиданному повороту мысли или красивому математическому решению. Мне­ния его были порой категоричными:

— Халтура в гидродинамике пошла от скороспелых гипотез, надо искать решения в строгой постановке. Вот Тейлор в задаче о вращении газа ничего не побоялся, лихо расправился с определителем бесконечного поряд­ка— и совпадение с опытом. Метод Галеркина — мощ­ный, но применять его надо с головой... Н. попробовал и нарвался...

Слушать его было нелегко, он пропускал слова, за­глатывал концы фраз — дескать, незачем договаривать, и так все ясно. Но слушать эту звуковую «скоропись» было интересно, его изложение «дышало голой сутью»* После такой беседы тянуло поработать, додумать, ра­зобраться в том, что слышал, углубить мысль, дойти до истинной природы явления. От него я впервые узнал о внутренней связи между явлениями распада жидкой струи и возникновением хаотического турбулентного те­чения из упорядоченного ламинарного.

Общительность Георгия Ивановича, простота в от­ношениях располагала поделиться с ним житейскими передрягами, посоветоваться, рассказать о кинофильме. Петров-академик ничуть не утратил своих молодых ка­честв времен ЦАГИ. Но при всем том требовательность его к уровню научных исследований была очень высока. В критике он становился резким, язвительным, был не­терпимым до ярости к легковесным работам.

— Еще один такой технический отчет, и я променяю этого кандидата наук на два рабочих стола,— говорил он, саркастически улыбаясь (столов тогда действитель­но не хватало, хотя и кандидатов наук было тоже не так много, как теперь).

Круг научных интересов Георгия Ивановича от­личался широтой, его теоретическая работа по распаду струи была одной из первых в отечественной литерату­ре, а в последующие годы он внес серьезный вклад в прикладную газодинамику, теорию электрической плаз­мы, проблемы Тунгусского метеорита... Обладая боль­шой человеческой притягательностью, он возглавил и много лет успешно руководил коллективом замечатель­ных, квалифицированных и способных научных работ­ников.


Рождение капли


После бесед с Георгием Ивановичем Петровым и чте­ния классических работ Рэлея у меня возник острый интерес к проблеме распада жидких струй. «Вот мы охотимся за каплей. А как она возникает? Не вылета­ют же капли из форсунки как дробь из ружья».

В самом деле, как происходит это «обыкновенное чудо», которое, впрочем, никого не волнует, кроме нескольких гидромехаников, исследующих проблемы устойчивости движения. Почему вообще струя распада­ется на капли? Текла бы себе до ближайшего препят­ствия, расползаясь по поверхности тонкой пленкой. Впервые на вопрос этот в 1878 году ответил с позиций математической физики знаменитый английский ученый Рэлей (1842—1919). Он положил начало целому на­правлению в гидродинамике, которое сейчас, с появле­нием реактивной техники, переживает второе рождение.

Работа Рэлея базируется на том факте, что струя всегда испытывает возмущения, вызванные вибрациями, отклонениями стенок от правильных геометрических форм, их шероховатостью и т. п. Если возмущения эти начнут увеличиваться, впадины волн — углубляться, гребни — расти, струя оказывается неустойчивой от­носительно малых колебаний, а волна становится буду­щей каплей; иными словами, волна должна отделиться от струи в виде частицы с диаметром, примерно равным длине волны (рис. 9). Решение Рэлея показало, что струя неустойчива и что амплитуды коротких и длин­ных волн растут с разной скоростью в зависимости от их длины. Но есть самая «легкая на подъем» так на­зываемая оптимальная длина волны λопт, имеющая мак­симум роста среди всех других. Она примерно равна 4,5 диаметра струи. Рэлей принял естественную гипотезу, что диаметр капли определяется величиной именно этой волны. Опыты хорошо подтвердили теорию. Прав­да, результат Рэлея касался частного случая — непод­вижного цилиндра невязкой жидкости; в реальности этому соответствует медленное течение из чуть приот­крытого крана. Искровые фотографии круглой струи показали, что с ростом скорости истечения все услож­няется, изменяется форма колебаний от симметричных к антисимметричным (см. рис. 9). Длина неустойчивых волн, а с ней и размеры капель уменьшаются; из массы волн начинает резко вырываться уже не одна, а две или несколько. И вот самое существенное: вместо одинако­вых капель возникает их целый спектр разных раз­меров.

Мне захотелось внимательней присмотреться к рас­паду пелены центробежной форсунки, пользуясь ее большими масштабами и задав малые скорости истече­ния. К этому времени нас, занимавшихся реактивной тематикой, перевели из ЦАГИ в другой институт. Круг проблем и объем работы возросли, коллектив расширил­ся, строились новые установки и стенды.

Руководителем одной из больших научных лаборато­рий стал видный ленинградский профессор из Политех­нического института А. А. Гухман, специалист по тер­модинамике.

Александр Адольфович Гухман читал лекции в Мо­сковском авиационном институте. Их стали посещать и некоторые наши сотрудники. Многие чувствовали по­требность глубже вникнуть в классические науки, не полностью понятые когда-то на вечерних факультетах, без отрыва от производства. Мы все время пользова­лись формулами технической термодинамики, но иные считали ее скучноватой, формальной.

Обычно инженер, научный работник в прикладной области имеет дело с конструкцией, ему нужно предста­вить конкретную модель происходящего там явления, а еще лучше нарисовать ее на бумаге. Он хочет ощу­тить силовое взаимодействие потоков и тел. А тут какие-то общие начала термодинамики, невидимый кар­кас, в который вроде все вписывается и о который все время стукаешься.

Термодинамика изучает общие свойства, не завися­щие от характера внутренних взаимодействий, и отвле­кается от конкретной игры сил. Шла молва, что лекции Гухмана — образец глубины и красоты. Поэт термоди­намики? Иные недоумевали, но, прослушав его раз, уже не пропускали ни одной лекции до конца курса. «В се­мье наук,— говорил Гухман,— классическая термодина­мика как старая властная тетка: во все вмешивается, ее недолюбливают, но она всегда права. Почему же наря­ду с необходимым уважением ей часто отказывают в должной любви? Чего ей не хватает — логики, строй­ности, строгости? Нет, все эти атрибуты эстетики позна­ния налицо. Отсутствует другое — доступный физиче­ский смысл некоторых ее понятий и особенно ключево­го— энтропии. Будучи наукой структурно-описательной, классическая термодинамика не связывает понятия с механизмом явления».

Он говорил образно, передавая слушателям ощуще­ние строгой красоты своих построений. Мы начинали понимать, как в природе все виды энергии — механиче­ская, электрическая, лучистая — самопроизвольно стре­мятся перейти в тепло. Оно — всеобщая «сберкасса», охотно принимает вклады. Но выясняется — тут ковар­ство: это «сберкасса наоборот», с отрицательным про­центом. Попробуйте вернуть вклад, то есть с помощью машины превратить тепло обратно в работу — вам вы­дадут лишь часть, удержав значительную долю: в при­роде идет непрерывное обесценение энергии. Энтропия есть мера этого процесса.

Лектор все время шел к обобщениям, он развивал единый подход к системе, когда она близко подходит к состоянию равновесия или только начинает выходить из него. Он выстраивал законченные сооружения, создан­ные по строгому плану. Он мне всегда казался по­томственным петербургским интеллигентом, впитавшим лучшие черты прежней культуры, педагогом высокого класса.

В свете теперешних представлений теории информа­ции энтропия приобретает еще более общий и ощути­мый смысл. Она оказывается мерой хаоса (в том числе и молекулярного), беспорядка, бесструктурности систе­мы, Скажем, помехи, искажения текста при передаче сигналов могут тоже оцениваться с помощью энтропии. Но к восприятию новых идей надо идти от хорошо по­нятых классических, которые нам так глубоко излагал Александр Адольфович Гухман.

 * * *


В то утро я спешил в институт с желанием скорее приступить к наблюдениям. Уже в проходной я услы­шал оживленные разговоры — упоминалась, как ни странно, наша «царь-форсунка». А случилось вот что. Накануне ее демонстрировали группе научных работни­ков. Руководивший опытом инженер Клячко подсоеди­нил форсунку прямо к пожарному гидранту. Крепление оказалось неплотным, мощная струя воды брызнула из зазора, и форсунка стала угрожающе поворачиваться в сторону зрителей. Клячко «героически» бросился к стыковочному узлу и тут же был промочен до нитки. А форсунка с неумолимостью Немезиды продолжала поворачиваться в прежнем направлении и накрыла опе­шивших наблюдателей огромной розеткой из воды. Теперь усмирять «царь-форсунку» выпало мне. Начиная эксперимент, я установил минимальное давление: менее десятой доли атмосферы, когда появляется так на­зываемый режим пузыря. Постепенно подняв давление жидкости чуть выше и убедившись, что крепления на­дежные, я подошел вплотную к корню факела. Передо мною у соплового отверстия блестела «рюмочка» жидко­го гиперболоида (см. рис. 8).

(Этот гиперболоид мне представлялся отрезком башни Шухова в миниатюре — знаменитой тогда в Мо­скве радиобашни станции «Коминтерн». Талантливый изобретатель В. Г. Шухов получил криволинейный кон­тур ажурной конструкции из прямых балок — снова мудрость простых форм.)

Здесь, у корня факела, кривые очертания «рюмочки» возникали из прямолинейных линий тока, по ним шел вектор скорости V вырвавшихся струй — результирую­щая касательной и и осевой w скоростей в сопле фор­сунки. Линии ясно различались на жидкой поверхности, прочерченные бугорками шероховатости стенок форсун­ки. Далее виднелась туманно-зыбкая непонятная об­ласть, из которой широко разлетался веер струй. Если часто моргать глазами («каждый сам себе стробо­скоп»), в струях удавалось различить вереницы капель.

Однако для серьезных наблюдений глаз был, конеч­но, бессилен, требовалась искровая фотография. Только она могла сделать невидимое видимым. Дальнейшие эксперименты с применением этого метода показали «водную феерию» распада во всем великолепии (рис. 11).



Рис. 11. Распад пелены центробежной форсунки


На поверхности пелены, вытекающей из сопла форсун­ки, начинают развиваться волны возмущений. Физика та же, что и в случае цилиндрической струи, только проявляется в более сложных формах.

Не сразу мне удалось разобраться в путаном круже­ве распада. Сначала факел распыливания представлял­ся каким-то струйным «веником». Потом, наоборот, в глаза полезли кольцевые структуры. Картина складыва­лась постепенно из просмотра многих серий фотогра­фий. Наконец я увидел: на пелене развиваются две группы волн (рис. 12). Гребни первой, идущей по дви­жению струи, видны на контуре ее границы. Они опоя­сывают поток, стремясь превратить пелену в кольца, нанизанные на ось форсунки. Вторая группа идет по окружности пелены (перпендикулярно первой) и стара­ется разделить жидкость на веер струй, расходящихся из центра сопла.

Эти волны видны на фотографии у корня факела («ребристая структура»). В зоне распада («туманно­зыбкая» область, которую я силился разглядеть нево­оруженным глазом) обнаруживаются кольца или вол­нистые круговые нити. Это отделившийся гребень коль­цевой волны антисимметричного возмущения. Нить рвется на фрагменты, превращающиеся в капли,— результат развития возмущений на каждом отдельном кольце.



Рис. 12. Факел распыливания центробежной форсунки: а — рисунок по фотографии, сделанной при большой экспозиции, б — схема рас­пада пелены (образование волн)


При более высоких давлениях жидкости — в десят­ки атмосфер — с поверхности срываются в виде роя ка­пель гребни мельчайших волн, прежде чем кольцо длин­новолновых колебаний полностью сформируется. Это здесь при больших скоростях жидкости возникают мел­комасштабные волны возмущений.

Я долго любовался искровыми фотографиями, кото­рые раскладывал пасьянсом на своем столе. А как объяснить все это теоретически? Провести точное мате­матическое решение для такого сложного течения не представлялось возможным. «Смело упрощайте за­дачу,— вспомнил я совет старших, более опытных иссле­дователей,— обрубайте боковые ветви, только не зару­бите сам ствол...»

«Волны возмущений начинаются сразу на рюмочке гиперболоида, а он близок к цилиндру,— рассуждал я.— Если полый цилиндр развернуть, получится плос­кая пелена; с плоским течением уже можно справить­ся». Использовав метод малых возмущений из работ Рэлея и Г. И. Петрова, я нашел решение. Течение оказа­лось неустойчивым, определилась оптимальная волна λопт — слой должен был распадаться на фрагменты с характерным размером волны.

Доклад на эту тему я делал в один из холодных дней послевоенной зимы, стоя у доски в огромных под­шитых валенках; мел не слушался замерзших пальцев. В нетопленом конференц-зале носились «дышки», но аудитория была многочисленной. И вскоре все согре­лись от тесноты и горячей дискуссии. Выступали инже­неры из разных конструкторских бюро.

— Помогите определить спектр распыливания на­ших форсунок. У нас уже накопился большой опыт по отработке камер, теперь необходимо сопоставить их параметры с параметрами спектра.

Стало ясно, что необходимое инженерам количе­ственное решение задачи о спектре математике пока не дается, нужно скорей научиться измерять каплю.

Прошли многие годы, прошелестели многие сотни страниц научных работ теоретиков в попытке решить задачу спектра, но «воз и ныне там». А требование практиков мы через некоторое время удовлетворили — пришел на помощь эксперимент.


Перипетии судьбы


Итак, распад струй, разрыв непрерывности, который представлялся на первый взгляд мгновенным скачком, при внимательном исследовании оказался сложным мно­гоступенчатым процессом. Но вот из катастрофы распа­да родилась капля. Как она ведет себя и движется дальше? Какова форма летящей капли?

Обычно следует ответ, что капля, двигаясь, вытянет­ся под действием воздуха вдоль траектории, станет об­текаемой. Действительно, каплеобразная форма — сим­вол хорошо обтекаемого тела и стремительного полета. Память подсовывает и образ из другого, соседнего, ря­да — капля, висящая на пипетке или кончике пера. Но ответ этот — классический пример ложного хода интуи­ции. Если взглянуть на искровые фотографии движущих­ся капель, можно заметить, что они в самом деле де­формированы встречным потоком, но многие, особенно крупные, капли странным образом вытянуты не вдоль, а поперек линии полета. Капля становится не более, а ме­нее обтекаемой. Рис. 13 объясняет этот кажущийся парадокс.



На схеме показано распределение нормаль­ных давлений (перпендикулярных поверхности обтекае­мого шара): значками « + » и «—» обозначены соответ­ственно зоны повышенного и пониженного давления (сравнительно с атмосферным и статическим давлением внутри жидкости). Лобовые силы плющат каплю, дру­гие вытягивают ее с боков и у «кормы». Получается (вместо обтекаемой сигары) дискообразное тело.

Капля, срывающаяся с пипетки или водопроводного крана, действительно имеет поначалу «каплеобразную форму» — тяжелая жидкость в «мешке» растягиваю­щейся капиллярной пленки, в первый момент скорость падения мала, и аэродинамические силы не оказывают влияния. Но может все-таки случиться, что летящая капля вытянется вдоль движения. Это произойдет, если силы трения, касательные к жидкой поверхности, пре­взойдут нормальные давления, например, для медлен­но движущейся вязкой капли или капли, «ползущей» в вязкой среде. Вопрос о форме капли в потоке совсем не прост — ему посвящены многие работы и тонкие экс­перименты. Выяснилось, что капля не сохраняет посто­янной формы — она «дышит», находится в состоянии колебаний. Мы видели: на поверхности движущейся капли силы в разных точках различны, значит, долж­ны возникнуть внутренние токи жидкости от большего к меньшему давлению. Опыт с мелким порошком вну­три жидкости показывает, что в капле возникают вихре­вые токи.

«Это все, может, и интересно,— скажет иной прагма­тически настроенный читатель,— но зачем нужны такие подробности?»

Нужны. Все для тех же камер сгорания, где при­ходится рассчитывать траектории капель. Траектории эти зависят от аэродинамических сил, от формы капли. Формулы механики полета любого тела, будь то само­лет или капля, содержат аэродинамический коэффици­ент сопротивления — Сх, который отражает силу сопро­тивления среды, направленную против скорости движе­ния тела. Он различен для тел разной формы. А где Сх, там и Су — коэффициент подъемной силы, действую­щей по нормали к скорости: в аэродинамике эти коэф­фициенты «ходят парами». Оба они определяют взаимо­действие воздуха и, например, летящего самолета. А мо­жет ли у капли быть Су? Иными словами, может ли горизонтально летящая капля вдруг пойти вверх? Мо­жет, если деформация ее относительно продольной оси несимметрична и в результате действующие на нее силы снизу и сверху окажутся неодинаковыми. Изредка на фотографиях наблюдалась траектория такой капли; какие-то причины вызывали несимметричную деформа­цию, и падающая в потоке капля вдруг взмывала вверх.

Вообще же скоростная фотография, не оправдавшая надежд как метод измерения капель, позволила понять механизмы каплеобразования, разглядеть много инте­ресного. Вот произошел рэлеевский распад медленной струйки: падающие капли причудливо колеблются, по­верхность принимает очертания сопряженных овалов и многоугольников — накладываются друг на друга коле­бания разных мод, то есть форм и амплитуд. За каж­дой каплей неизменным спутником следует маленький шарик Плато *. Если жидкость вязкая, например масло, колебания быстро затухают.

* См. МЭК — Шарик Ж. Плато.


Своеобразен многократно описанный процесс со­ударения капли с поверхностью жидкости. Здесь са­мое интересное — сохранение «индивидуальности» кап­ли, казалось бы, полностью исчезнувшей при ударе.







Подкрашенная красителем капля упала на жидкую по­верхность, возник кратер, по его краю поднялся венчик миниатюрной короны, а капля превратилась в тонкую пленку — подстилку на дне кратера. Ей пора исчезнуть, раствориться в окружающей жидкости. Но скорость гидромеханических процессов оказалась много больше диффузионных. Кинетическая энергия удара, как в сжатой пружине, перешла в давление поверхностного натяжения, оно приложено по краевому контуру пленки, закругленной тем больше, чем меньше радиус кривиз­ны. Под действием таких периферийных сил жидкость снова устремляется к центру, собирается в окрашенный шарик— значит, это те же молекулы, что и в исходной капле. Затем каплю поднимает над поверхностью острие жидкого столбика, образующегося вместо кратера. 

А вот другое явление: жидкая струйка обдувается воздушным потоком под углом 90° к ее оси; такая по­дача жидкости иногда применяется в камерах сгорания. Струйка изгибается, искровая фотография показывает, как при этом жидкий цилиндр сплющивается, превра­щаясь в тонкий лепесток, который распадается на кап­ли, уносимые воздухом (рис. 14). На рис. 15 показано это же явление, но для сверхзвукового потока с числом Маха М = 2—3.


 * * *


Поначалу наша новая наука о рабочем процессе в реактивных двигателях имела больше проблем, чем ис­следователей,— «бери коня любого» и скачи к туманным горизонтам. Однако я прочно сидел на своем коньке — капле, хотя соблазны материальные и иные появлялись: можно было заняться задачами более эффективными и сулящими более быстрое решение. Постепенно из смеж­ных отраслей техники и учебных заведений приходили новые люди. Мы сами старались подготовить их из сту­дентов и дипломников МАИ, МГУ, МФТИ, проходив­ших в нашем институте практику. Среди них — мне вез­ло больше на МФТИ, знаменитый «физтех» — попада­лись отличные ребята, светлые головы. Они были лучше обучены и подготовлены к работе в нашей отрасли, чем некогда мы, вступившие в нее. Эти ребята потом соста­вили гвардию нашей отрасли науки. Все мои практиканты и дипломники теперь кандидаты или доктора наук. 

Молодому человеку, который хотел знаний и творче­ского опыта, было чему поучиться. В институте начинался «золотой век» интересных теоретических семи­наров, докладов, дискуссий. Эту линию начал и воз­главил известный ученый и замечательный педагог академик Леонид Иванович Седов. С ним в институт пришел стиль строгости научных доказательств и аргу­ментации. Вечно разрываясь между собственными на­пряженными исследованиями и чтением работ других авторов, мы могли теперь получать богатую информа­цию, так сказать, не отходя от экспериментальных уста­новок. Леонид Иванович проявил большой вкус к фор­мированию научной школы и стал тогда одним из «цент­ров кристаллизации» одаренной молодежи, прежде всего аспирантов МГУ. Не без его влияния молодежь стремилась получить знания, набираться опыта так же, как и мы: «не боясь запачкать руки в грязи и саже экспери­мента». 

В те годы у нас в институте хорошо действовал тра­диционный тандем: научный работник—студент (или практикант). Разница в годах была не столь уж велика, а интерес к познанию общий. Мы вместе готовили и проводили эксперименты, на пару работали за микро­скопом, измеряя капли: один сидел над окуляром, дру­гой записывал. Полезны были «летучие» обсуждения результатов опыта, иногда сразу после запуска, прямо возле еще неостывших камер и не дождавшись, когда высохнут фотопленки. Ребята не могли найти таких знаний ни в одном учебнике, да их тогда просто и не было. Это в немалой степени побуждало к творчеству, и ребята иногда сами приходили к неожиданным, ориги­нальным идеям и решениям. Люди к нам, технарям, как говорится, валом валили. Нынче, говорят, совсем не то, молодежь будто бы поостыла к техническим ву­зам и техническим факультетам. Ну что ж, «другие дни, другие сны!» Раньше пленяли заоблачные высоты и стремительные скорости летательных аппаратов, несу­щих человека, сейчас центр внимания — сам человек. Молодежь идет в медицину, генетику, биохимию, психо­физиологию; по-видимому, там восходит заря новой на­учной эры. 

Другим повседневным помощником и спутником на­учного работника был механик стенда — фигура в на­шей работе весьма заметная. Стендовая установка час­то являлась уникальной, со сложным оборудованием, с мощной энергетикой. Изобретательская сметка меха­ника, его предложения по техническому оформлению эксперимента оказывались очень ценными, и я всегда подробно знакомил механиков своих стендов с общей задачей исследования. Помню, проводились опыты с распыливанием в сверхзвуковом потоке — явлением тогда малоизученным. Потребовался миниатюрный жаростой­кий распылитель, способный выдержать натиск струи газа с температурой более 2500 К. Существовавшие конструкции не вписывались в тесные рамки требуемых размеров. Модели, сконструированные в КБ лаборато­рии, сгорели одна за другой, брызнув кометным хвостом расплавленного металла. Я предложил эту задачу ра­ботавшему со мной механику Сереже Любимову, и через неделю появилось миниатюрное устройство. Для самого теплонапряженного лобового участка он сумел выто­чить маленькое острие из тугоплавкого вольфрама и за­прессовать его в корпус — операция ювелирная. «Ай да Сережа, распылитель подковал!» Все диву давались, как удалось изготовить это крошечное острие из такого трудно обрабатываемого материала. Остроумная кон­струкция использовала для охлаждения саму распыливаемую жидкость. Я теперь имел отличный распыли­тель, а механик — премию за рационализаторское пред­ложение. 

Но изобретательность изобретательности рознь. Рас­скажу эпизод, случившийся в одном институте другого ведомства. Механик поспорил с приятелем, что вынесет незаметно через проходную пятидесятикилограммовую наковальню. И вот двое повели под руки через проход­ную заболевшего товарища, едва передвигавшего ноги, видимо, с высокой температурой — багровое лицо было все в поту. Их незамедлительно пропустили в медсан­часть. По выходе с территории товарищ сразу выздоро­вел, как только с его шеи сняли подвешенную на кана­те и пропущенную между ног тяжеленную наковальню. Обратно ее несли уже втроем. Польза от такой «изобре­тательности» никакая, разве что дала пищу для остря­ков и «информацию к размышлениям» для вахтеров. 

улавливания капель, в частности разработанный груп­пой исследователей во главе с инженером К. Н. Ерастовым способ получения отпечатков капель на слое сажи, покрытом парами магния — магнезии. Яркая многоцвет­ная радуга — и прозаическая черная сажа. Что подела­ешь: когда речь идет о точности эксперимента, вопросы эстетики отодвигаются на задний план.


Ударяясь о пластичное покрытие сажи с парами магнезии, капли жидкости не разрушались, оставляя на саже аккуратный кружочек — след. Мягкость покрытия сочеталась с прочностью, сажа не сдувалась потоком. После эксперимента в окуляре микроскопа была видна четкая контрастная картина — черные кружки на сереб­ряном фоне магнезии, что облегчало кропотливые изме­рения: ведь в пробе иногда приходилось обрабатывать до 2000—3000 отпечатков. 

Применение этого метода позволило ответить на са­мые неотложные вопросы, но вообще — и этот вопрос встает для каждого метода — оставалось неясным, какое число частиц нужно измерять, чтобы знать, «сколько кого» в общей массе капель? Другими словами, какая проба уловленных частиц представительна, чтобы верно судить о всем спектре? Проще всего сказать: берите пробу побольше, подойдете к истине ближе. Но попро­буйте просидеть, склонившись над окуляром микроско­па, неделю за неделей, измеряя и подсчитывая десятки тысяч капель, до боли в глазах! И вот некоторое время спустя инженеры одной из английских нефтяных фирм предложили метод парафинового моделирования (затем усовершенствованный у нас). 

Метод в своем роде уникален, поскольку позволяет оперировать не с выборочной пробой, а со всем необо­зримым множеством капель, вылетающих из форсунки, скажем, за секунду. 

Взамен исследуемого керосина распыливают пара­фин, который в расплавленном состоянии при опреде­ленной температуре нагрева очень близок к керосину по ряду физических констант (удельный вес, поверхност­ное натяжение, вязкость). Вылетающие частицы быстро охлаждаются, и все их можно уловить. Но что дальше делать с ними? Частички, во-первых, слипнутся друг с другом; во-вторых, как их рассортировать по размерам? В специальных опытах подобрали жидкость — раствор этилового спирта,— где парафиновые капли, окутанные тонкой пленкой, практически не слипаются. Затем спирт с каплями пропускали через «этажерку» пронумерован­ных сит с ячейками известных размеров — от самой крупной в верхнем сите до самой мелкой в нижнем. Сита с каплями просушивали, взвешивали, находя для каждого сита массу задержанных им частиц (число из­меряемых капель составляет несколько миллионов при общем их весе всего около десяти граммов). 

В результате отнесения веса частиц на каждом сите к суммарному их весу оказывается возможным постро­ить распределение капель в спектре по размерам в за­висимости прежде всего от давления подачи. 

Метод парафинового моделирования позволил упра­виться со всем множеством капель и подтвердил пред­ставительность выбиравшейся ранее пробы частиц в на­ших опытах. Из-за своей сложности он не мог приме­няться повседневно, но остался как эталонный, дающий «истинную каплю в последней инстанции».



Глава III


КАПЛЯ ИСТИНЫ


Размножение капель


Для измерений в газовом потоке оказался удобным ме­тод сажевых отпечатков. Хотя он являлся выборочным, это уже не пугало. Метод парафинового рассева всегда мог указать нужную величину выборки. Эксперимента­торы дружно ухватились за методику, не дожидаясь полного ее обоснования (это шло параллельно). Точное число, а с ним успех исследований вошли в мир капель. Там, где пока пасовала теория, опыт принес первые ре­зультаты, наводя порядок в хаосе жидких частиц. 

Измерение множества однородных, но разновеликих объектов имеет свои особенности. После опыления кап­лями в потоке специальный стержень или пластинка, покрытая улавливающим сажевым слоем, ставились под микроскоп. Размеры отпечатков определялись в поле зрения на шкале окулярмикрометра с точностью до де­ления шкалы. Оставалось лишь отразить в таблицах и графиках распределение капель по весам и размерам, чтобы получить их спектр. 

Впоследствии, обобщив результаты анализа экспери­ментально полученных спектров, удалось найти способ построения спектра форсунок без кропотливых подсче­тов капель для различных размеров форсунки и пара­метров процесса распыливания: давления подачи, ско­рости воздуха, физических констант жидкости и газа. Конструктор получал спектр раньше, чем он «рождался в железе», и мог заглянуть в будущее двигателя, имея перед собой не реальную форсунку камеры сгорания, а всего лишь ее чертеж. 

Но все это возникло значительно позже. А пока мы занимались кропотливой сортировкой капель по их раз­мерам, тратя на это бесчисленное количество часов и сил. 

Наши тогдашние мечтания об автоматизации нудно­го счета капель (мы даже схватились за примитивный счетчик эритроцитов при анализе крови) реализовали современная оптика и электроника, придя на помощь утомленным глазам экспериментатора. Сейчас создано (у нас и за границей) сложное и совершенное устрой­ство — комбинация микроскопа, фотоэлемента и мини­атюрной ЭВМ. Проба частиц, отпечатков или вообще любых микрообъектов отображается на экране с нуж­ным увеличением. Наблюдатель находит интересную ему область и включает счет. Сканирующий луч мол­ниеносно обегает указанную зону, измеряя и подсчиты­вая по 10000 объектов за несколько минут. Результат — готовая таблица спектра. Хитрый прибор может изме­рять и некруглые объекты, давая средний размер по их площади или между наименьшим и наибольшим радиу­сами (например, для овалов). Открылась новая эра в исследовании полидисперсных систем. Устройство тако­го типа («Квант») применили биологи и гистологи для изучения живых клеток, его «обучили» ловить и фото­графировать «интимный» процесс—момент таинства природы, когда начинает делиться одна какая-то клетка среди множества обычных, неделящихся. Такой прибор обещает также прогресс и в технологии металлических порошков (порошковая металлургия), цементов (строи­тельное дело) и других сыпучих тел. 

Но все-таки первые измерения и исследования по распыливанию были проведены в «мансардах» старых, сравнительно примитивных лабораторий. Тогда наш ме­тод улавливания на сажу нуждался в более строгом обосновании: отпечаток — еще не капля, она деформи­руется при ударе, и диаметр отпечатка отличается, есте­ственно, от диаметра капли. Чтобы выяснить это, у нас решили построить специальную опытную установку. Ра­бота мне представлялась скучной и хотелось ее скорее завершить. Я никак не мог предположить, куда она меня неожиданно заведет. 

Пуск установки задерживался. Заготовив серию ртутных капель, измеренных под микроскопом, я за­брался на антресоли, под потолок самого высокого на­шего цеха, и стал оттуда прицельно сбрасывать капли на сажевый экран — «сковородку», лежащую на полу. О вредности ртути я имел тогда весьма туманное пред­ставление. Кто-то проявил вполне разумную осмотри­тельность, прибежали пожарные и представитель охра­ны труда. Возник скандал, пожарник размахивал баг­ром, угрожая стащить меня вниз. 

Вскоре подоспела установка, и опыты были про­должены: капли ртути сбрасывались в поток воздуха у среза сопла и улавливались на экраны, потом сравнива­лись диаметры капли и отпечатка. Монотонная, поряд­ком надоевшая работа подходила к концу (опыты по­вторялись многократно для надежной статистики), как вдруг обнаружилась странная аномалия. При большой скорости воздушного потока на экране появился пар­ный отпечаток. Может, техник по ошибке положил в чашечку для сбрасывания две слипшиеся капли вместо одной или взял случайно уже использованный экран? Я тщательно все проверил и повторил опыт — все тот же результат. Не двоится же у нас обоих в глазах! 

Упругая капля могла отскочить от экрана (раньше наблюдалось такое явление) и дать рядом повторный отпечаток. Я рассмотрел их внимательно под микроско­пом — два одинаковых следа. Не похоже на отскок, это не лунки-вмятины, а обычные пробоины. Теперь, когда исключались все возможные сомнения, оставалось одно, самое естественное объяснение. Оно, честно говоря, воз­никло сразу, но я не спешил им воспользоваться. С каким нетерпением дожидался я следующего дня! 

Волнующие моменты, когда спешишь на работу как на праздник, ждешь не дождешься результатов опыта, проявляемой фотографии, обмеряемой осциллограммы,  лент ЭВМ. Бывало, ожидаешь результатов расчета, как приговора. Техник Раиса садится за расчеты, и через час то, что казалось творческим озарением, превратится в смешную ошибку, а случайное замечание — в новую идею. Но как не часто попадается крупинка золота в песочных часах нашей жизни! 

Любопытный психологический феномен — я сталки­вался с ним неоднократно. Напряженно ждешь резуль­тата вычислений, ожидаемая цифра громко обсуждает­ся здесь же в комнате с сотрудниками. И вот ты в вос­торге: Раиса Ивановна, твой техник, ас арифмометра и логарифмической линейки, выдает ту самую цифру. 

— Молодец, Раиса! 

Но дело принципиальное, и ты садишься вместе с аспирантом за проверку, чтобы работать в четыре руки. 

— Раиса, никогда не ошибающаяся, «железная» Раиса, что ты наделала, злодейка! 

Наш дважды повторенный расчет дает совсем дру­гую цифру. Надо же было Раисе ошибиться так хитро! Непостижимо: ошибка по заказу! (Теперь я никогда не говорю технику наперед предполагаемый результат). Психолог, вероятно, объяснит такое явление скрытой ра­ботой подсознания, сознанию это просто не под силу. Расчетчик обычно не размышляет над результатом, он ему безразличен. Да и не так просто в ходе неокончен­ного расчета «подтасовать» итог. Из психологии извест­но — наши ошибки и обмолвки совсем не случайны. Однажды мы все ожидали премии за окончание сроч­ных работ, и машинистка в научном отчете напечатала: «Экспериментальные точки хорошо ложатся на пре­мию», вместо «на прямую» — неплохо сострила. 

И вот следующий долгожданный день наступил. Сначала я повторил один к одному прежний экспери­мент. Эффект раздвоения капли за ночь не изменил своей природы. Потом я слегка уменьшил скорость воз­душного потока — отпечаток снова стал одиночным. Так я нащупал границу: чуть уменьшишь скорость — один отпечаток, увеличишь — два. «Прочь, сомнения и трево­ги!» Я случайно наткнулся на новое явление — дробле­ние капли в потоке воздуха при определенной критиче­ской скорости. 

Я круто изменил направление исследований. К чер­ту нудные работы с поправочным коэффициентом от­печатка! (Благо, они почти закончены.) Распад капли в потоке гораздо принципиальней и интересней. Теперь нужны убедительные подтверждения. Ведь мы все-таки не видели своими глазами, как она дробится. Доказа­тельства требуются четкие и наглядные, тогда можно избежать неприятных разговоров с начальством о новой , внеплановой теме — победителей не судят. Я начал с химии: в лаборатории реактивов изготовили стопку фильтровальной бумаги со специальной пропиткой. В жидкость — теперь мы перешли на воду — была до­бавлена специальная примесь красителя, практически не менявшая физических констант воды. Капля, попав­шая на экран, моментально впитывалась — отскакива­ние исключалось. На бумаге возникало «глазастое» яр­кое пятно, оно хорошо было видно невооруженным гла­зом и для очень мелких капель. 

Таким «победным флагом» можно было помахать перед глазами членов научно-технического совета. Но все-таки хотелось увидеть, зафиксировать сам процесс дробления. Конечно, здесь годился прибор, который тогда назывался «лупа времени» или попросту «скорост­ное кино». Но его надо было искать в другом институте. К тому же прибор нуждался в тонкой наводке и фоку­сировке. А куда наводить эту оптическую «тяжелую артиллерию», если точка дробления неизвестна и навер­няка «гуляет» в пространстве и времени? Совместно с оптиками мы придумали более простой метод. Летящая капля фотографировалась в затемненной комнате при боковом освещении (рис. 16). Объектив фотоаппарата оставался открытым; свет, отраженный поверхностью ртутных капель (или преломленный каплями воды), по­падал в объектив и прочерчивал на пленке всю траек­торию, ясно обозначая место раздвоения. Труд, вложен­ный в методику, всегда окупается сторицей. Опыты показали четкий результат. Для каждой жидкости име­ется своя критическая скорость, она тем больше, чем мельче капля; критическая скорость растет с ростом по­верхностного натяжения жидкости и с уменьшением плотности газа. 

Эксперименты прошли быстро, на одном дыхании. Были получены новые интересные факты, теперь пред­стояло осмыслить их, свести воедино многочисленные столбцы разрозненных цифр в протоколах опытов. Каков закон дробления? Я попробовал рассуждать просто. . При полете капли противоборствуют две силы: активная — аэродинамическая — стремится деформировать каплю; стабилизирующая, обусловленная поверхност­ным натяжением, сопротивляется — эластичная жидкая поверхность изгибается, но не рвется. 







Рис. 16. Схема экспериментов по дроблению капель в газовом пото­ке: 1 — выходное отверстие воздуходувки, 2 — капельница, 3 — осве­титель, 4 — точка раздвоения капли, 5 — фотоаппарат, 6 — улавли­вающий экран


О чем говорит факт существования критической ско­рости? О некой критической стадии деформации. Если отклонение от шара невелико, форма (как и сфериче­ская) еще устойчива относительно малых возмущений, деформация обратима; потом на излете капля стянется в шарик. Но если дело зашло далеко, достигнут крити­ческий предел — возврата нет, малые возмущения (как и на струе) довершат дело, развалят каплю. Дойдет до критической деформации или нет, это вопрос «кто — кого» в противоборстве сил. 

Движущаяся капля всегда немного вибрирует. Вда­ли от критической фазы эти малые колебания для нее безопасны. На критической грани капля «дышит тяже­ло», как бы раздумывая — развалиться или нет, и где- то на «выходе» перетягивается восьмеркой пополам. 

Теперь от качественных соображений предстояло переходить к числам, памятуя, что качество — непознан­ное количество. Легко сказать: к числам. От них пестрит в глазах. 





Таб.1 


В каждом опыте (а он «схватка в воздухе») капля имеет свою «визитную», или, может, лучше — «летную» карточку. Там о ней все записано: диаметр капли, поверхностное натяжение жидкости, скорость и плотность обдувающего газа. Целых четыре числа — умножьте на сотни опытов... необозримое поле. А что, если «роковой вопрос» жизни капли выразить на коли­чественном языке соотношения противоборствующих сил: активной — давления потока и демпфирующей — давления поверхностного натяжения (они как раз за­висят от четырех наших чисел). Возьмем давление газа Pr в лобовой точке капли, где оно наибольшее и равно скоростному напору ρu2/2 (струйка тока газа полностью тормозится). Давление поверхностного натяжения опре­делим по известной формуле Лапласа для жидкого шара Рж = 4σ/а. Величина отношения давлений (с точностью до постоянных коэффициентов) дает комплекс, называе­мый критерием, или числом Вебера We: 


 Рг/РжWe = ρu2а/σ.


Теперь четыре числа заменялись одним. Путь эконо­мии информации обычно плодотворен. Он и привел меня к искомому закону. Стоило разложить «летные» карточки моих капель по порядку новых номеров, как обнаружилась интересная закономерность. 

Пусть взяты самые разные четверки исходных чисел для совсем непохожих жидкостей: воды, ртути, спирта, керосина. Если их новый «паспортный номер» одинаков, одинакова и судьба капель. Когда число Вебера меньше десяти, капля остается целой; если оно равно десяти, происходит раздвоение; при числе чуть больше деся­ти (11—12 — деликатная область, верхнюю границу най­ти трудно) — распад на несколько крупных (три, четы­ре, пять...) примерно равных частей. Дальше, если число достигает 14, переход в мир иной, от порядка к хао­су — режим распыливания: капли, возникшие в резуль­тате распада, на порядок меньше исходной капли и со­ставляют статистический спектр; с ростом числа Вебера за 14 (закритическая область) капельные осколки все измельчаются. Различные формы деформации и распа­да капли в зависимости от числа Вебера приведены в таблице (Таб.1). 

Теперь новое число приобрело ясный физический смысл критерия деформации и дробления летящей кап­ли. Критической фазе отвечает его минимальное дробя­щее значение (рис. 17). 

Все добытые в опыте цифры, как льдинки мальчика Кая в андерсеновской «Снежной королеве», сами сло­жились в нужной комбинации: Кай прочел слово «вечность», а мы — слово «истина». Это слово нас вдохновляло, хотя речь шла всего лишь об одной маленькой научной истине из мира таких же маленьких капель.



Рис. 17. График дробления капель в потоке газа:: 1 — режим критик ческой деформации, 2 —режим распыливания




 ***


Найденная формула безотказно действовала для всех не очень вязких жидкостей и годилась для разных видов топлива реактивных двигателей. В случае вязких жидкостей дело усложнялось; например, для касторово­го масла критерий раздвоения оказался много больше. Это и понятно: здесь демпфирующие силы, кроме по­верхностного натяжения, включают и силы вязкости жидкости, которые для других жидкостей можно было не учитывать.


В мире капель накопилось много интересных наблю­дений и фактов, а вот количественных закономер­ностей —дефицит. Мне посчастливилось наткнуться на одну из них случайно. Но, как поется в песне, «пусть наша встреча была случайной, но не случайно вспыхнула любовь». Критерий дробления заставил по-новому взглянуть на некоторые вещи: любая газовая среда — своеобразное аэродинамическое сито, оно не пропустит капли крупнее «своей» ячейки, которая и сама зависит от скорости полета. Теперь я сумел бы ответить на во­прос, который могли задать тогда, давным-давно, в са­молете: почему появляются градины с голубиное яйцо, но капли дождя у земли никогда не бывают больше четырех—пяти миллиметров. Дело в том, что твердые градины (льдинки), падая в воздухе, сохраняют свою целостность, тогда как крупные жидкие капли при своем падении приобретают у поверхности земли такую скорость, которая заставляет их дробиться, если размер капли превышает четыре—пять милли­метров. 

А процесс каплеобразования: распад жидких струй или пелены форсунки, быть может, только первая ста­дия? Возможно, процесс развивается фаза за фазой, как цепная реакция распада? Тех, кто работает с кап­лями, иногда посещают атомно-квантовые аналогии: волна на струе — будущая капля, оторвавшаяся части­ца — несет волну. 

Чем не дуализм «волна-частица»!


Как бы поближе разглядеть механизм этого ювелир­но-тонкого процесса разделения капель? Пусть, решил я, жидкость движется в жидкости, быстрое станет мед­ленным, мелкое — крупным. Конечно, такой простей­ший опыт ставили и раньше, но результат мне показал­ся необычайно интересным, несущим еще не полностью понятую информацию. 

Желающие могут повторить этот опыт у себя на сто­ле. Стеклянная пол-литровая банка, пипетка и флакон черной туши — все лабораторное оборудование. Банку наполните доверху водой, пусть пару минут отстоится. Теперь наберите в пипетку туши, поднесите ее на санти­метр к уровню... Я не предлагаю, как раньше, попытать­ся ответить, что произойдет: угадать нельзя, вычислить тоже. 

...Три, два, один — пуск! Черный шарик пошел в воду, начинается подводный цирк: капля мгновенно вы­ворачивается в аккуратное колечко, на нем появляются знакомые волны симметричных колебаний — вспухания, пережимы. И вот кольцо разделилось на ожерелье ка­пель. Хоровод капелек медленно, согласованно погружается дальше — можно пересчитать подводных бале­ринок и полюбоваться их пируэтами — начинается вто­рой цикл превращений. Из капель рождаются новые кольца и распадаются, вступая в новый, третий, цикл... Так идет нескончаемая типичная цепная реакция — только дно банки остановит ее.





Рис. 18. Так распадается капля туши в воде (с фотографии)


Капли ведут себя, как живые делящиеся клетки. Кто знает, может быть, это древнейший прообраз деления простейших форм живой праматерии, оседавшей с по­верхности в глубь океана? В жидкости повисает велико­лепная «люстра», наращивая ярус за ярусом: водный аттракцион, который может придумать только природа (рис. 18). Что же происходит? Распад явно идет в да­лекой закритической области, то есть при больших чис­лах Вебера, хотя скорость погружения незначительна (ее можно измерить в опыте). Дело в том, что относительно велика плотность среды р и очень мало поверхностное натяжение капли о: ведь капля туши — почти вода в воде, и этот параметр по малости даже трудно оценить. 

Японский ученый Ока решил задачу о распаде уже сформировавшегося неподвижного кольца. Она анало­гична рэлеевской, ведь кольцо— замкнутый цилиндр. Оказалось, что число частей при распаде зависит от отношения толщины кольца к его диаметру. Много позже моих опытов по установлению условий дробле­ния в иностранной литературе появились фотографии падающей в воздухе и дробящейся капли. Последова­тельность фаз деформации на фотографиях нам теперь понятна, она результат распределения давлений на шаре (см. рис. 13). Получается, что разрежение в кор­мовой части оттягивает, а давления в лобовой плющат и продавливают исходную форму. При этом разрежения по боковому поясу (в поперечном сечении) отсасывают жидкость на периферийную окружность. Возникший вначале диск с центральной вмятиной превращается в кольцо, обтянутое колпаком жидкой пленки, она быстро рвется. Остается неустойчивое кольцо, распадающееся на симметричные или антисимметричные волны — кап­ли при обязательных спутниках, мелких шариках Пла­то. С готовым кольцом математика еще справляется, но рассчитать деформацию «капля — кольцо» никому не удается. 

Странное дело: сколько раз нам уже попадалась кольцевая форма. Радуга, кольцевая волна, отделив­шаяся от пелены центробежной форсунки, теперь коль­цо из жидкого шарика в воде, из капли в воздухе. Если вы занимаетесь каплями, жидкое кольцо часто будет сопровождать вас, как рондо повторяющейся мелодии. В этом, наверное, проявляется круговая симметрия на­шего видимого мира, симметрии силовых и волновых полей. 

Эксперименты по дроблению капель завершились, и я успел до конца года представить научный отчет по внеплановой теме. 

План научно-исследовательских работ в институтах того времени не был столь жестким и всепроникающим, как потом. Иногда (и далеко не всем) разрешалось то, что летчики военной поры называли свободной охотой: полет в определенном направлении, но без конкретного задания — цели для атаки выбираются «по ходу дела». Я не за бесплановость или растягивание сроков, но жизнь показывает: план в науке иногда может и должен стать понятием растяжимым. Бывает, что план, как око­стеневший панцирь, мешает росту живого организма исследования. 

Научный работник обычно сам принимает участие в планировании, выдвигая тему, а иногда и сроки. И сам же часто попадает в свой капкан. Оценить время работ по новой теме, когда основная идея до конца и в деталях не ясна, чрезвычайно трудно. А если вдруг по ходу дела обозначился новый, более обещающий пово­рот? Откуда взять резерв времени? Мы придаем долж­ное значение материальным и другим резервам, а почему со временем должно быть иначе? Из своего горького опы­та я вывел правило: «коэффициент запаса» — планируе­мый интервал времени, который на первый взгляд ка­жется вполне достаточным,— умножай на два, тогда, ра­ботая с полным напряжением, едва уложишься в срок. 

К слову, об оценке результатов исследовательских работ: проблема непростая и по сей день актуальная. Все зависит от научной и практической значимости за­дачи. Иногда и отрицательный результат (полученный с точностью до «наоборот») полезен. В других случаях добытые материалы без серьезного анализа точностей вообще не имеют ценности. А есть еще и такие темы: если в конце узнаешь хотя бы, как следовало ставить работу в начале,— считай результат положительным.


Как сделать туман!


Первый этап моих исследований, возникший из случай­ного наблюдения, завершился. Опыты проводились на сравнительно крупных каплях, диаметром 0,8—3 милли­метра. Предстоял второй этап. Нужно было доказать универсальность свойства дробления движущихся ка­пель вплоть до самых мелких, обитающих в камерах сгорания. Вопрос этот оставался открытым, ведь мел­кая капля быстро увлекается потоком, при этом ее от­носительная скорость и активные силы падают, дефор­мация не успевает дойти до критической фазы, и рас­пад не происходит. 

Переход к более мелким частицам серьезно услож­нял эксперимент. Но прежде всего мы нуждались в этих самых мелких частицах. Так в пятидесятые годы возник­ла проблема точно калиброванных капель. Требовался Прибор, «штампующий» строго однородные капли заранее Известного диаметра, хотя бы до 100—200 микрометров. 

Обычные пипетки давали капли порядка два-три миллиметра. «Штучное» производство ртутных капель под микроскопом в первых опытах было решительно пре­сечено нашей охраной труда. 

Как же получить однородные мелкие капли? Каза­лось бы, чего проще. Вытянуть на горелке носик пипет­ки хоть до толщины волоса — вот и устройство для по­лучения самых маленьких капель. Увы! Мы уже не раз могли убедиться в сюрпризах мира капель. Помните, в вопросе о форме жидкой частицы нас обманула интуи­ция, сейчас обманывает так называемый здравый смысл. В действительности получится вот что: на кончике тон­чайшего капилляра все равно соберется крупная капля жидкости и сама полезет вверх, нанизываясь на капил­ляр, как бусинка. Большие капиллярные силы высасы­вают жидкость на внешнюю поверхность стекла, и уже не поймешь, жидкость в капилляре или капилляр в жид­кости. По водяной пленке и поднимается капля, легко преодолевая силу тяжести; стряхнуть ее очень трудно, она крепко держится за трубочку. 

Тогда решили обмануть капиллярность и испробо­вать не трубочку, а распылитель (форсунку) с микро­каналом длиною не менее десяти диаметров для равно­мерного течения. Это вызвало технологические труд­ности — дефицитные сверла в десятую долю миллиметра безбожно ломались. Когда их осталось всего десять, на­чальник нас просто выгнал из инструментальной кла­довой. 

Кто-то вспомнил новинку тех лет, а теперь широко распространенный метод электроэрозии, он позволял делать ранее невозможное — сверлить «кривое ружье» или тончайший канал. Я однажды наблюдал работу электроэрозионной установки: было весело глядеть, как голубые микромолнии били с острия простой проволоч­ки в деталь (оба являлись электродами электроцепи), расплавляя материал в маленькой точке поверхности и вырывая капельки металла. Проволочка трудолюбиво прогрызала себе путь, погружаясь в канал. Изобретате­ли — чета Лазаренко — работали раньше у нас. Они, между прочим, опубликовав статью в журнале, не удосужились оформить авторское свидетельство. Когда встал вопрос о продаже установки за границу, там предъявили патент (по существу, присвоивший чужую идею) и предложили купить установки у них. Как известно, теперь все предусмотрено для исключения таких казусов: наша страна — участник международного соглашения об авторском праве.  

Начальник электроэрозионной мастерской инженер Шмуклер был энтузиастом метода. Обнадеженные и веселые, мы моментально составили служебную запис­ку: «Просим прошмуклеровать отверстия в распылите­лях...» Наш начальник сектора, не читая, подписал (на что и рассчитывалось). Шмуклер сначала рассердился, потом рассмеялся — к вечеру мы получили распылите­ли. Термин «прошмуклеровать» с чьей-то легкой руки вошел в быт института. 

Увы, форсунка с тончайшим отверстием не оправда­ла надежд. Высокое гидравлическое сопротивление канала затрудняло подбор давления подачи, а требова­лась мизерная скорость истечения. Струйка то прерыва­лась, то текла (по выражению механиков) «сикось- накось» — эрозия создавала слишком неровную поверх­ность, капли получались неодинаковыми. 

Придумать с ходу калибровочный прибор не уда­лось, оказалось непросто реализовать ходячую поговор­ку: «Похожи как две капли воды». Требовалась новая идея. «Попробуем подключить материальный сти­мул»,— решил я и уговорил наше начальство объявить внутриинститутский конкурс с премиями на лучшую принципиальную схему прибора. Жюри отобрало два предложения. Одно устройство тут же окрестила «Жбан Гартьера» по фамилии автора — механика стен­да. Внутри металлического цилиндра из жести со щелью в верхнем дне устанавливалась форсунка, которая пы­лила вертикально вверх. Сила тяжести сепарировала капли по массе — мелкие опадали, более крупные били выше. Регулируя давление подачи и высоту расположе­ния форсунки, можно из спектра выделить наиболее дальнобойные капли диаметром до 100—150 микромет­ров. Вдоль щели подавалась небольшая струя воздуха, транспортировавшая каплю к стендовой установке. Устройство вообще работало, но оказалось очень слож­но отобрать одну-единственную частицу стабильного размера. 

Другой оригинальный прибор был предложен моло­дым одаренным инженером А. В. Ливенцовым. Прибор быстро вошел в практику, а изобретатель получил авторское свидетельство. Принцип действия заключался в следующем (рис. 19): 



Рис. 19. Генератор однородных капель: 1 — сосуд с жидкостью, 2 — подающая трубка, 3 — боек, 4 — кнопка включения, 5 — электро­магнитное реле, 6 — реле питания, 7 — сажевый экран, 8 — фазы каплеобразования, 9 — шарик Плато 


боек совершает возвратно­поступательное движение, ударяя в жидкий мениск трубки, на обратном ходе острие вытягивает жидкий столбик, при разрыве которого образуется одиночная капля (шарик Плато) удивительно стабильного разме­ра. Подбирая внутренний диаметр трубки, высоту стол­ба жидкости в сосуде и форму бойка, можно было по­лучать капли любых размеров. Мы нажимали на кноп­ку, прибор «строчил» серией одинаковых капель или при отрывистом «стаккато» выдавал одну-единственную. Тогда это, возможно, был первый прибор, решающий столь просто и надежно задачу калибровки капель; мы тогда опередили зарубежную технику. 

Позднее у нас и в иностранной литературе появи­лось описание значительно более сложного устройства типа «чертова колеса». В центр вращающегося со ско­ростью 40 000—60 000 оборотов в минуту диска подает­ся струя жидкости. Огромные центробежные силы, рас­тянув ее в тонкую пелену, отрывают волны колебаний с периферии диска в виде мелких постоянных капель. Конечно, никакие подшипники не выдерживают таких сумасшедших оборотов, и диск, вращаясь, висит на спе­циальной воздушной подушке. 

Но почему все-таки удается получить одинаковые капли? Мысль изобретателя перехитрила природу, само­произвольно стремящуюся к статистическому беспоряд­ку спектра распыливания — принцип заключается во вмешательстве упорядоченного поля сил в хаос распа­да. В начальный момент, когда на жидкой поверхности развиваются колебания лишь одной наиболее неустой­чивой длины волны, центробежные силы захватывают ее и отделяют от жидкости раньше, чем разовьются дру­гие волны — источники капель всевозможных размеров. 

В литературе был описан еще один метод получения одинаковых капелек: они выпадают в виде тумана из насыщенных паров. Но эта «туманная» установка от­пугивала своей сложностью и трудностью регулировки, о чем глухо упоминал сам автор. Другое приспособле­ние для получения однородных мелких капелек все-таки обуздало тонкий иглообразный капилляр — мелкая кап­ля с него сдувалась специально дозированным соосным потоком воздуха; впоследствии такое устройство при­годилось в опытах с испарением. Но это все появилось потом, а пока все мои надежды были связаны с прибо­ром Ливенцова. 

Трудность вдруг пришла с неожиданной стороны: кое-кто из руководства стал возражать против продол­жения моей работы. 

— Хватит рассматривать мелкую каплю крупным планом, у нас отраслевой, а не академический институт. Получен первый принципиальный результат, ну и хоро­шо. Пусть ученые-теоретики изучают общие закономер­ности, нам нужно делать не бумагу, а железо. Нельзя так долго исследовать один элементарный процесс: ско­рее пройти по всей цепочке и создать практический рас­чет камер сгорания. 

В этом, конечно, содержалась своя логика, но была и другая, ее-то я и отстаивал со всем пылом и упорст­вом (после чего в нашей стенгазете появилась частушка «Почему Волынский с пылом занимается распылом?»). 

Фронт науки — академической или прикладной — един; если на каком-то участке обозначился успех, про­рыв в неизвестное, надо его максимально развить, добиваясь возможно больших результатов, тогда они пригодятся не только в нашей отрасли, но и в других. Именно поэтому спустя некоторое время ко мне потяну­лись за консультацией не только из нашей, но и других самых разнообразных областей техники: двигателисты, теплотехники, химики, металлурги, которые теперь распыливают металл в порошковой металлургии. Были даже медики и биологи, интересовавшиеся мелкодис­персными эмульсиями для своих препаратов. Как все­гда, практике от науки нужно было одно: хорошая тео­рия или обобщение надежного эксперимента. 

Для меня этот спор «академиков» и «практиков» был в то время совсем не академическим — могли про­сто прикрыть тему на следующий год.

Впоследствии я прочел у гениального французского ученого Анри Пуанкаре: «Наука, созданная исключи­тельно в прикладных целях, невозможна; истины плодо­творны, только если между ними есть внутренняя связь. Когда ищешь только истин, от которых можно ждать непосредственных, практических выводов, связующие звенья исчезают и цепь рассыпается...» 

К счастью, меня поддерживал мой непосредственный начальник Евгений Сергеевич Щетинков, соратник и друг Сергея Павловича Королева. Это был один из за­чинателей реактивной техники еще со времен знамени­тых ГИРДов — групп изучения реактивного движения. 

Есть люди двух сортов — «орех» и «ягода». У пер­вых сразу чувствуешь твердость, волю. Но если жизнь их ломает — человек кончен, скорлупа треснула, обна­жается незащищенная мякоть нутра. Вторые вроде мяг­кие, податливые, а попробуй поднажать, ощутишь моно­литную косточку, ее не прокусить, твердость непрео­долимая, принципиальность до конца. Таким и был Евгений Сергеевич — скромный, мягкий, доброжелатель­ный человек, с какой-то очень неброской, «штатской» внешностью. Будучи начальником крупного подразделе­ния и руководителем нескольких научных направлений, он органически не умел безапелляционно приказывать, быть резким или повышать тон. 

Я пытаюсь задним числом понять истоки его автори­тета. Как же он управлял лабораторией? А ведь дела шли совсем неплохо. Прежде всего слово Евгения Сергеевича всегда весило очень много по своей научной компетентности и житейской разумности. Он не сыпал каскадом блестящих и скороспелых идей, у него их было лишь несколько. Но как умело он сочетал анали­тический подход и эксперимент, находил нужную глуби­ну научных разработок и доводил их всегда до практи­ческого, инженерного уровня. И как старался он пользу дела увязать с личным, научным интересом работника! Получить от него обещание было нелегко, но получив­ший знал: слово Евгения Сергеевича свято. 

В его отношениях с людьми не могло быть и речи о каком-либо своекорыстии или карьеризме (а ведь рядом иные весьма энергично карабкались по служебной лест­нице). Насколько я помню, Евгений Сергеевич воевал не за повышение, а за понижение своей должности, чтобы сохранить время для разработки своих научно- технических идей. 

Но попадались подчиненные несговорчивые, стропти­вые, просто не согласные с его технической политикой. Как умел он быть тогда корректно-твердым, мягко-нуд­ным, интеллигентно-въедливым, неутомимо убеждать, до­казывать. Переспорить его было немыслимо, не выпол­нить указания — невозможно. Даже «СП» (Сергей Пав­лович Королев), человек иного склада, быстрый на вспышку и резкое, а то и бранное слово (хоть и отход­чивый), в споре с ним ограничивался «настырным те­пой». Честно говоря, я думал, что привлекательные ка­чества Евгения Сергеевича во взаимоотношениях с людьми ограничиваются хорошим воспитанием, интел­лигентностью и несколько старомодной порядочностью. Много позже узнал, что когда «СП» попал в беду (был и такой момент в его довоенной биографии), мягкий и вроде слабый Евгений Сергеевич смело пошел на его защиту. 

Мне довелось встречаться со многими людьми, ода­ренными, даже блистательно талантливыми, но люди большой души, способные активно делать добро, по­падались мне реже. Возможно, в век НТР этот талант души не то что более редок, а менее заметен. Не могу простить себе, что, находясь бок о бок с таким челове­ком, как Евгений Сергеевич, не понял до конца его чистую и твердую натуру, скрытую под оболочкой скромности. 

Между тем прибор Ливенцова изготовили. Зная дальновидный и непредвзятый подход Евгения Серге­евича к проблемам и людям и доброе отношение ко мне, я под шумок продолжавшихся еще споров о судь­бе темы снова приступил к опытам, благо стенд у меня не отобрали. Забавно было смотреть, как вереница мел­ких капель сыпалась из-под снующего бойка и прыгала по экрану с улавливающим слоем, оставляя аккуратные вмятинки. Мы получали частицы любых нужных раз­меров, но нижний предел установить так и не смогли. 

Однажды студентка-практикантка МФТИ, которая выполняла эту работу, прибежала ко мне чуть не плача: 

— Ничего не получается, нет капель! 

— Как нет, прибор испортился? 

— Вроде работает, а капель не видно. 

Садимся вместе за прибор. Боек исправно стучит в жидкий мениск, а капель и отпечатков не видно. Стран­но! Всматриваемся в срез подающей трубки в луче силь­ного рефлектора, меняем углы падения света... Вот сверкнули мельчайшие блестки-пылинки, капли витают в воздухе. Размер, видимо, около 50—80 микрометров, их носит наше дыхание и конвективные токи воздуха. 

Дальнейшие опыты с применением каплеобразователя показали, что и мелкие капли тоже дробятся — явле­ние критической деформации было универсальным. Вы­числить критерий дробления, однако, оказалось труд­ным делом: мелкие капли увлекались струей воздуха, и точно замерить их скорость в момент дробления не удавалось. 

Впоследствии совместно с дипломником Сашей Ли­патовым мы решили задачу математически и написали статью о движении и деформации капли в поле ско­ростей свободной струи. По данным опытов мы вычис­лили критерий дробления, он оказался равным пример­но 20. Это согласовывалось (по порядку величины) с результатами других исследователей, которые нашли критерий, фотографируя капли внутри прозрачного сопла. 

Почему возникло расхождение с прежними результа­тами? Дело в том, что в первой серии наших опытов с довольно крупными частицами капля подвергалась вне­запному воздействию аэродинамических сил, сразу по­падая в поток (точнее, в ядро потока) большой ско­рости — происходила быстрая, ударная деформация. Во второй серии опытов капля постепенно наращивала от­носительную скорость в убыстряющемся газе, падая в пограничном слое свободной струи; происходила мед­ленная, равновесная деформация, когда для дробления требуются большие силы, чем при динамическом удар­ном воздействии. Это характерный пример, когда ре­зультаты эксперимента правильно и полно осмысливаются много позже. 

Проблема дробления капель пережила второе рожде­ние в связи с конструированием ракет на твердом топ­ливе, в которых вместе с газом движутся капли рас­плавленного металла. Более тяжелые частицы конден­сата «всю дорогу» отстают, а поток стремится их увлечь, расходуя энергию (затрачивается впустую и часть теп­ла, уносимого вместе с нагретыми частицами). Относи­тельная скорость частиц растет, достигая максимума в горловине сопла. Числа Вебера для некоторых капель становятся критическими, и капли дробятся при We = 20, что происходит, как мы знаем, когда постепенно возрас­тает относительная скорость. 

В полете мелкие капли догоняют более инерционные крупные и все время происходят многочисленные соуда­рения, в результате чего одни капли поглощают другие. Одновременное протекание противоположно направлен­ных процессов (дробления и слияния) и определяет рас­пределение размеров капель в спектре конденсата. 

Все эти пертурбации ученым удалось учесть и опи­сать в сложных уравнениях газодинамики двухфазных течений. Современные ЭВМ решают их, позволяя оценить потери реактивной тяги еще за столом конструк­тора до создания двигателя. Инженерные расчеты долж­ны, как положено, подкрепляться измерениями. И сно­ва встала задача определения спектра частиц конденса­та в тракте РДТТ. Она оказалась еще головоломней прежней: ведь капли окислов были на порядок меньше форсуночных, от долей до десятка микрон, и ловить их надо было на срезе сопла в сверхзвуковом потоке при высоких температурах. Но в науке уже сменилась целая эпоха, век назывался теперь атомным, космическим, электронным. Измерительная техника шагнула далеко вперед. Что касается обработки уловленных частиц в пробе, то теперь имеется специальная аппаратура для автоматического измерения и расчета состава конгломе­рата различных мелких объектов.


 * * *


Основным источником капель в наших опытах, поми­мо генератора однородных частиц, оставалась центро­бежная форсунка. Она стояла во всех камерах сгора­ния, с которыми мы работали, хотя изредка и делались попытки применять прямоструйную подачу. Однажды кто-то сказал: «Все центробежная да центробежная, свет что ли на ней сошелся клином! Давайте поищем другие распылители, может, они окажутся эффективней». 

Мы обратились к литературе, опыту других исследо­вателей. Выбор оказался довольно обширным; много­численное семейство распылителей, применяемых в раз­ных отраслях техники, можно было разделить на три основные группы по принципу взаимодействия жид­кости со средой: механические, газовые, или пневмати­ческие, электрические. Простейшей форсункой является струйная: круглая струя жидкости вытекает из цилинд­рического сопла, образуя при распаде факел распыливания с малым углом. Требуется много распылителей, чтобы равномерно напитать топливом объем камеры. Факел можно расширить, если струю подать под углом к воздушному потоку. Он расплющивает струю, и воз­никает жидкий лепесток, как бы элемент круговой пеле­ны центробежной форсунки. 

Один из вариантов прямоструйной форсунки пред­ставляет собой устройство со струями, соударяющимися под углом, или со струей, бьющей в дисковый экран, с которого она стекает в виде цилиндрической пелены — жидкого «стаканчика», переходящего в бахрому стру­ек и капель. 

Наиболее древний из вращающихся распылителей — известное Сегнерово колесо. В нем жидкость вытекает из загнутых радикальных трубочек касательно к окруж­ности вращения. Это одно из проявлений реактивной силы. Такой принцип вращения с помощью жидкой или газовой струи был знаком еще Герону Александрий­скому, античному механику и математику. 

В технике используется также подача струи на внут­реннюю поверхность вращающегося барабана или дис­ка, где жидкость растекается тонкой пеленой, рас­падающейся после удара о диск. Мы уже упоминали разновидность такого распылителя: при «головокружи­тельно» высоких оборотах (и очень малых расходах жидкости) он дает одинаковые капли для специальных опытов. 

Сорвавшись с кромки диска или барабана, жидкая частица имеет две составляющие скорости: высокую вращательную — самого распылителя и меньшую ради­альную — начального течения жидкости от центра к периферии. Результирующая скорость посылает каплю по наклонным прямым. Снижая обороты (что укрупня­ет капли), можно с помощью скоростной фотографии увидеть своеобразный механизм процесса распылива­ния. 

В случае небольших расходов жидкости (первый режим распыливания) по границе диска нарастает жид­кое кольцо с развивающимися волнами колебаний. Каждая волна вытягивается набухающим отростком под действием центробежных сил и отделяется в виде капли. При увеличении расхода наступает второй ре­жим распыливания — отростки на жидком кольце пре­вращаются в длинные нити, распадающиеся на капли. Если расход будет расти дальше, нити не смогут про­пустить всю жидкость, и наступает третий режим рас­пыливания: периферийное кольцо целиком отделяется от кромки, вытягивая за собой жидкую пелену с диска. Ее распад дает уже совсем неоднородные частицы, по­добно пелене центробежной форсунки. Соответствующее устройство требует затрат дополнительной энергии, но это позволяет получать большие расходы и регулиро­вать угол распыливания изменением числа оборотов. 

Акустические и, в частности, ультразвуковые фор­сунки используют высокочастотные колебания, которые воздействуют непосредственно на жидкость или через граничащий с ней воздух. Колебания, передаваемые вибрирующей пластинкой или стержнем, соединенным с генератором, вызывают в жидкости стоячие волны, с гребней которых срываются капли, образуя факел распыливания. Такой интенсифицированный процесс распада в струе или пелене способствует измельчению жидких частиц и делает спектр более однородным, чем в других типах распылителей. 

В газовых или пневматических форсунках (к ним принадлежит уже знакомый нам пульверизатор) есть специальные устройства с каналами, которые направля­ют воздух с большой скоростью соосно или под углом к жидким струям. Иногда воздуху придают вращение или пускают через полость вихря центробежной форсун­ки. Этим достигается дисперсность более высокая, чем в механических распылителях, ценой усложнения кон­струкции и дополнительного расхода воздуха. 

В установке с электрическим распыливанием струя подается в электрическое поле между положительным и отрицательным полюсами. Поле вызывает на струе некоторое неравномерное распределение давления, ко­торое деформирует струю, ускоряя рост неустойчивости и распад. 

Области применения упомянутых распылителей (а их конструкции, порожденные пытливой изобретательской мыслью, все прибывают) различны: струйный и щеле­вой используются в поршневых двигателях внутреннего сгорания и требуют высоких давлений подачи — в 100 и более атмосфер. При очень малых соплах (в доли мил­лиметра) они могут давать мелкое распыливание, но здесь возникает проблема засорения отверстий и необ­ходимости специальных фильтров. Форсунки со сталки­вающимися струями применялись иногда в ЖРД, а сей­час — в противопожарных и других устройствах. 

Вращающиеся распылители используются в химиче­ской промышленности для распыливания вязких жид­костей и суспензий. Газовые форсунки устанавливают­ся в карбюраторных двигателях и в различных техноло­гических аппаратах (нанесение покрытий и т. д.). Аку­стические распылители находят применение в технике приготовления порошков, в ультразвуковых горелках, в фармакологии для приготовления особо тонкодиспергируемых лекарственных эмульсий (они хорошо всасы­ваются тканями организма), в различных топках, су­шилках, в особых очистительных устройствах, пер­спективных в связи с проблемой защиты окружающей среды. Электрическое распыливание применяется в не­которых технологических процессах — окраске мелко­дисперсным красителем, сушке материалов и т. д. 

Типы и конструкции распылителей разнообразны, но в основе их лежит единый принцип: придание потоку жидкости более неустойчивых форм и конфигураций (тонкой пелены) и «подстегивание» процесса роста волн возмущений различными внешними воздействиями (ме­ханическими вибрациями, электрическим полем, направ­ленным потоком газа и т. п.). 

«Перелопатив» груду журналов и монографий, мы убедились, что большинство распылителей имеет свою узкую «профессию» и лишь центробежная форсунка наиболее универсальна, проста и компактна. Удовлетво­ренные, мы вернулись к ней с новым чувством уваже­ния. Гибко изменяя ее параметры rc  , R  , rвх , п, иначе говоря, геометрическую характеристику


 A = rcR / rвх2 n 


- можно всегда вписать форсунку в самые разнообразные условия камеры сгорания по расходу топлива, углу рас­пыливания и дисперсности. 

Возникло желание на опыте посмотреть эффект, скрытый внутри форсунки со сталкивающимися струя­ми. Установку соорудили почти моментально, подклю­чив к водопроводу трубку с Т-образным тройником, на концы которого надели резиновые трубочки с цилиндри­ческими наконечниками. Их закрепили в химических штативах, направив струи в горизонтальной плоскости друг на друга, под углом 90°. Мы чуть-чуть приоткрыли кран, давая минимальную скорость жидкости. Стеклянно-гладкие струи воды столкнулись в начальной зоне истечения. Ну чего, казалось, особенного можно было ожидать в месте соударения? Облака водяной пыли? Но нет конца изобретательности природы в мире капель и струй. И вот возникла совершенно необычная картина. 

Потоки, столкнувшись, расплющились, став тонким прозрачным овалом, расположенным перпендикулярно плоскости осей по биссектрисе угла соударения. Пери­ферия овала очерчивалась жгутами изогнутых струй; часть жидкости была даже оттеснена вспять, оказав­шись позади зоны встречи (задняя вершина овала); граничные струи, обогнув пелену, снова столкнулись в передней вершине овала, и опять под прямым углом; Картина соударения повторилась вторым, меньшим ова­лом уже в горизонтальной плоскости (струи теперь сталкивались в вертикальной плоскости). Так, по зако­ну цепной реакции, нанизываясь друг на друга, протя­нулась витая гирлянда жидких постепенно уменьшаю­щихся овалов—теоретический анализ показал, что это эллипсы. В такой форме явление развивалось при очень малых скоростях истечения, когда силы поверхностного натяжения жидкости сравнимы с аэродинамическими — скоростным напором ρv2/2.По мере открывания крана и роста скорости жидкости число овалов уменьшается, пока не начинается распад сразу после первого овала. Конечно, жидкая пелена неустойчива и при медленном течении, и на каком-то звене возникает распыливание, но скорость роста амплитуды волн неустойчивости ока­зывается меньше скорости движения жидкости, и ей удается на время «убежать» от распада. 

Мы провели опыт и со встречными струями, получив в поперечной плоскости большой жидкий «блин», рас­текшийся в тонкую пелену поперек струй. Аналогичная картина растекания (но без распада) наблюдалась при ударе струи под прямым углом . о плоскость экрана. Вдруг где-то на большом радиусе мы увидели ступень­ку кольцевого валика. Ну конечно, это наш старый зна­комый — гидравлический прыжок, он должен был воз­никнуть! Действительно, по мере радиального растека­ния пелена все утоньшалась, а, следовательно, при определенной малой толщине пелены h должно было удовлетвориться уже известное нам математическое условие прыжка


 v =gh 


И он (законы природы безот­казны) не замедлил возникнуть.




 * * *


Тем временем шло становление и развитие реактивной техники, увенчавшееся блестящими успехами космиче­ских запусков. У нас и за рубежом продолжалось ин­тенсивное исследование, рабочего процесса камер сгора­ния. «Строительные» работы велись сразу на несколь­ких этажах далеко не завершенного здания. В деловых буднях, на совещаниях и обсуждениях люди с интере­сом и некоторым удивлением наблюдали, как единое научно-техническое древо на глазах выбрасывает побе­ги отдельных проблем и направлений. Уже появились специалисты по форсункам и распыливанию — «смесеобразователи»; по организации процесса горения в потоках больших скоростей — «горелыцики». Кто-то вспомнил старую шутку о врачах — специалистах по правому и левому уху. Но жизнь, практика на самом деле требовали специализации и неизбежно разводили пути-дороги исследователей. Такое расслоение происхо­дило и в среде зарубежных ученых, с которыми посте­пенно налаживались контакты. Уровень работ наших авторов по распыливанию и горению был достаточно высок, и они все чаще публиковались и цитировались в иностранной литературе. Один из наших аспирантов по­лучил из Англии ( в те годы это было в новинку) пи­сьмо-отклик на свои новаторские статьи по турбулент­ному горению. На конверте значилось: «А. Г. Прудни­кову— эсквайру» (помимо любезного обращения, титул имел еще первоначальное, старое значение — землевла­делец, дворянин). Сейчас уважаемый доктор техниче­ских наук проживает в благоустроенной квартире и вряд ли вспоминает эпизод прошлого. А тогда наш «эсквайр» с семьей ютился в тесной комнатке (с жиль­ем было туговато), и, пожелай автор письма посетить коллегу в один из приездов на научную конференцию, возникла бы неловкость. 

Параллельно с исследованием процессов рождения капли из струй начались поиски закономерностей после­дующих фаз ее краткого, но многообразного существо­вания — испарения и горения. Измерение времени жиз­ни капли требовалось для расчета камеры сгорания не только двигателей, но и промышленных топок, котель­ных установок тепловых электростанций, различных энергоблоков и т. д. 

Мы интенсивно искали методику эксперимента. В технической задаче такого рода открывались два раз­личных пути. Рассматривать явление как оно есть, в условиях, близких к реальным,— факел распыливания в камере с потоком нагретого воздуха — и искать эмпи­рическую зависимость степени испарения, растущей до­ли испаренного вещества по длине. Или выделить одну-единственную каплю из всего роя и изучать механизм процесса в более простом и ясном проявлении с надеж­дой на дальнейшие обобщения. Первый путь сулил, ка­залось, реальные и сравнительно быстрые результаты — виделся несложный эксперимент: улавливать жидкость гребенкой отбора — шеренгой согнутых Г-образных тру­бочек, пользуясь осевой симметрией потока. Правда, самые мелкие капли могли облетать трубочки. Но в спектре распыливания некоторых форсунок доля таких капель была невелика, и расчеты позволяли вносить поправку. Вычисляя разницу расхода из форсунки я массы отобранной жидкости, оказалось возможным по­строить кривую роста степени испарения. Вскоре мы по­лучили целый «чемодан кривых», как говорила техник Раиса, прилежно строившая все эти графики. Но ника­кой закономерности подметить не удавалось. Обобщение в виде эмпирической формулы не получалось — ум, как и глаз, не мог сразу охватить сложное многообразие летящих и испаряющихся капель. Мы, правда, получи­ли при этом некоторое представление о реальных интер­валах и скоростях испарения, что для начала тоже оказалось ценным. 

Оставался второй путь. Одиночная неподвижная кап­ля должна была послужить простейшей моделью, на ко­торой можно было подсмотреть действие закона испаре­ния и описать его математически. Это открывало путь к возможному обобщению. Некоторые экспериментато­ры вообще начинали с «железных капель». На поверх­ность металлического шара через мелкие поры подавал­ся тонкий слой жидкости — поддерживалась неизмен­ная толщина испаряющейся пленки, что соответствова­ло стационарным условиям опыта. По расходу жидкости судили о скорости испарения. 

Более близкими к реальному процессу выглядели экс­перименты с каплями диаметром два—три миллиметра, подвешенными на проволочку термопары — прибора, из­меряющего температуру жидкости. Каплю заключали в ящик — термостат с определенной температурой. Он имел окна, иногда кварцевые. В случаях высоконагре­той среды или опытов с горением капли киноаппарат фиксировал ее меняющиеся размеры. Шаровая симмет­рия явления, казалось бы, позволяла составить уравне­ние процесса, математически решить задачу и сопоста­вить результат с данными опыта. Но не тут-то было — природа вмешалась в идеальные схемы. Капля окутыва­лась направленным вертикальным языком паров или продуктов сгорания. Они всплывали в окружающей среде, поскольку отличались от нее по удельному весу — явление естественной конвекции, обусловленное подъем­ной силой Архимеда. Модель шаровой симметрии лома­лась, получался некий искусственный обдув, то, что на­зывается «нечистый опыт». 

Оригинальный выход нашли хитроумные японцы, предложив метод «падающего ящика». Камера-лифт с подвешенной каплей падала по направляющим вместе с включенным киноаппаратом. В камере, согласно зако­нам механики, возникало состояние невесомости для всех тел, в том числе и для газов, окружающих каплю. Восстанавливалась шаровая симметрия и чистота опы­та. Фотографии в падающем лифте показали строго сферический фронт пламени вокруг горящей капли вместо привычного огненного языка. В наше время такой опыт мог бы с успехом проводиться на спутнике. 

Уместно вспомнить, что одним из первых «взвесил» каплю известный бельгийский физик и анатом Жозеф Плато. Его опыт стал классическим и часто демонстри­руется на лекциях. В прозрачный сосуд с водным рас­твором спирта вводят каплю не смешивающегося с ним масла. Концентрацию раствора подбирают так, чтобы уравнять плотности обеих жидкостей. Тогда сила тя­жести капли будет уравновешена архимедовой силой, и капля станет невесомой. Другими словами, в игре трех воздействующих на каплю сил: веса, гидростати­ческого давления и поверхностного натяжения — две первые взаимно уничтожаются. Капля независимо от диаметра неподвижно повисает в жидкости и приобре­тает строго шарообразную форму. Это обеспечивает си­ла поверхностного натяжения, всегда стремящаяся при­дать капле минимальную поверхность при заданном объеме. Кстати, сейчас возникла целая область гидро­динамики невесомости, важная для спутников и косми­ческих аппаратов, на борту которых всегда имеются жидкости различного рода и назначения. 

Рассмотрим процесс испарения, отталкиваясь от мо­дели с шаровой симметрией. Представим себе крупным планом каплю, взвешенную в неподвижном воздухе, температура которого намного превышает температуру капли. В первый момент холодная капля начинает ин­тенсивно прогреваться от окружающего воздуха. Пока не установился стационарный тепловой режим, посту­пающая энергия расходуется в основном на прогрев и в меньшей степени — на испарение. Быстро, за малые доли общего времени жизни капли, ее температура почти достигает определенного предела, называемого температурой равновесного испарения. Вообще темпера­тура испаряющейся капли жидкости никогда не может сравниться с температурой окружающей среды: капля нагреется, но не достигнет температуры среды, по­скольку с ростом температуры увеличивающийся отток пара будет тормозить подвод тепла к капле. 

Динамика начального прогрева капли всегда достав­ляла много хлопот теоретикам: что происходит у нее внутри? Можно предполагать, что порция тепла не успе­вает проникнуть в глубь капли и происходит испаре­ние внешнего слоя, Вслед за первым слоем испаряется следующий, капля сбрасывает с себя оболочки жидкости, как луковица — «одежки». Или, напротив, тепло рас­пространяется почти мгновенно, равномерно прогревая каплю до самого центра, и потом лишь начинается за­метное испарение. Наблюдения над крупными каплями с добавкой окрашенных частиц показали: внутри кру­тятся интенсивные вихревые токи. Если так, ближе к истине вторая схема: вихрь — отличная мешалка, вы­равнивающая температуры по всему объему капли. Но в мелкой капле, в которую заглянуть труднее, слишком тесно для обитания вихрей; возникнув и рассеяв свою энергию на трение, они должны быстро погаснуть. 

Борис Викторович Раушенбах, умевший, когда тре­бовалось, привлекать самый сложный математический аппарат, здесь поступил по-инженерному просто: взял каплю «в вилку», вычислив испаряемость в двух край­них пределах: в предположении послойного испарения, то есть бесконечно медленного прогрева (нулевой коэф­фициент теплопроводности), и мгновенного, равномер­ного прогрева (коэффициент теплопроводности — бес­конечность). Получились предельные оценки процесса при крайних режимах испарения: когда эти пределы не слишком расходились, можно было для реального про­цесса брать средние значения. Как начало такой при­ближенный подход давал полезную ориентировку. 

Но вот капля достигла температуры равновесного испарения, теперь все внешнее тепло тратится на паро­образование, то есть на преодоление внутренних моле­кулярных сил сцепления. Тепловой эквивалент этой ра­боты на единицу массы жидкости называется, как из­вестно, теплотой парообразования — вырвать молекулы из капли не так просто. Этот энергетический вклад в молекулы возвращается ими при обратном переходе пара в жидкость, например при конденсировании влаги в росу. 

Рассмотрим картину процесса (рис. 20). На поверх­ности капли, как на всякой границе раздела жидкой и газообразной фаз, сохраняется тонкий слой насыщенного пара, он находится в термодинамическом равновесии с жидкостью — у них одинаковые температуры. Молеку­лы в хаотическом тепловом движении непрерывно сну­ют через границу в обе стороны. Те, что вылетают из капли,— пар, те, которые возвращаются в жидкость,— конденсат. Когда вылетающих молекул больше, происходит испарение.





Рис. 20. Схема процесса испарения капли: а — неподвижная капля (С, t — концентрация и температура в слое пара вокруг капли), б — капля в потоке (1 — реальный слой пара, 2 — слой пара в теорети­ческой модели) 


 Давление насыщенного пара, называе­мое упругостью пара, не зависит от окружающего дав­ления, а определяется только свойствами жидкости и ее температурой. Капля становится центром двух встреч­ных потоков — энергии и вещества. Извне к ней идет поток питающего тепла, а от нее — отток пара. Молеку­лярная диффузия — процесс перемешивания и проник­новения молекул — переносит тепло от среды с более высокой температурой к холодной поверхности капли. Одновременно и вещество переносится от насыщенной паровой прослойки вовне. 

Законы диффузии вещества и тепла известны, и опи­санную картину нетрудно перевести на язык математи­ки — уравнения тепломассообмена. Если принять модель шаровой симметрии, эти уравнения содержат лишь одну пространственную координату — радиус точки-сферы. Это упрощает дело. Решение таких уравнений дает пол­ное описание явления: кривые распределения температур и концентрация пара вокруг капли и скорость испаре­ния — расход пара в секунду с единицы жидкой поверх­ности. Зная скорость испарения, можно найти время жизни капли. 

По аналогии с моделью испарения были построены модель и теория диффузионного горения неподвижной капли, позволившие вычислить время ее сгорания. Сфе­рическое пламя — тонкий нимб вокруг капли, наблю­давшийся в опытах «с падающим ящиком», устанавли­вается на поверхности, где паровоздушная смесь имеет коэффициент избытка воздуха α=1 (это означало, что химическая реакция избирает себе оптимальные усло­вия). Стационарная поверхность фронта пламени — это граница подвода и отвода тепла и вещества. Устанавли­ваются «встречные перевозки»: от фронта к капле — мощный поток тепла, от капли — мощный поток пара, питающий пламя горючим. Извне к фронту пламени идет поток кислорода-окислителя, а от него вовне продукты сгорания; тепло и вещество переносятся молекулярной диффузией. 

Задача испарения неподвижной капли была решена. Но в камерах сгорания капли движутся. Предстояло подняться на следующую ступень: решить задачу испа­рения летящей или (что равнозначно) обдуваемой воз­духом капли. Обдув резко повышает скорость испаре­ния: влажные руки на ветру высыхают быстрее. Приро­да идет навстречу инженеру, обеспечивая почти полное испарение за короткое время пролета капель через камеру, если капля достаточно мелкая. Но для исследо­вателя природа не делает поблажек. Маленькая кап­ля— тугой узелок взаимосвязанных процессов. Механи­ка ее движения зависит от аэродинамики обтекания (сил сопротивления), скорость испарения — от скорости полета. Широкое облако пара, окружающее неподвиж­ную каплю, теперь спрессовано напором потока в тон­кий пограничный слой летящей капли толщиной в деся­тые доли ее радиуса. На крошечном интервале в сотые доли миллиметра (рис. 20, б) температура газа резко возрастает: например, на капле бензина от температу­ры жидкости tж=70°—75°С (уже близко к температуре кипения) до температуры газа 1500 °С. В обдувающем потоке столь же резко падает концентрация пара — от насыщенных паров на жидкой поверхности почти до пуля за пределами пограничного слоя. Законы переноса тепла и вещества в среде приблизительно подобны: чем выше градиент температур (перепад на единице дли­ны), тем больше поток тепла от газа к капле, чем выше градиент концентраций пара, тем больше поток испа­ряющегося вещества от капли. 

Это и объясняет столь высокую скорость испарения при обдуве. В тонкой пленке своеобразного погранично­го слоя капли работает интенсивный механизм тепло­массообмена «тяни—толкай». Высокий теплопровод, воз­буждая молекулы жидкости, выгоняет их из капли, а быстрый массоотвод выметает пар с жидкой поверх­ности, освобождая место вновь поступающим молеку­лам. 

Но на самой поверхности жидкости, как и у непод­вижной капли, сохраняется хотя и мизерная, но стацио­нарная прослойка насыщенных паров. Это значит, что самый стремительный поток газа обходит заповедную зону термодинамического равновесия, не возмущая ее структуры. В нашем примере капля бензина находи­лась вблизи точки своего кипения — около 80 °С. Каза­лось бы, за чем дело стало: прибавить немного исход­ной температуры газа, и капля закипит, резко ускорит­ся парообразование. Но путь этот заказан: законы мо­лекулярного тепломассообмена в потоке накладывают запрет. Пусть температура газа возрастает хоть до 3000 К и выше, как в камере ЖРД, жар норовит лиз­нуть саму жидкую поверхность, но капля, как малень­кий богатырь, чуть оттесняет тончайшей прослойкой прилегающих газов адское пламя. Ее температура вплот­ную (асимптотически) приблизится к точке кипения, но останется все-таки ниже. (В отличие от чайника, где кипение начинается у дна и в пристеночном слое, на гра­нице соприкосновения жидкости и твердого тела.) 

И все же можно исхитриться вскипятить летящую каплю, используя свойство падения температуры кипе­ния с уменьшением давления. Например, в раструбе сопла, где давление падает, капля, влетевшая из зоны высоких давлений в зону низких, мгновенно окажется перегретой, ее температура будет выше температуры кипения, и она закипит уже в неравновесных условиях. 

Такова принятая в прикладной науке общая модель явления. Но ведь мы пока потихоньку втащили каплю в прокрустово ложе шаровой симметрии, столь любезной сердцу теоретика и расчетчика. Мы усреднили пере­менный по структуре и ширине слой и «обрубили хвост» сносимых потоком паров. В реальности парообразова­ние на поверхности капли неравномерно, линии тока набегающего газа в ее лобовой и кормовой зоне идут по-разному, за кормой у более крупных капель может отрываться цепочка вихрей. 

Сознавая несовершенство упрощенной модели с условным пограничным слоем и шаровой симметрией, мы тем не менее вынуждены к ней снова возвратиться: лучшего пока нет, а модель все-таки ухватывает основ­ные черты явления. Задача летящей испаряющейся кап­ли— один из тех узелков природы, которые наука, осо­бенно прикладная, не умея пока развязать, вынуждена разрубать с помощью приближенных гипотез и уравне­ний. Такой подход привел в конце концов к созданию стройной теории и методики приближенного расчета испарения капель, летящих в потоке газа. Немалый вклад в теорию внесен, нашими советскими учеными В. М. Иевлевым, Д. А. Франк-Каменецким и другими. 

Не вдаваясь в подробности, приведем основное урав­нение теории:


da2/dτ = F1F2 


В левой части производная квадрата диаметра кап­ли , а по времени τ. Это скорость убывания площади жидкой поверхности по мере испарения (производная отрицательна). В правой части уравнения произведение двух функций, включающих многие физические и гео­метрические параметры: чем значения функций больше, тем быстрее протекает испарение. Функция F1 отража­ет влияние факторов, не зависящих от движения; это функция статического испарения, такая же, как и в слу­чае неподвижной капли. Она зависит от температур газа и жидкости, от теплоты испарения, от удельных весов жидкости и пара, от коэффициента диффузии паров и других факторов. 

Функция F2 учитывает рост скорости испарения за счет движения капли. Для случая неподвижной капли (F2= 1) уравнение легко интегрируется и получается закон статического испарения, выражающий убывание площади поверхности капли во времени:


(а/а1)2=1—(F112к , 


где а — текущий (переменный) диаметр капли; a1— на­чальный диаметр; F1 — среднее значение функции.


Время жизни капли или время ее полного испарения (при а =0) выразится простой формулой:


τk  = а12/F1 


означающей, что время испарения пропорционально квадрату диаметра капли. Эта формула широко исполь­зуется для расчета времени испарения капель, увлечен­ных газовым потоком. 



Фотографический автопортрет


Созданная усилиями ряда исследователей теория была, как мы помним, приближенной и нуждалась в серьез­ном обосновании. Имея впереди долговременную цель — разработку методики расчета процессов смесеобразова­ния в камере двигателя,— я стал искать эксперимент, который мог бы подтвердить достоверность полученных формул испарения капли. 

Мои опыты по улавливанию и измерению спектров жидких частиц некоторые коллеги называли ловлей блох; теперь же предстояло «поймать» величину, гораз­до меньшую самой капли. Если капля диаметром 0,2 миллиметра потеряла за счет испарения во время полета половину своей массы, то уменьшение диаметра оказывается, как легко вычислить, совсем небольшим; на 0,06 миллиметра. 

Осознав трудность задачи, я стал искать напарника по работе из толковых сотрудников приборного подраз­деления. Не каждого капля могла увлечь, как меня, я решил попытаться прельстить кого-нибудь из соиска­телей ученой степени безусловной диссертабельностью темы. 

В нашей прессе система представления и защиты диссертаций, говоря словами Маяковского, была «в шты­ки неоднократно атакована». Она имеет, конечно, свои недостатки, но в нашем институте диссертации приноси­ли, как правило, пользу и делу, и научному работнику. Перед ученым советом, где заседали маститые ученые, известные академики, профессора и особенно «зубастая» молодежь, со скороспелыми, халтурными работами вы­лезать никто не решался. Диссертации тогда редко пи­сались специально для защиты, обычно они оказыва­лись естественно созревшим (иногда и перезревшим) плодом длительных исследований, результаты которых помещались в монографиях и журналах, практически использовались в промышленности. Что касается меня самого (пример не для подражания), то свои диссерта­ции я защитил с большим опозданием, после многих публикаций, когда уже иные коллеги недоумевали или посмеивались, а начальство ругало — защита диссерта­ции стояла в планах отделов и учитывалась при оценке их работы. (Еще не родился саркастический перефраз: «Уче­ным можешь ты не быть, но кандидатом быть обязан».) Причиной моего опоздания была затянувшаяся попыт­ка решить или хотя бы продвинуть теоретически пробле­му спектра капель. Однако трудности явно превышали возможности автора, впрочем, как и других исследова­телей, ломавших голову над этой задачей.

Мы обсудили схему опыта с моим напарником и решили, что естественней всего применить скоростную фотографию. Прибор для формирования однородных капель надежно работал, а искровая осветительная установка с экспозицией около 10-6 секунды должна была помочь нам «остановить» летящую каплю. По­скольку фотографировать одну и ту же частицу в раз­ных точках пути было чрезвычайно сложно, мы собира­лись снимать капли из однородной серии в начальном неиспаренном состоянии и после испарения, в сечении на выходе установки. Эксперимент представлялся но­вым и многообещающим. Но на первых же шагах воз­никла трудность, буквально загнавшая нас в тупик. 

Съемка с увеличением (правда, с не очень большим) нуждалась в тщательной фокусировке аппаратуры в точке ожидаемого появления капли, и требовалось точ­ное знание ее координат. Вспоминаю один из серии на­ших безрадостных разговоров. 

— Ты, кажется, втравил меня в безнадежное дело,— сказал мой обычно спокойный до флегматичности на­парник, который теперь все более проникался тревогой и раздражением.— Ведь при микросъемке очень мала глубина резкости — помнишь фотографирование факела распыливания? Малейшее отклонение капли от плос­кости фокусировки — и фотография получится размы­той, не пригодной для обмеров. 

— Да, кажется, капля не собирается нам позиро­вать. Понимаешь, я надеялся за счет высокого качества аэродинамики нашей установки уменьшить турбулент­ность потока... Не получилось: случайные пульсации «таскают» капли в слишком широкой зоне разброса. В струйке каплеобразователя капель маловато, вероят­ность попадания в фокус ничтожна. 

Перед нами лежал улавливающий экран с удручаю­ще широкой зоной рассеивания капельных следов. 

— Может, сделать батарею многих капельниц? Веро­ятность возрастает. 

— Нет, не удастся настроить все на строго одина­ковый размер капли. 

— А если сделать сечение струи воздуха поменьше, ну миллиметров пять—десять? Пределы колебаний час­тиц сузятся. 

— Не выйдет: для заметного испарения капли ну­жен путь не менее полуметра — твоя струйка размоет­ся, возмущения лишь возрастут. 

Наступила пауза, каждый размышлял про себя. Пос­ле раздумья мы почти одновременно пришли к одному выводу: капля должна сама себя фотографировать, включать вспышку электроискры в нужный момент. Иного пути нет. Но как это сделать? 

— Если взять небольшой осветитель,— начал я с не­ясной надеждой,— пустить из вертикальной щели световую плоскость через поток с каплями и прямо на фото­элемент... 

— На эту световую плоскость навести фотоаппарат, совместить с ней плоскость фокусировки,—Людхватил мой коллега.— Такой свет — ничто сравнительно с искровой вспышкой, он нам не помешает... 

— Так-так... капля ведь где-то пересечет световой барьер... если бы... фотоэлемент почувствовал и срабо­тал... 

Надежда постепенно увядала. 

— То-то и оно... твоими устами да мед пить. Тут не турникет метро, где загораживается весь луч фотоэле­мента. Здесь перекрытие мизерное, фотоэлемент «и ухом не поведет». 

Открывшаяся было дверка вела в никуда. Мы снова и надолго загрустили. Бесплодные поиски утомляли, и я отключился, тупо глядя на стеклянную мензурку. Косой осенний луч ложился на рабочий стол, преломля­ясь в стеклянной мензурке с цветами, поставленными лаборанткой. Бледный зайчик падал на пол далеко в затененный угол комнаты. Мне казалось, что мы бро­дим где-то рядом с истиной, не хватало одного послед­него шага. Почти бессознательно пробормотал я блоков­скую стихотворную строчку: «В косых лучах вечерней пыли я знаю, ты придешь опять...» И вдруг в самом деле пришла «Она» — идея. Словно лучик высветил не­достающий фрагмент решения — косой луч! Идея! 

Мой коллега, не склонный к лирике, зато привычный к моему бормотанию стихов и возгласам «Идея!», реа­гировал лишь вялой гримасой. 

— Гляди...— я в несколько штрихов набросал за­конченную схему всего узла фотоустановки. Забавно было наблюдать, как на скептичной физиономии моего коллеги вдруг ожили и задвигались от улыбки полуша­рия щек. 

— Видишь?.. Ось вспомогательного осветителя на­клоним градусов на 45 и пересечем воздушный поток с каплями не поперечной, а косой световой плоскостью — к черту стереотип перпендикуляров и параллелей, он и сковывал нас. С косой плоскостью совместим плоскость фокусировки фотоаппарата... Свет теперь пойдет мимо фотоэлемента... И бог с ним. Опыт, конечно, ведем в затемненном помещении, при открытом фотообъективе, который пока ничего не снимает. Капля, проходя свето­вой барьер, бросит преломленный (или отраженный) луч куда-то вкось — там и подставим объектив фотоэле­мента ... угол найдем эмпирически. Лучик будет сла­бый — ничтожной яркости, но фотоэлемент, глядящий в абсолютную темноту, ощутит контраст. Дальнейшее по­нятно: фототок включит искровой осветитель, и, когда капля попадет в плоскость наведения, она снимет сама себя в наилучшем виде. 

— Да, вроде мы ее поймали,— с облегчением сказал мой коллега,— надо только учесть время запаздывания: пока сработает импульс в установке и загорится искра, капля уйдет из плоскости наводки. Учтем это, чуть сдвинув фотоплоскость назад от светового барьера. 

Так сказать, подберем интервал. Скорость движения капли известна. 

— Ясно: «стреляем» искровой вспышкой с упрежде­нием, как по летящей утке. 

Хорошо и споро работается при свете четкой и обна­деживающей идеи. Снабженцы дрогнули под нашим соединенным натиском и раздобыли в конце концов дефицитную мелкозернистую фотопленку. В то время уровень всякого рода официальных бумаг, который грозит покрыть с головой теперешнего работника НИИ, был значительно ниже, хотя, конечно, меньше был и масштаб работ. Эскизы деталей экспериментальной установки шли прямо с наших столов к токарю и фре­зеровщику с минимумом начальственных виз. Кое-что нашли прямо на бездонной институтской свалке, богатой находками, как Клондайк. 

Для проверки принципа собрали в темном закутке времянку, модель основного узла: капельница, фотоэле­мент, небольшой осветитель и осциллограф. Все действо­вало безотказно. Вскоре была смонтирована и экспери­ментальная установка. Небольшой компрессор гнал по­ток воздуха через подогреватель, поднимавший его температуру до 600—800 °С, и через длинную цилиндри­ческую камеру. В ее начальном сечении стояла капель­ница — пришлось разработать особый вариант с тепло­защитой. Вереница одинаковых капель сдувалась с тон­кой иглы капилляра специально дозированной струйкой воздуха вдоль оси потока, размер капель был заранее известен. Во втором сечении, на выходе из трубы, фото­графировалась уже «похудевшая», частично испарив­шаяся капля: она летела, почти полностью увлеченная потоком, сохраняя правильную сферическую форму. 

Расстояние между сечениями можно было менять. Эксперимент оказался сложным и тонким. Мы начина­ли опыт с пристрелки каплей в зону фотографирования еще в холодном газе. Это требовало снайперской точ­ности. Медленно перемещая капельницу и ось фотоэле­мента, мы ловили в объектив преломленные каплей лу­чики света, добиваясь появления импульсов фототока на катодном осциллографе, подключенном к фотоэле­менту. Сердце радовалось, когда капли сигналили бегу­щими световыми зубцами на опаловом круге экрана: «Мы здесь, пролетаем в допустимом интервале разбро­са». Тогда открывался объектив фотоаппарата, и на снимке фиксировался начальный размер капли, по­скольку до начала подогрева испарение практически от­сутствовало. Потом включали подогреватель и устанав­ливали режим течения по температуре и скорости. Теперь начиналась трехкратная серия фотографий ис­паряющейся капли. Резким бичом щелкал электрораз­ряд осветителя, отзываясь в сознании непроизвольно родившимся рефреном: «Три капли, три капли, три капли!» 

Но если тайну трех карт бедному Германну суждено было узнать лишь после смерти графини, то тайна трех капель оказалась сразу в наших руках: снимки получи­лись отличные. Капли фотографировали себя сами! 

В конце опыта мы провели контрольную съемку сно­ва в холодном потоке, чтобы убедиться: капельница не сбилась и выдает те же капли. Нас охватил азарт, мы часами и днями не отходили от стенда, забегая лишь в фотолабораторию. Иногда вся серия фотографий лете­ла в корзину: обнаруживалось, что из-за каких-то по­мех сбивалась капельница. Часто, особенно в дождли­вые дни, установка срабатывала от посторонних капель влаги, которые содержались в воздухе и непрошенно совались в кадр. 

Наконец изнурительные эксперименты завершились. Сопоставляя диаметры холодной и испаренной капли с учетом возможных ошибок опыта, мы нашли вожде­ленные закономерности испарения капель различных размеров при разных скоростях полета. 

Результаты опытов были хорошо приняты на науч­ной конференции и Опубликованы. Они, в общем, под­твердили ранее предложенную теорию и дали инжене­рам и конструкторам надежный инструмент расчета. Мы получили авторское свидетельство на изобретение, а мой сотоварищ, кроме того,— материал, украсивший одну из глав его диссертации. 


 * * * 


Переходя от одиночной капли к их рою в факеле, нарисуем общую картину событий, развивающихся на «холодном» участке прямоточной воздушной камеры сгорания. Там обитают жидкие частицы и протекают процессы смесеобразования. Увеличим все в простран­стве и замедлим во времени. Сядем на каплю, подобно доблестному барону Мюнхгаузену, оседлавшему пушеч­ное ядро,— нам не привыкать к мысленным эксперимен­там — и пропутешествуем вдоль камеры, наблюдая за происходящим. Наш полет начнется вместе с плотным облаком капель, которое вырвется под давлением 50— 60 атмосфер из небольшого (один—два миллиметра) сопла форсунки, обгоняя поток окружающего воздуха. Мир капель возникнет внезапно и стремительно, на­поминая в миниатюре Вселенную, разлетающуюся в грандиозном взрыве первовещества (см. рис. 3), заключенного, по образному выражению академика Я. Б. Зель­довича, в «ореховую скорлупу». Примерно так пред­ставляют себе начало мира современные астрофизики. 

Двигаясь с каплей, мы увидим, как в хаосе факела распыливания воздушный поток начинает наводить по­рядок, командуя: «Каплям перестроиться по росту». От оси факела форсунки во все стороны начнет расходить­ся «метелка» траекторий — по каждой пойдут частицы своего размера. Под нами летят, постепенно отставая, капли меньших размеров (в начальный момент все час­тицы имели одну общую скорость), над нами, обго­няя,— большие капли. По законам механики более мас­сивные частицы в потоке дальнобойней и медленнее тормозятся. Происходит явление сепарации частиц по диаметрам. (В свое время была сделана попытка ис­пользовать этот эффект как один из методов измерения величины капель.) 

Турбулентный хаос силится спутать ровный строй, но его пульсации захватывают лишь самую мелочь, ко­торая носится повсюду. Несущая нас капля начнет на­греваться от тепла окружающего потока и деформиро­ваться, приближаясь по форме к диску-пуговке с оття­нутой кормой. Деформация максимальна на начальном участке, где относительная скорость (геометрическая разность скоростей капли и потока) наибольшая. У нас до дробления дело не дойдет,, возможно, распадутся лишь наиболее крупные капли спектра где-то на пери­ферии факела. Но деформация скажется на нашем дви­жении: возрастет коэффициент сопротивления, и уско­рится торможение капли. Через очень небольшое время ее скорость сравняется со скоростью движения окру­жающего газа, и капля снова стянется в слегка пуль­сирующий шарик. Мы все время будем чувствовать легкие хаотические толчки — воздействие турбулент­ности — и, обернувшись, обнаружим, что вереница ка­пель одинакового размера идет за нами не строго «в за­тылок», а слегка колеблется относительно стационарной траектории.

Соударения капель сравнительно редки, и в нас бу­дут попадать лишь мельчайшие капельки, поглощаемые нашей каплей при соударении. Наша капля все время испаряется — шлейф пара сдувается назад по линиям, тока газа. Струйки пара быстро рассеиваются, смешива­ясь с воздухом и образуя горючую топливовоздушную смесь. Чем капли меньше, тем быстрее они испаряются, пар лучше смешивается с воздухом, смесь будет более однородной по коэффициенту избытка воздуха, то есть лучше подготовлена к горению. Медианная капля в 100 микрометров обычно испаряется на интервале пути в 400—500 микрометров, а на чуть большем пути ис­паряются почти все капли, образующие факел распыли­вания. Остаются недоиспаренными самые крупные кап­ли периферийных траекторий. Мы видим, что короткая жизнь капли действительно насыщена многообразными событиями, взятыми на карандаш исследователями, сумевшими описать всю картину явлений математиче­ским языком. 

Математические формулы описали все звенья рабо­чего процесса: спектр распыливания, кинематику капли, закон ее испарения, распределение жидкой и паровой фаз в потоке и т. д. Они легли исходными кирпичиками в общее здание методики расчета смесеобразования в камерах реактивных двигателей и других технических устройств. 

Дальше начинается особый мир горения — сложное «солнечное сплетение» аэромеханических и физико-хи­мических процессов. Не вдаваясь в детали, обрисуем лишь одну из более вероятных, на взгляд автора, схе­му микродиффузионного горения (среди ученых суще­ствуют различные точки зрения на механизм процесса). 

Вспомним прямоточную цилиндрическую камеру со стабилизатором пламени — о нем речь шла в первой главе. Горение начинается от точки поджигания на кромке стабилизатора и представляется наблюдателю стационарной, слегка колышащейся, наклонной грани­цей, отделяющей поток топливовоздушной смеси от зо­ны пламени. Но внутренняя структура фронта много­сложна и подвижна. В сравнительно узком фронталь­ном слое области горения царит механизм соударений и смешений элементов-молей. Вот столкнулись два таких объемчика — моль холодной топливной смеси и моль горячих продуктов сгорания (здесь местная тем­пература полторы — две тысячи градусов). «Пламенное рандеву»! Результат — воспламенение, рождение эле­мента фронта горения в граничном слое на поверхности встречи. Процесс идет быстро, но ступенчато. Турбулентные пульсации (турбулентная диффузия) сталкивают моли — процесс грубого макросмешения; молекуляр­ные пульсации (известная нам молекулярная диффу­зия) прогревают и смешивают газы вдоль границы соударения — процесс тонкого микросмешения: конеч­ный итог и начало химической реакции. Из таких при­чудливо витых отрезков состоит весь турбулентный фронт - пламени. В нем турбулентная и молекулярная диффузия, перемешивая все и вся, гонят фронт огня внутрь вещества: тепло и материя передаются турбу­лентностью по лесенке все более мелких масштабов. За­вершение эстафеты, как мы видели, осуществляется мо­лекулами там, где идет реакция окисления. 

Топливовоздушная смесь не сгорает во фронте пла­мени полностью. Зона догорания, где газы нагреваются До высоких температур и увеличивают скорость, про­стирается далеко за пределами фронта. Отдельные, не- доиспарившиеся капли из «хвоста» спектра распылива­ния пронизывают фронт пламени и воспламеняются. Эти микрокометы живут недолго: каплю интенсивно об­дувает ускоряющийся поток, деформирует и дробит ее на мельчайшие частицы. Скорость сгорания во фронте тем больше, чем больше скорости турбулентных пульсаций, обычно составляющих один—три процента скорости по­тока. Эффективность процесса горения и его завершен­ность оценивают в технике коэффициентом полноты сгорания φ — отношением масс сгоревшего и поданного в камеру топлива. Его определяют методом газового анализа продуктов сгорания, отобранных специальными охлаждаемыми насадками. Чем ближе величина φ к единице (в хороших камерах обычно недобирается два— три процента сгоревшего топлива), тем совершеннее ка­мера; φ зависит от коэффициента избытка воздуха а, качества смесеобразования и ряда других факторов. 

Работа над испарением заставила меня взглянуть на каплю с новой точки зрения. Раньше она представля­лась мне просто сложным объектом гидромеханики. Теперь я в ней увидел иную, более общую модель. Мо­лекулы газа распространяются беспорядочно и неогра­ниченно в пространстве, маленькая капля — один из первых шажков от мира классического хаоса к порядку и гармонии. Многоугольники молекулярных траекторий здесь загнаны внутрь правильной сферы — при испарении вылетают самые шустрые. Капля, малая частица мира, символизирует его двуединство: статистический хаос случайного и гармонию закономерностей. Потому- то я высказал в начале книги предположение, что имен­но в этой частице, ячейке мира зародилась, по-видимому, жизнь на Земле (вспомните коацерватные капли акаде­мика А. И. Опарина). Со временем, возможно, феномен капли будет изучаться новой наукой о самоорганизации устойчивой системы из беспорядка — синергетикой.



 Глава IV


 ЦЕЛЬ ТВОРЧЕСТВА — САМООТДАЧА


От ракеты к Сезанну


Прочитанные главы, по-видимому, уже дали читателю некоторое представление о романтике будней тех, кого называют теперь технарями. Эта романтика лишена внешних эффектов. Возможно, кому-то покажется стран­ным, что ради маленькой капли можно было тратить столько страстей и усилий в течение многих лет. То ли дело — создать машину, построить здание, нарисовать картину, снять кинофильм. 

Одна из задач этой книги заключалась именно в том, чтобы показать не посвященным в тонкости «ка­пельной темы» читателям, что трудный процесс позна­ния капли и многих связанных с каплей явлений не менее увлекателен, чем другие творческие задачи, что снять кинофильм о капле не проще, чем фильм любого иного жанра, что «повидать мир» можно не только в окно экскурсионного автобуса или на телеэкране, но и в обычном стакане воды. 

Когда я оглядываюсь на годы, посвященные иссле­дованиям капли и связанных с нею явлений, невольно всплывают в памяти слова песни Анчарова:


Тихо падает вода —


кап, кап.


Намокают провода —


кап, кап.


Между пальцами года


Просочились — вот беда!


Между пальцами года — кап, кап!


А вслед за словами вспоминается грустное лицо Аркадия Райкина, исполняющего эту песню в посвя­щенном его творчеству и названном его именем фильме. Его взгляд (а точнее, взгляд того лирического героя, от имени которого исполняется песня) обращен в прош­лое. В нем как бы застыло недоумение по поводу про­сочившихся между пальцами лет. 

Я тоже всматриваюсь в свое прошлое, в ретроспек­тиву минувших лет. Уж кому, как не мне, прошедшие годы должны представляться упавшими каплями! 

Да, этот образ мне безусловно близок. Но считать, что ушедшие годы бесследно просочились у меня между пальцами, не могу. Годы оставили в памяти много глу­боких следов от соприкосновений и с интересными явле­ниями, и с не менее интересными людьми. Когда не удавалось совладать с неожиданным новым явлением в одиночку, приходилось обращаться за помощью к людям. Оглядываясь на прошлое, я прихожу к выводу, что мне посчастливилось всю мою жизнь ехать в «синем троллейбусе» Булата Окуджавы, пассажиры которого всегда готовы прийти на помощь друг другу, не тратя для этого лишних слов. 

Вот почему в этой главе мне хотелось бы уделить главное внимание тем людям, с которыми мне посчастливилось повстречаться на «капельной ниве». Среди них и скромные труженики науки, и такие из­вестные ученые, основатели отечественных научных школ по гидромеханике и ракетно-космической технике, как академики М. В. Келдыш, Л. И. Седов, Б. В. Раушенбах, Г. И. Петров, профессора Г. Н. Абрамович, А. А. Гухман, Е. С. Щетинков. С некоторыми из них мне приходилось вместе работать, с другими я встре­чался эпизодически, но почти любая такая встреча остав­ляла в моей памяти неизгладимый след. 

Было бы слишком смело пытаться нарисовать их ли­тературные портреты — для этого мне не хватило бы ни материала, ни мастерства. То, что я собираюсь расска­зывать в этой главе о людях науки,— это не более чем наброски, этюды или даже, скорее, эскизы отдельных портретных деталей, срисованных не с натуры, а по подсказкам памяти и с занесенных в блокнот бегло, в наметках, карандашом заметок. 

В связи с созданием теории испарения капель и в других местах мной уже упоминалась фамилия Б. В. Раушенбаха. В разносторонней творческой биогра­фии академика Бориса Викторовича Раушенбаха, спе­циалиста по процессам управления, обращение к теории испарения капель — это всего лишь один маленький эпи­зод. Но поведение капли заинтересовало его, конечно, да­леко не случайно, а в связи с теми проблемами гидроме­ханики, которыми он занимался на протяжение многих лет. 

Одна из важнейших задач при разработке различ­ного рода тепловых двигателей заключается в органи­зации процесса горения. Особенно сложной оказалась организация процесса горения в рабочей камере пря­моточного воздушно-реактивного двигателя — ПВРД. В скоростном потоке смеси топлива с воздухом в каме­рах опытных установок факел то разрастался, то уга­сал. Горение иногда сопровождалось дикой вибрацией камеры. Возникавший при этом вой изгонял исследова­телей и механиков, обслуживающих эксперимент, из ис­пытательных блоков. 

Капля (капельная фаза топлива) — один из наибо­лее влиятельных участников процесса горения в камере ПВРД. Здесь действует она в обстановке, радикально отличающейся от условий ее существования не только в двигателях с непосредственным впрыском (дизелях), но и в самом распространенном типе реактивного двига­теля — турбореактивном. Естественно, что в той или иной мере изучением поведения капли в потоке воздуха не мог не интересоваться каждый, кто занимался иссле­дованием горения в ПВРД. Не избежал этого и Борис Викторович Раушенбах. 

Среди его работ, связанных с горением в камере ПВРД, наиболее известна монография о так называе­мом вибрационном горении, том самом, которое было источником воя опытных установок. Заслуга Б. В. Рау­шенбаха заключается в том, что ему удалось заменить происходящие в ПВРД сложные явления сначала физи­ческой моделью, отметающей несущественные мелочи, а затем математической, с помощью которой можно было производить расчеты параметров процесса и кон­струкции. 

Модели вибрационного горения, разработанные Бо­- рисом Викторовичем, были изящны и просты настолько, что основанные на них расчеты оказались «по зубам» не вооруженным вычислительной техникой разработчи­кам. Как было это важно в ту пору, когда даже не по­дозревали о возможностях, которые откроют перед нами еще не рожденные тогда ЭВМ! Расчеты «по моде­лям» позволили установить связь условий возникнове­ния «дикого гула» с длиной камеры горения. 

Более всего меня заинтересовало математическое ис­следование процесса дробления капель в потоке, осуще­ствленное Борисом Викторовичем с помощью изящного тригонометрического уравнения с учетом всех деформа­ций сечения капли: из круга — в овал, из овала — в восьмерку и, наконец, в два круга сечения разделив­шихся капель. 

Наши рабочие столы стояли рядом. О работах Бо­риса Викторовича я узнавал из первых уст, в том числе и об исследовании скорости испарения капли в набегаю­щем потоке. От Бориса Викторовича услышал я впер­вые и о Сергее Павловиче Королеве. Тогда еще не о знаменитом конструкторе ракет, а о молодом инженере, возглавлявшем группу энтузиастов. 

— Однажды, еще до войны,— рассказывал Борис Викторович,— Сергей Павлович — тогдашний мой руководитель, которого мы заглазно называли «СП», пору­чил мне провести эксперимент по исследованию с по­мощью киносъемки поведения модели ракеты в аэро­динамической трубе... Труба принадлежала другой организации. К техническим трудностям прибавились организационные. Казалось, установленный срок начала опытов сорвется. Но... 

Сергей Павлович говорил в таких случаях: «Хочешь сделать дело — найдешь способ. Не хочешь сделать де­ло — найдешь причину». Борис Викторович сумел найти способ, устранив множество тормозящих дело причин. Что же заставило тогда его преодолеть, как он говорил, «предел собственных возможностей»? Сознание важ­ности цели? 

Он напомнил мне про давний случай, когда я не сумел организовать очередных исследований дробления капель в турбулентном потоке. Я был убежден в важ­ности эксперимента — мне это не помогло. А если бы мне поручил провести эксперимент Королев? Может быть, он мог отдавать часть своей воли людям, на время вселять в них свой характер, то есть был, как говорят теперь приверженцы околонаучных мифов, в определен­ной мере экстрасенсом? Тогда я спросил, не обладал ли Сергей Павлович даром гипнотизера? 

— Я скорей признал бы за ним талант полководца, не оставляющего ни у кого даже в душе права сомне­ваться в правильности и своевременности его указаний. Вот представьте... Идет техническое совещание. Пред­лагается несколько внешне равноценных проектов — какой выбрать, не ясно. Все неуверенно склоняются к наиболее солидному на первый взгляд — третьему. Бу­дем делать шестой, решает Королев. Через полгода его прозрение приводит нас к успеху. И так почти всегда. 

Был период, когда работы над созданием аппарата для мягкой посадки на Луну не могли быть должным образом развернуты из-за того, что конструкторы и уче­ные не знали точно, какой на Луне грунт. Одни счита­ли, что он твердый. Другие доказывали, что поверх­ность Луны представляет собой зыбкую лунную пыль. Научные споры повторялись от совещания к совещанию до тех пор, пока на одном из таких совещаний в спор ученых не вмешался С. П. Королев. 

— Постановим,— сказал Сергей Павлович категори­чески,— считать, что грунт на Луне твердый. 

— Но ведь это еще не доказано! — возразил один из ученых. 

— Спорить об этом можно годами,— ответил ему Сергей Павлович,— а наш проект к концу этого года должен быть завершен. 

— Но ведь это рискованно! — вступил в спор один из создателей аппарата для посадки на Луну. 

— А вы хотите работать без риска? Придется мне риск взять на себя. Прошу занести в протокол: «Грунт на Луне твердый». Я протокол подпишу. 

Борис Викторович Раушенбах вспоминал о том, как несколько суток подряд проходили без сна в поисках недоработок и неисправностей оборудования при под­готовке космических стартов. Вместе с другими все эти ночи не спал и С. П. Королев. И притом очень часто шутил: «Работать главным конструктором и приятно и вовсе не трудно: если у вас не получится — я вас на­кажу; если у вас получится — меня наградят». Эта шут­ка никому не казалась обидной: все знали, что и награ­ды, и наказания будут результатом объективной оценки промахов или заслуг. 

— Однажды,— рассказывал Б. В. Раушенбах,— когда обсуждались результаты одного из космических экспериментов, неожиданно приехали Королев и Кел­дыш. Королев вел Келдыша под руку и на чем-то горя­чо, напористо, как умел только он, настаивал. Я знал волевой, иногда озорной характер Королева. По про­мелькнувшей улыбке, быстрым колючим искоркам ка­рих глаз понял — он испытывает Келдыша «на проч­ность». Сдержанный, мягкий на вид Келдыш весь «по­добрался». Клинки характеров скрестились в долгом споре: агрессивному напору Королева Келдыш ответил корректной твердостью, находя каждый раз четкий ло­гический ход доказательства своей правоты. Спорили до вечера. Задетый за живое Келдыш распалился и не сдавал позиций. Я видел по лицу Королева: именно таким ему нравился собеседник... 

Борис Викторович всегда рассказывает живо и увле­ченно. Его не оставляет готовность к шутке и образно­му сравнению, хотя главное его оружие в дискуссии — строгая логика мышления и безупречные математические выкладки. При этом он неизменно остается доброжела­тельным даже к самым безосновательно неуступчивым оппонентам. 

Замечательная рациональность в решении научно- технических вопросов заставляла меня — математика по образованию — завидовать его инженерной хватке?. Я обращался к нему за советами по проведению самых разных экспериментов, просил найти ошибку в выводах формул и расчета... Он помогал всем, кто к нему об­ращался, пренебрегая ненужными формальностями и не демонстрируя своего превосходства. 

Талантливая молодежь оценила это — юные ученые и инженеры потянулись к Борису Викторовичу. Они и составили костяк коллектива, самоотверженно трудив­шегося с ним в годы запусков первых космических ра­кет и многие годы спустя. 

Коллектив соратников Бориса Викторовича на кос­мической ниве сложился потом, а пока я и Борис Вик­торович сидели за соседними столами. Тогда и нахлы­нула на нас новая волна утихнувшей в предвоенные годы игры: настольного тенниса, иначе пинг-понга. Я вспоминаю игру не потому, что она была особенной, и не потому, что захлестнула нас,— так могло быть с любой игрой. Важно для меня, что даже в технике этой игры искали мы ответы на вопросы, возникавшие в ходе нашей работы. 

За несколько лет до войны целлулоидный шарик мелькал в фойе кинотеатров, клубов, в московских дво­рах — играли стар и млад. Потом вдруг исчез... После войны шарик вернулся. 

...С ракетками в руках мы плясали около сдвинутых письменных столов в нашей тесной рабочей комнате. Играли в обеденный перерыв, оставались после ра­боты. Повторяли вслух литовские фамилии послевоенных мастеров и чемпионов: Душкисас, Варьяксис, Саунорис. 

Мы вступили в секцию настольного тенниса и для на­чала сделали ракетку по образцу тех, которыми играли «асы». Резиновые щеки самодельных наших ракеток поз­воляли закручивать шарик в полете. 

Мы внимательно присматривались к технике закру­чивающего удара. Шарик закручивался резким, каса­тельным к нему движением ракетки и летел белой мол­нией на противоположную половину стола. Тогда это называли драйвом—термин пришел из тенниса. Теперь прием усложнился, и его называют топ-спин. Современ­ные игроки придают шарику немыслимые направления полета и скорости вращения. Но чудеса демонстрирова­ли и в те времена. 

— Почему такая траектория у шарика? — спросил Б. В. (мы называли друг друга по инициалам). 

— Подъемная сила,— сказал я. 

— Да, отрицательная подъемная сила, направлен­ная вниз,— уточнил Б. В. 

Уже потом я узнал, что на явление подъемной силы при вращении впервые обратил внимание Рэлей, наблю­давший аномальный полет теннисного мяча. Он объяс­нил возникновение подъемной силы при обтекании вра­щающегося цилиндра или шара как эффект сложения циркуляционного движения воздуха с его набегающим потоком. Но исторический час еще не пробил, и Рэлей не усмотрел в странном полете мяча общего принципа возникновения подъемной силы в летательных аппара­тах тяжелее воздуха. Это выпало на долю выдающего­ся русского ученого Н. Е. Жуковского, который увидел механизм того же рода в возникновении подъемной си­лы, приложенной к крылу самолета (хотя само крыло не вращается), и доказал знаменитую теорему: сила, приложенная к профилю крыла и направленная вверх, перпендикулярно вектору скорости набегающего потока, равна произведению величин скорости, плотности воз­духа и циркуляции вокруг крыла. Циркуляция поро­ждает вихрь, срывающийся с задней кромки крыла. В зоне этой кромки смыкаются два потока — с верхней и нижней дуги крыла — и благодаря неравной длине дуг и неразрывности струй имеют разные скорости. По­верхность раздела потоков за кромкой крыла — лента (а точнее, некое тело), где потоки сходятся, извивают­ся, сворачиваются в спирали, отрывающиеся от крыла и превращающиеся в цепочку вихрей. Такая лента не­устойчива, подобно границе жидкости и воздушного по­тока, в которой возникают колебания, приводящие к распаду жидкости на капли. 

Полет пинг-понгового мячика-шарика, подъемная сила крыла самолета, устойчивость колебаний границы газа с жидкостью, где жидкость распадается на кап­ли,— все это выстраивалось в моем воображении в ряд связанных явлений. 

Чемпионами и даже мастерами маленькой ракетки мы не стали, но был в нашей жизни день, когда нам с Б. В. присвоили звание спортивных судей по пинг-пон­гу. Довольные, мы вышли из Дворца спорта «Крылья Советов». Но что-то нам мешало. Мое пальто стало почему-то слишком просторным, его пальто слегка жа­ло. Дальше мы вели себя, как сыгранная эстрадная пара: синхронно и озадаченно опустили руку в правый карман — все верно, там судейская карточка, потом — оба в левый, опять все на месте, две оторванные пуго­вицы, они лежат давно, пришить некогда. На минуту успокаиваемся: каждый нашел то, что ожидал. И вдруг, к удивлению прохожих, останавливаемся и начинаем самозабвенно смеяться. Мы обменялись пальто, они со­вершенно одинаковые, получены в одном месте по тало­нам, выданным на службе, только у него больше на размер, а в карманах — одно и то же.


 * *


Прошло немного времени, и Борис Викторович с группой молодых сотрудников ушел от нас. С. П. Коро­лев снова призвал под свои знамена давнего соратника по ракетным делам. На пороге стоял космический век. Старое слово «спутник» обрело новое значение. Роди­лась новая профессия — космонавт. Мы гордились, что к этому был столь близко причастен наш коллега! 

Изредка Б. В. приезжал в командировки к нам. Рас­сказы его были зачастую посвящены захватывающей всех теме. 

«Накануне старта Королев попросил меня и Феокти­стова в спокойной обстановке (уже все было подготов­лено) еще раз «проиграть» с Гагариным весь полет. Мы просидели втроем чуть более часа. Когда я свою часть разговора закончил, а Феоктистов был «в разговоре», мне абсолютно нечего было делать. Именно тогда, гля­дя на деловитого, спокойного Гагарина, я впервые с удивлением и, может быть, восторгом подумал: «Неуже­ли, черт возьми, он на самом деле полетит!» А до этого мы все так были заняты, так много было работы, что для эмоций времени не хватало... Думаю, что и сам Гагарин не пережил сильных потрясений ни при под­готовке, ни в самом полете, ни сразу после него. Ведь известно, что не Королев его, а он Королева успокаивал перед стартом». 

Затаив дыхание, слушали Б. В. и мы, прежние его со­служивцы, и начинающие свою творческую жизнь юные инженеры и техники. В рассказах Б. В. не было ничего из «острых» подробностей о чудачествах знаменитостей и о закулисных событиях. Чаще всего он обращал наше внимание на те черты знакомых ему и нам людей, ко­торые позволили им стать выдающимися. Б. В. объяснял на первый взгляд необъяснимые их поступки и выска­зывания, разрушая одну за другой легенды о стран­ности и упрямстве. Все, что он сообщал, было, как гово­рят теперь, высоко информативно и без поучений по­учительно. 

В один из своих приездов Б. В. обычной своей скороговоркой наделял нас новыми сведениями из области техники... Казалось, он успел изложить в отпущенное им самому себе время все, что хотел, и уже собирался покинуть нашу комнату, когда, обратившись ко мне, новым, незнакомым тоном произнес: 

— А они совсем не дураки.  

— Кто? — удивился я. 

Старые художники. Те мастера разных школ, что искажают иной раз реальные пропорции на своих картинах, а иногда вообще дают обратную перспективу. Вы об этом знаете. 

— Не знаю. Нас в школе учили, что трехмерный мир изображается на плоскости обычной перспективой. 

— А вы думаете, что эта перспектива — истина в высшей инстанции? Для художника мир раздваивается, словно ваши капли,— сказал он смеясь.— Только разни­ца, что части мира вовсе не похожи друг на друга, как две капли воды, а мастер должен решить, какую изоб­ражать. 

Он стал толковать о реальном и перцептивном — чувствуемом нами — пространстве и предложил мне из­мерить на глаз ширину асфальтовой дорожки во дворе института, на которой мы стояли. Результат получался какой-то странный, хотя мой глазомер казался мне не­плохим. Явно нарушались пропорции привычной систе­мы перспективы. Б. В. загадочно молчал.


                                                                                           * * *


...Московский музей изобразительных искусств име­ни А. С. Пушкина. На втором этаже, за мраморными колоннами, залы отведены школам живописи, в начале нашего века новаторским: импрессионизм, постимпрес­сионизм. Теперь их лучшие представители стали классиками: Мане, Сезанн, Ван Гог. 

Внизу, в конференц-зале музея, идет научно-художе­ственный семинар, докладчик как раз толкует о полот­нах, что у него над головой, в залах музея. 

Скрипнула дверь, рядом со мной села девушка. Слы­шу учащенное дыхание опоздавшей и обращенный ко мне полушепот: 

— Кто докладчик?  

— Раушенбах. 

— Искусствовед? 

— Нет. 

Сказать, кто докладчик,— не поверит. Искусствове­дам и художникам докладывает о построениях на кар­тинах Сезанна соратник С. П. Королева, в те годы член- корреспондент АН СССР отнюдь не по гуманитарному отделению. 

Б. В. заканчивает цикл лекций. 

Прислушиваюсь к репликам, разговору соседей, узнаю об эволюции их настроений от первой к последней лекции. Недоверие. Скепсис. Удивление. Понима­ние. Острый интерес. 

Докладчик, крупнолобый, легкий в движениях, водит указкой по плакатам. 

Мне хочется представить его в процессе рассказа, захватившего зал. Но наверно, самое трудное в литера­туре, как и в живописи,— искусство создать портрет человека в действии. Попробуй нарисовать его в не­скольких фразах, хотя ты проработал с ним десяток лет. А сколько раз напряженно следил — не прозевать бы! — за его коронным правым ударом с той стороны пинг- понгового стола... Стараюсь вспомнить знакомые черты и движения, но возникает не лицо Б. В., а лицо Свято­слава Рихтера — тот же высокий свод черепа, та же крупная лепка мужественного лица, и быстрота движе­ний, и легкость порыва. 

Портретное сходство ученого и пианиста не «бук­вально», но оба они из мастерской одного скульптора. Лицо Бориса Викторовича чуть более земное — я встре­чал такие у эстонских крестьян. И это не случайность, в нем течет эстонская кровь. Ему ведома музыка высо­ких сфер, но для него звезды еще и ориентиры траекто­рий космических ракет. Он один из создателей новой науки — управления космическими аппаратами, и по традиции Борис Викторович открывает Королевские чтения в Москве, принимает делегации иностранных ученых, космонавтов. 

На примере Б. В. я вновь убедился, что многообра­зие интересов не заказано и современным ученым. Пусть не всем дано следовать в этом за великим Леонардо, но я уверен: такое не кануло в Лету... 

О том, что классическая система перспективы не единственный способ представить трехмерный мир на двухмерной плоскости картины, знают давно. Почему наряду с прямой существуют на картинах и параллель­ная и обратная перспективы, обсуждали много раз. По­чему так, а не иначе представляли мир разные мастера разных эпох? 

Вспоминаю, как пытался ответить на этот вопрос опытный искусствовед-экскурсовод в том самом музее, где докладывал итоги своих исследований Б. В. 


«Египетский художник старался передать не реаль­ный, объективный мир, а зрительный или, точнее, чув­ствуемый (перцептивный) образ этого мира. Ему разрешалось представлять элементы этого мира наиболее удобно и наглядно, а иногда изображать известными зрителям условными знаками. Посмотрите теперь на полотна средневековых художников, где рядом с зем­ным, реальным миром видим мы кусок мистического пространства, «того света», населенного божеством и ангелами. Земные персонажи картины на них не смот­рят, они их просто не видят. Византийские и древнерус­ские художники тоже соединяли земной и небесный мир». 

Вероятно, примерно так объяснял экскурсовод от­ступление старых художников от изображения перцеп­тивного пространства, когда выдалось у Б. В. редкое окно между вседневными обязательными занятиями и он зашел в музей, чтобы отдохнуть и отвлечься. 

Аргументация квалифицированного экскурсовода не вполне его убедила. «Большая выразительность» не могла быть единственной причиной отступления от истины, утвержденной, казалось, в последней инстан­ции. Начались размышления, попытки искать общую причину; ощущалась неясность исходных понятий, необ­ходимость навести порядок. 

При широком диапазоне интересов и гигантском объеме поглощаемой информации Борис Викторович всегда умеет очень четко находить и ставить задачу. Он сразу вычленил из огромной проблемы восприятия живописи частную, но совершенно новую и нелегкую задачу, свя­занную с геометрией и сулившую возможность матема­тического подхода. Возможно, этот случай был подбо­ром не ключа к замку, а замка к ключу, подбором за­дачи для реализации метода, нужного для того, чтобы возникла «пусковая ситуация». Не умей Б. В. быстро перестраиваться, он, наверное, прошел бы мимо не­скольких не очень обоснованных замечаний экскурсово­да. Но молниеносно сработал сканирующий луч, вы­хватил темную тропинку на перепутье исхоженных до­рог, а хорошо развитая интуиция сказала — иди! И он пошел, преодолев привычное, но ложное чувство ясности и задав себе вопрос: что представляет тот образ в со­знании художника, который переносит он на холст, картон, бумагу? 

Я не вижу возможности изложить здесь содержание исследований Бориса Викторовича и его выводы. Я пы­тался лишь рассказать немного о нем самом — ученом, инженере, моем коллеге и товарище. Тем, кто заинтере­суется проблемой изображения мира на плоскости хол­ста, рекомендую обратиться к его монографиям.


 * *


Творческий путь Б. В. Раушенбаха — это яркий, но далеко не единственный пример диалектики научного мышления, часто уводящего ученого далеко в сторону от первоначально намеченных целей, но отнюдь при этом не нарушающего некий внутренний закон, опреде­ляющий сложный путь развития личности. 

Помню те далекие годы, когда на первой доске пе­риодически проводившихся у нас в институте шахмат­ных турниров выступал будущий гроссмейстер Юрий Львович Авербах. В то время Юрий Львович строил далеко идущие планы в области нашей науки, дела с его будущей диссертацией были, что называется, «на мази». 

Но жизнь диктует свои условия: настал момент, когда научная деятельность Ю. Л. Авербаха вступила в противоречие с перспективой его спортивного роста. Предстоял Стокгольмский турнир, решающая встреча с гроссмейстером Штальбергом. Победа в предстоящем турнире сулила Ю. Л. Авербаху титул гроссмейстера, но требовала напряжения всех его творческих сил. 

Когда Юрий Львович захотел узнать мое мнение от­носительно возможностей «измены» задуманной им дис­сертации, я привел ему чисто арифметический довод! кандидатов наук существует не одна тысяча, а грос­смейстеров шахмат — менее ста. Не берусь судить, в какой степени этот довод повлиял на сделанный им вы­бор. Для меня важнее другое: став известным гроссмей­стером, Ю. Л. Авербах науке все же не изменил. Он на­шел в ней иную грань, позволившую соединить склон­ность к исследованиям и увлечение шахматами. Юрий Львович работает над книгой по истории шахмат. В ка­честве первоисточников ему приходится использовать древние рукописи на санскрите (Индия) и на фарси (Иран). Связав историю шахмат с процессом становле­ния научного мировоззрения, Ю. Л. Авербах пришел к выводу, что шахматы стимулировали критический пере­смотр господствовавших с древних времен фаталистиче­ских концепций, провозглашавших предрешенность всех происходящих в мире событий. Именно шахматная игра наглядно иллюстрировала возможности изменений их хода, обусловленные либо свободой воли, либо вмеша­тельством «его величества случая», вносящего в ход со­бытий неожиданный поворот. Отказ от фатализма был необходим для последующего развития научных теорий, основанных на анализе причинно-следственных связей явлений с учетом их вероятностных свойств. 

Подобно тому как Б. В. Раушенбах сумел найти ма­тематический подход к изучению произведений искус­ства, Ю. Л. Авербах совместил историю науки с исто­рией шахмат, обнаружив новое интересное поле для науковедческих исследований.


Абсолютный слух


Царившая в стенах нашего института раскованная твор­ческая атмосфера создавалась во многом благодаря юмору, поэзии, игре и помогала решать новые и важ­ные научно-технические задачи. 

Мой друг и коллега Гриша Г. никак не мог получить разрешение на уход в аспирантуру МАИ, в те годы его просто не отпускали с работы. Что он только не при­думывал! Однажды начальник поручил ему проверить свою теорию на опыте. Заходит он через пару дней в комнату — Гриша сидит и аккуратно маленьким цирку­лем кладет точки на теоретическую кривую. 

— Вы так быстро провели эксперимент? — спраши­вает удивленный начальник. 

— Зачем? — отвечает Гриша.— Я просто верю в ва­шу теорию. 

Тогда его отругали, но еще все-таки не отпустили. Это произошло позже, когда он написал научный отчет в стихах. Боюсь, что это научно-поэтическое творение будет утрачено для будущих поколений, помню только рифму «начальник — паяльник».  

После окончания аспирантуры Гриша вернулся об­ратно в институт и защитил диссертацию. Да, в нашем институте работали люди с нетривиальным мышлением. Будучи еще студентом МАИ, который некоторые остря­ки именовали «вокально-театрально-спортивным инсти­тутом с легким авиационным уклоном», тот же Гриша как-то не подготовился по сопромату и попросил у пре­подавателя разрешения уйти с семинара. 

— У вас есть уважительная причина? . 

— Да, я должен присутствовать...ну в одном месте, где будет решаться вопрос о моем авиатурне по Европе. 

— Хорошо, идите, но принесете оправдательный до­кумент. 

На другой день они встретились в коридоре. 

— Ну как ваш вопрос? 

— Решился отрицательно... 

— Сожалею. А оправдательная справка? 

Гриша предъявил билет лотереи Осовиахима: он вче­ра присутствовал в Колонном зале на очередном тира­же, и первый выигрыш действительно предусматривал полет на самолетах по Европе. Гришу спасло лишь чув­ство юмора преподавателя и высокие отметки. 

Склонность к шутке не помешала Грише стать впо­следствии вполне серьезным научным работником. 

После периодов напряженной работы наступает обычно разрядка. Не помню, кто именно из современни­ков Пушкина вспоминал, как, закончив «Бориса Году­нова», Александр Сергеевич бегал вприпрыжку по ком­нате, радостно восклицая: «Ай да Пушкин! Ай да сукин сын!» 

У нас в коллективе «искусство разрядки» достигало высокого уровня. Менялись лишь формы. Одно время общепризнанной формой была игра в составление слов. Кто-нибудь предлагал вниманию остальных любое длин­ное слово. Побеждал тот, кто из букв этого слова мог составить наибольшее число различных слов. Чемпио­ном безоговорочно признавался Владимир Иванович Скобелкин (тогда кандидат, а ныне доктор технических наук) — человек одаренный не только в науке, но и в далеких от нее областях. 

Не миновала нас и лихая бурсацкая забава: чем-то «не угодившего» человека хватают четыре дюжих мо­лодца, вмиг переворачивают и ставят на голову — в со­стояние совершенно беспомощное. Спасибо, хоть дер­жат и не дают упасть... 

Кому-то, возможно, подобные шутки покажутся странными и неуместными: «Солидные люди, ученые, а ведут себя, как школяры...» Однако, будучи учеными, «солидными людьми» мы тогда еще не были. Нашему руководителю, еще не профессору, Абрамовичу было около тридцати, а мы и того моложе. А главное, жили мы напряженно, много работали, недоедали, недосыпа­ли — почти все так жили в то трудное военное время,— и «студенческий дух» помогал нам и переносить тяготы и отдыхать. Молодость есть молодость несмотря ни на что — отсюда то шалости, то стихи... 

Появился у нас новый сотрудник — стройный, с пра­вильными чертами лица, с кружочком ранней «тонзу­ры», попросту с естественно полысевшей, а не выбритой Макушкой и такой же ранней сединой. Мы увидели в нем чеканное лицо библейского персонажа Иосифа Фла­вия в описании Л. Фейхтвангера. То ли нам показалось, что он глянул надменно, едва поздоровался, то ли так оно и было — новички ведь нередко бывают либо излишне робки, либо, напротив, высокомерны, но это не более чем защитная маска,— словом, созданный нашим во­ображением Иосиф Флавий многим из нас «не глянул­ся». Дня через два он подвергся сначала «боевому кре­щению»— те же четыре дюжих молодца поставили его все-таки на голову... А потом Клячко сочинил задири­стую эпиграмму:


И он вошел — Иосиф Флавий,


Немного лыс, немного сед.


Тернистая дорога к славе


Уже оставила свой след.


................. ..............................


И он ушел — Иосиф Флавий,


Но только головою вниз.


Тернистая дорога к славе,


Судьбы извилистой каприз!


Кажется, именно с этой эпиграммы началось едва ли не повальное увлечение поэзией. На рабочих столах появились томики Маяковского, Пастернака, а кое у кого и Есенина. В меру сил и сами начали упражняться в стихосложении, сначала пародии и эпиграммы друг на друга, а затем и посвящения каким-либо событиям и датам. Постепенно добрались даже до лирики. 

Мне Скобелкин посвятил лирико-иронические стихи о нереализованной идее улавливания капель в паутину. Остались в памяти лишь эти строки:


...Он знал, что в жизненной путине


У каждого свои пути,


Но знал ли он, что в паутине


Ему решение найти?


А вот отрывок из эпиграммы Клячко на Скобелкина:


С высот принципа Гамильтона,


Забыв порой наук азы, 


Он утверждает беспардонно,


Что мир — суть капля и пузырь.


Но без любви на свете серо...


И вскоре убедился он,


Что, кроме Гамильтона — сэра,


Нужна и леди Гамильтон.


Последние две строчки требуют, вероятно, «истори­ческого комментария». Дело в том, что именно тогда, когда Клячко писал свою эпиграмму, на советских экра­нах шла английская кинокартина «Леди Гамильтон». Вот Клячко и «обыграл» две фамилии — героини филь­ма и выдающегося ирландского математика Уильма Роуана Гамильтона (1805—1865), труды которого сыгра­ли первостепенную роль в развитии гидромеханики и гидродинамики. 

Увлечение поэзией длилось довольно долго, но и эта волна схлынула. На смену поэзии пришли шахматы, на блиц-турниры с часами уходил весь обеденный перерыв. Только меня поэтическая волна несла все дальше и дальше. Еще со школьных лет обнаружилась «стихо- устойчивость»: я мог неутомимо, днями читать и буб­нить стихи, «хорошие и разные» Но всегда оставался Блок. Блок и стал ключом к пониманию других поэтов. Я начал вчитываться в Пастернака, как в научную ра­боту, мне было недостаточно, что он нравится, притяги­вает,— хотелось понять, почему, в чем суть его магии... Никак не думал, что доведется мне нежданно-негадан­но на какой-то миг соприкоснуться с Борисом Леонидо­вичем. 

В молодости привелось мне постучаться в литера­турную дверь, она слегка приоткрылась, но потом жизнь отнесла меня в другую сторону. Однако мысль снова и понастойчивей толкнуться в эту дверь изредка возвращалась, правда, чем далее, тем реже. Довольно напряженная работа оставляла не слишком много вре­мени для размышления о моем призвании, я еще по давней привычке иногда кое-что набрасывал, заполнял записные книжки, отцеживая в них планктон повседнев­ных наблюдений. Я считал все это некой хронической затянувшейся болезнью и придумал в утешение следую­щий тезис: «Если я до сих пор не изменил свой жизнен­ный путь и еще не в литературе, значит, и не надо, про­сто нет достаточных способностей. Если бы способно­сти —- сами пробились бы наружу»,— И вдруг неожиданно для меня самого перечитанные и заново пережитые стихотворения Б. Пастернака побу­дили меня обратиться к Борису Леонидовичу с письмом. Я написал кое-что о себе, о своих раздумьях и сомне­ниях, об исканиях другого профессионального пути. Мало того, я, подобно чеховскому гимназисту, возвра­тившему учителю звездную карту со своими поправка­ми, позволил себе еще и покритиковать его стихи. 

Прошло некоторое время. Я рассудил по здравому размышлению, что ответа на столь странное и, возмож­но, неуместное послание ожидать не следует. Слегка сконфузясь и поругав себя за легкомыслие, я забыл о своем поступке. Спустя год я получил ответ. Это было поразительно: Пастернак переживал тогда нелегкие го­ды, а ожидал, вероятно, еще более трудных... 

Его письмо оказалось удивительно откровенным, по­ражало бережным отношением к незнакомому человеку, душевной зоркостью и проницательностью (оно было очень личным для нас обоих, и я не могу привести его полностью...).


15 дек. 1953 г.


Глубокоуважаемый тов. Волынский!


Вы, наверно, уже забыли о своем письме, написан­ном около года тому назад. Я тогда же решил обяза­тельно ответить Вам. Но я был очень занят. Последнее десятилетие я пишу для себя, себе в убыток, не для пе­чати — и, значит, вдвойне дорожу временем, чтобы уко­ротить свой отход от заработка и оправдать потерю времени действительно сделанным делом. 

Это попутно ответ на один из Ваших вопросов: «сто­ит ли Вам толкаться в литературную дверь». 

Ваше письмо написано очень живо, Вы умеете мыс­лить связно и интересно... все это — благо, счастливый дар, который все равно участвует в движении и ходе Вашей судьбы и жизни независимо от того, пересматри­ваете ли Вы свой выбор призвания или не пересматриваете. Вы инженер, ученый, у Вас есть знания, пользуй­тесь же ими и радуйтесь им. 

Наше время наложило ложный налет профессиона­лизма на многое, что совсем не обладает такой обязательной определенностью. Ваш случай, который Вы, хотя и шутливо, представляете примером хронической болезни, есть случай настоящего умственного и душев­ного здоровья, которого пожелаю Вам и в дальнейшем. 

Мне нельзя затягивать ответа Вам, потому что и сейчас у меня нет времени. 

Только еще одно замечание. Вы говорите обо мне: «Вот Вы неповторимым поворотом, ярким неожиданным образом взволновали читателя, обострили слух и зре­ние, он узнает мир заново, он стал богаче, и это достав­ляет чувство радости. С этим чувством он идет за Вами и ждет — вот его обостренному чувству откроется что-то главное, что-то значительное, но иногда этого не проис­ходит». Совершенно правильное наблюдение. Это один из моих ранних недостатков, которые вызывают во мне двойственное отношение к моим прежним книгам, отче­го я и отказался в этом году от переиздания избранного моего однотомника, поставленного в планы Гослитизда­та на 1955 год. Серьезность Вашего письма очень по­нравилась мне. От души желаю Вам удачи в любом из Ваших начинаний.


Всего лучшего.


Ваш Пастернак.




Я долго жил под впечатлением письма. Перечитывал его. Письмо было написано простым школьным пером «№ 86» (в те годы употреблялось такое, а самопишу­щих ручек Пастернак не признавал). Запомнился по­черк «летящих журавлей». Нет, Борис Леонидович мне не советовал менять профессию, и не только из-за моих личных качеств. Его письмо пробило скорлупу моей ограниченности и заставило серьезней поразмыслить о вещах более важных и сложных, чем проблема лично­го выбора... 

На этом, собственно, можно было бы и закончить краткую историю моего несостоявшегося личного зна­комства с Борисом Леонидовичем Пастернаком, если бы с давних лет в моей памяти не сохранился один, еще более ранний эпизод. 

Вскоре после окончания Великой Отечественной вой­ны мне вместе с группой наших сотрудников довелось присутствовать в Московском Доме ученых на поэтиче­ском вечере Пастернака. 


По установившейся традиции после чтения стихов и ответов на вопросы, заданные в письменном виде, мы со всех сторон обступили поэта, чтобы продолжить взволновавший всех нас разговор. 

— Как вы считаете,— спросили Пастернака,— кто из поэтов сумел лучше всех рассказать о прошедшей войне? 

Ответ последовал сразу: 

— Твардовский. В поэме «Василий Теркин». 

А после минутного размышления Борис Леонидович добавил: 

— Твардовскому удалось это сделать потому, что ему дарован абсолютный поэтический слух. Поэт, ли­шенный такого слуха, подменяет живую народную речь диалектизмами. Собирает по крохам, записывает, а в результате вместо живой речи — фальшивая смесь из псевдолитературных и псевдонародных выражений и слов. У Твардовского совершенно иначе. Ни одного фальшивого звука. Поэма «Василий Теркин» — это не только произведение. Это сама жизнь.


Наша память, к сожалению, несовершенна. Не руча­юсь, что мне удалось воспроизвести этот ответ Пастер­нака дословно, но я постарался донести его смысл. Мысль о том, что абсолютным слухом могут обладать не одни лишь выдающиеся музыканты, показалась мне чрезвычайно глубокой. Может быть, именно эта мысль породила во мне доверие к Пастернаку и спустя не­сколько лет побудила меня обратиться к нему с письмом. 

Опыт подсказывал мне, что абсолютным слухом дол­жен быть наделен и настоящий ученый. 

Однажды я докладывал о результатах своих опытов ученому, под руководством которого проработал многие годы. 

— Повторите, пожалуйста, как происходил опыт и как вы вычисляли средний диаметр капель. 

Я повторил. 

— Спасибо, теперь мне все ясно. В первый раз вы упустили важную подробность (он изложил ее), и ваши выводы непонятны. Вот эти результаты измерений сом­нительны потому, что... 

Я повторил опыт с учетом того, что он сказал. Ре­зультаты измерений стали другими. Способность моего научного руководителя увидеть ошибку в результатах эксперимента была сродни абсолютному слуху музыкан­та, позволяющему обнаружить в исполнении музыкаль­ного произведения малейшую фальшь.


Истина прежде всего


В институте произошло важное событие: директором на­значили академика Мстислава Всеволодовича Келды­ша. Он стал знакомиться с научными направлениями и работниками. Мне предстояло сделать ему доклад. 

Келдыш пришел к нам из ЦАГИ, овеянный славой одного из самых молодых (профессор в 27 лет!) и та­лантливых ученых. Он уже был лауреатом Государ­ственных премий, одна из них была присуждена за ре­шение задачи флаттера, которую в свое время поставил перед ним крупнейший аэродинамик С. А. Чаплыгин. 

По мере того как возрастали скорости самолетов, проблема флаттера становилась все острей и острей. Самолеты разрушались в воздухе от внезапно возникав­шей вибрации крыльев, и многим летчикам стоило жиз­ни это загадочное тогда явление. Проблеме флаттера посвящались специальные научные форумы. Рассказы­вали, будто на приглашение принять участие в одном из таких форумов знаменитый математик и корабле­строитель А. И. Крылов ответил: «Приехать не могу, что такое флаттер, не знаю». После опубликования тео­ретических исследований М. В. Келдыша можно было сказать, и «что такое флаттер», и «как с ним бороться», и даже «как его можно победить». 

О силе и быстроте мысли профессора Келдыша складывались легенды. Как-то в МГУ шел научный семинар по теории крыла и винта самолета. Его вел видный аэродинамик, профессор В. В. Голубев, он изла­гал сложное доказательство известной теоремы о пара­боле метацентров профиля крыла: геометрическое место точек приложения равнодействующей аэродинамических сил на профиле при различных углах атаки (наклонах крыла) представляет собой параболу. На задней парте сидел молодой аспирант Келдыш. С плотно исписанной доски записи стирались уже несколько раз, в аудито­рии все взмокли, следя за ходом мысли профессора. В конце он сказал, что эта замечательная теорема, по всей видимости, имеет общий характер, но пока ее с трудом доказали для двух профилей. Для самолетов, имеющих несколько крыльев (полипланов), скорее все­го, тоже будет парабола, но вопрос очень сложен, ре­шить его теоретически никому еще не удалось. 

В конце семинара Келдыш скромно попросил слова. Он вышел к доске и тихим голосом, в нескольких лако­ничных фразах и формулах дал простое и остроумное доказательство общей теоремы. 

Теорема Келдыша! Казалось, так недавно я изучал ее в университете. Живой классик! Мы ходили с ним по одним коридорам довоенного МГУ, но для меня, сту­дента, он был персонажем иного, хрестоматийного мира. 

...Войдя в просторный кабинет директора, я на секун­ду приостановился и глубоко вдохнул, словно мне пред­стояло проплыть под водой приличное расстояние от две­ри до его стола. Молодо выглядевший М. В. Келдыш с глянцевито черным крылом волос, слегка пробитых трассами первого серебра, с угольно-карими глазами был красив, что подтверждалось авторитетным коллектив­ным мнением женской половины нашего института. 

Он начал разговор тихим, даже, казалось, слабым го­лосом, с застенчивыми бархатными интонациями, но по­чему-то возникало ощущение скрытой силы, внутреннего мощного потенциала. 

— Расскажите, пожалуйста, чем вы занимаетесь, и о последних результатах. 

— Каким временем я могу располагать? 

Я слышал, что Келдыш умеет ценить время: еще мо­лодым цаговцем он не отрывался от работы в обеден­ный перерыв, пока сосед занимал ему очередь в сто­ловую. 

— Я вас не ограничиваю... 

Слушал он очень внимательно. В слегка сдвинутых линиях лба и бровей, наклоне головы в сторону собесед­ника сквозила пристальная нацеленность мысли. Я сра­зу попал под гипнотическое воздействие его личности, волновался, не зная, на каком уровне вести разговор: ведь моя тема по распыливанию была ему совершенно не знакома. Я даже забыл о приготовленной стопке гра­фиков и фотографий, положенных на его стол. Но вско­ре понял по нескольким кратким вопросам, что он все быстро «усекает», а кое-где даже смотрит «на ход вперед». 

Мстислав Всеволодович интересовался и технически­ми приложениями результатов, и методикой эксперимента, но преимущественно самим явлением, его сутью и закономерностями. Это был подход ученого, хотя в нем счастливо сочетались качества теоретика и инжене­ра. Келдыш — математик по складу ума, но никак не кабинетный ученый — переживал тогда ответственный переломный момент: ему предстояло стать ученым-организатором, руководить большим коллективом сложных, беспокойных людей, стремительно развивающимся на­правлением современной техники. Моя «капельная» тема для него была лишь «каплей в море». Но в конце насыщенного полуторачасового рассказа он продолжал слушать так же внимательно. Когда я закончил, Мсти­слав Всеволодович предложил мне подготовить краткую статью в «Доклады Академии наук». Сердце у меня екнуло. Представление академика давало автору «зеле­ную улицу» к быстрой публикации статьи в ДАН, где помещаются сжато изложенные, научно значимые ре­зультаты. Это означало одобрение моего научного на­правления. Ободренный, я положил на стол заранее приготовленную бумагу. Мне требовалась фотопристав­ка для микросъемок, отдел снабжения обещал достать в плановом порядке лишь через год, я же договорился с мастером-оптиком, он брался изготовить за месяц. 

— Почему вы обратились с этим ко мне? 

— Больше не к кому... 

Дело в том, что еще до прихода к нам М. В. Келдыша в бухгалтерии раскрыли мошенничество — подделку ведомостей, фиктивные договора. Аферу раскрыл сам главный бухгалтер. Был громкий показательный про­цесс. Но после таких историй, как нередко бывает, об­жегшись на молоке, дуют и на воду. Запретили заклю­чение договоров со «сторонними» вообще. 

— Вам действительно это нужно? 

— Да, Мстислав Всеволодович. 

Келдыш поморщился, но документ подписал. След­ствие по делу бухгалтерии еще продолжалось, главбух исполнял служебные обязанности, поэтому вполне есте­ственно, что при виде многократно отвергнутого им и теперь вновь принесенного мной документа его чуть не хватил удар. 

— Вы опять с вашими каплями?! 

— Капля и камень точит. 

— «Левый» договор! В такое время! Под монастырь хотите меня подвести?!  

По неопытности и эгоизму я не понимал его душев­ного состояния и добился-таки заключения договора. Я помчался на квартиру моего мастера. Фронтовик, раненный, побывавший в немецком плену, он жил, как все тогда, голодновато и очень нуждался в моем зака­зе. Чисто прибранная комната в захламленной, неопрят­ной коммуналке. На стенах довоенные фотографии кра­сивой женщины, от них веяло утраченным счастьем. А теперь в этой комнате жили он и... попугай. 

— Молока хочу! — бодро выкрикнул попугай мне навстречу. 

— Будет теперь тебе, Попочка, молоко,— ласково подошел к жердочке хозяин. Он показал мне палец, пробитый вчера до кости железным клювом оголодав­шего попугая.


Келдыш проявлял неистощимое упорство и принципи­альность в доскональном выяснении научной истины. Вспоминается любопытное событие. Шел 1948 год, и знакомый читателю В. И. Скобелкин напечатал объ­емистую работу, где в присущем ему своеобразном сти­ле критиковал признанные результаты Я. Б. Зельдови­ча, талантливого и уже тогда известного ученого. Теперь он академик, один из крупнейших деятелей науки — физикохимик и астрофизик. В работе Скобелкина круп­ным шрифтом было набрано: «Ошибка Зельдовича №1... № 2» и т. д. и резкая критика, но в строго матема­тическом и холодно-академическом стиле. 

Мстислав Всеволодович вызвал к себе Скобелкина и потребовал публичного выяснения истины. Последовал беспрецедентный научный поединок: на одной стороне «барьера» наш сотрудник Скобелкин, на другой — Зель­дович, сотрудник Института химической физики Акаде­мии наук. Целый месяц шли восемь раундов дискус­сии — восемь открытых заседаний научного семинара. «Судьей на ринге» был Мстислав Всеволодович. При­сутствовали многие видные ученые. Среди «болельщи­ков», конечно, были все молодые работники обоих ин­ститутов. 

Казалось, «бой» начинался в очень неравных «весо­вых категориях», не в пользу нашего Скобелкина. Оспа­риваемые результаты Зельдовича по теории нормального распространения пламени считались апробированны­ми, и сам он имел высокую научную репутацию. Ско­белкин был тогда только входящим в науку, подавав­шим надежды и сравнительно мало известным ученым. Но он противопоставлял строгое решение приближен­ному. 

И Зельдович, и Скобелкин, вступая в дискуссию, ис­ходили из одного и того же — выяснить истину. Но запальчивости и резкости хватало. Помню одно из пер­вых заседаний семинара. Слегка волнующийся Зельдо­вич рассказывает физически ясные и четкие, но прибли­женные результаты своих известных работ. Потом вы­ходит Скобелкин и начинает докладывать свою строго математическую и трудно понимаемую теорию. В не­линейных уравнениях, собственных значениях и опера­торах потонул всякий физический смысл обсуждаемого явления. Доклад излагался в «пижонском стиле», не так уж редком в научной среде. О том, на что автор потра­тил многие недели труда и рулоны бумаги, небрежно говорилось: «как нетрудно увидеть» или «с очевид­ностью следует». Постепенно заводясь и входя в раж, Скобелкин провел концовку в духе «три коротких пря­мых слева» — результаты Зельдовича необоснованны, грубо приближенны, а порою и просто неверны. Поднял­ся всеобщий шум, полетели реплики и возражения. 

Келдыш осадил докладчика и начал методично за­давать вопросы. Но Скобелкин вместо прямых ответов стал писать на доске такие сложные формулы и произ­носить столь длинные и заумные фразы, что у всех заболела голова. У всех, но не у Келдыша, который про­должал неумолимо сужать вилку своих вопросов, с лег­костью пробираясь через математические чащи. К об­щему нашему удивлению, он успевал не только вникать в тонкости излагаемой теории, но и моментально нахо­дить ее слабые звенья. После вопросов Келдыша Ско­белкин сбавил тон, а главное, стал лучше понимать физический смысл своей собственной работы. Периоди­чески выступали оба спорящих, но дискуссия уже при­няла характер «ближнего силового боя». 

В Институте прикладной математики состоялось за­ключительное заседание этого беспрецедентного состя­зания. Оба противника под испытующим взглядом Кел­дыша примирительно заявили, что их результаты в общем-то близки физически и лишь имеют разную мате­матическую форму. 

Помню, Зельдович, обращаясь к президиуму, где председательствовал Келдыш, с облегчением произнес: 

— Ну я могу, наконец, считать себя оправданным высшим судом математиков. 

Скобелкин написал новую, более корректную рабо­ту, а весь тираж старой, по его словам, был «сожжен во дворе Академии наук под барабанный бой». 

Через несколько лет после первого знакомства с М. В. Келдышем я снова докладывал в том же кабине­те о результатах второго этапа завершенных работ. Мстислав Всеволодович попросил рассказать о приклад­ном значении полученных мной результатов, и мне при­помнился старый спор между прикладной и академиче­ской науками, для отраслевого института спор вечно неразрешимый, идущий и по сей день. Каждый раз жизнь решает его по-своему. Иногда обоснованно и за­конно побеждают прагматики: не будем ждать, обой­демся пока приближенным расчетом, грубой прикидкой. В других же случаях... Увы, как иной раз не хватает научного руководителя с масштабом и независимостью Мстислава Всеволодовича. Тогда за беготней, за вихрем неотложных командировок, за бесконечными вахтами на полигонах теряется дальняя перспектива. Некогда сесть за стол и подумать, обобщить ценнейший материал. Возникает опасность отставания научного работника. Случается, что его начинает обгонять заводской инже­нер, что само по себе, конечно, неплохо. И все же старые сотрудники с грустью вспоминают «век» науч­ных семинаров, докладов времен М. В. Келдыша, Л. И. Седова, Г. И. Петрова, Г. Н. Абрамовича, А. А. Гухмана. Когда практика хорошо сочеталась с перспективным поиском, когда можно было оторваться от текучки, посидеть, поразмыслить... Какой богатый научный задел получили тогда многие вперед на долгие годы... Но бег времени неумолим. 

Мстислав Всеволодович выглядел несколько уста­лым, это уже не был Келдыш «образца 1946 года», каким я его увидел при первой встрече. Он очень много курил и, идя по коридору, слегка прихрамывал. 

Росли темпы и требования, возрастала его нагрузка. Жизнь науки и жизнь вообще бежали чем дальше, тем быстрее, как разбегающиеся галактики во Вселенной. Стало трудно, почти невозможно урывать время для своих личных научных интересов. А ведь были у Мсти­слава Всеволодовича неразработанные идеи не только в прикладной, но и в «чистой» математике. В МФТИ теперь он только числился, росла стопка невостребо­ванных купюр его зарплаты, несмотря на неоднократ­ные напоминания, он не считал возможным ее получать. А теперь еще Келдыш организовал знаменитое ОПМ (отделение прикладной математики АН СССР). Там на ЭВМ велись расчеты огромного объема и уже не просто астрономической, а космической точности. Ее требовал выбор оптимальных траекторий ракеты. Ошибка в ни­чтожные доли процента могла обернуться тоннами стар­тового веса топлива, для которого не было уже места в баках. Поразительно вовремя подоспел переворот в вычислительной технике, без которой мощные ракеты не достигали бы расчетных орбит. Математика, как всегда, уложила свой краеугольный камень в фунда­мент новой нарождающейся техники. 

И опять я услышал этот тихий голос с раздумчивы­ми медленными интонациями. Это не был хорошо по­ставленный, специально приглушенный голос некоторых начальников, знающих, что их все равно обязаны рас­слышать. Его тихая речь выражала лишь спокойную сдержанность мощного интеллекта. 

Однажды я вдруг попробовал заговорить «под Кел­дыша», получилось «один к одному», в комнате раз­дался дружный смех. Во мне зашевелился актер, и в новогоднем выпуске радиосатирического «Бегемота» я пародировал выступление Мстислава Всеволодовича на ученом совете. Сам удивляюсь, как я непроизвольно впитал его интонации. Успех был всеобщий — в комна­тах, цехах, лабораториях смеялись и удивлялись все. Потом мне рассказывали, что Мстислав Всеволодович, слушая запись, тоже смеялся и спрашивал, кто испол­нитель. Слава богу, у нас редакционная тайна храни­лась свято. 

Известно, как много дала научно-организационная деятельность Мстислава Всеволодовича и нашему ин­ституту, и всей отрасли, и Академии наук. Но, будучи ученым «милостью божией», он должен был тяжело пе­реживать невозможность личного творчества, недаром он очень долго колебался, не соглашался уходить из ЦАГИ и начинать новую жизнь. Мне кажется, это про­тиворечие в чем-то изменило структуру его личности. 

...Я заканчивал. Он, как всегда, слушал вниматель­но. Его удлиненное лицо с чуть падающим крылом во­лос, карие до черноты глаза, пристальный наклон головы к собеседнику рождали образ косо несущегося черного паруса... 

А вскоре наступил день, когда мне в последний раз довелось повстречать Мстислава Всеволодовича в сте­нах своего института. Шел научный доклад на заседа­нии совета. Невыспавшийся Келдыш, который прошлой ночью летал на запуск космического корабля, откро­венно дремал в президиуме, мы уже к этому привыкли. Но так же привычным было для нас и то, что случилось минуту спустя. 

Мстислав Всеволодович вдруг приоткрыл глаза, блеснули огоньки разгорающихся карих углей, последо­вал вопрос «не в бровь, а в глаз». Было видно, что Кел­дыш и в полудреме не терял нити изложения. Доклад­чик растерянно замолчал и потом признал ошибку сво­их построений. Абсолютный слух Келдыша помогал ему моментально найти слабое место и «клюнуть» в скры­тую червоточину аргументации. К скороспелым работам Келдыш был нетерпим, а к научному карьеризму — бес­пощаден. Он умел, не повышая голоса, двумя фразами буквально уничтожить такого «деятеля». И тогда мне слышался пафос строк Пастернака:


Цель творчества — самоотдача,


 а не шумиха, не успех.


Позорно, ничего не знача,


быть притчей на устах у всех.


М. В. Келдыш был избран на пост президента Ака­демии наук СССР и покинул наш институт. Мемориаль­ная доска около бывшего его кабинета напоминает со­трудникам о том времени, когда институт возглавлял один из «трех больших К», трех крупнейших ученых- организаторов самых революционных направлений в на­шей отечественной и мировой науке: И. В. Курчатова, С. П, Королева и М. В. Келдыша,




приложение


мэк


(Малая энциклопедия капли)


Атмосферная (или метеорологическая) оптика — изуча­ет световые явления в атмосфере и находящиеся там частицы влаги, «заведует» великолепным и разнообраз­ным «световым оформлением»: радугой, венцами — све­товыми нимбами и кольцами вокруг различных светиль­ников (фонарей и др.). Венцы — родственники радуги, та же физическая природа — дифракция света на мел­ких капельках; вертикальные световые столбы от кри­сталликов льда, витающих в морозном воздухе, эти кри­сталлики имеют форму равно ориентированных призм, одинаково преломляющих свет.


Аэрозоль — капли, взвешенные в газе. Так, простей­ший пневматический ингалятор лечит нас от ОРЗ, по­давая струю воздуха с каплями лекарства в носоглот­ку; приводится в действие импульсом давления при на­жатии на поршенек.


Брызгун-рыба — живет в жарких странах, пропита­ние добывает с помощью капли, снайперски точно сби­вая насекомое с ветвей, нависших над водоемом. Не камень и палка, а капля — вот метательное оружие, ис­пользованное животными задолго до первобытного человека.


Вильсона камера. Принцип устройства гениально прост (так и выскочил неувядаемый трюизм), босуд с влажным очищенным воздухом содержит поршень, его быстрое движение увеличивает объем камеры, и воздух резко охлаждается (газ тратит энергию на работу рас­ширения). Пары влаги становятся переохлажденными, готовыми образовать мельчайшие капельки тумана. Эле­ментарные частицы (α,β-частицы, электроны и т. д.), влетая в камеру Вильсона и сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, превращают в центры конденса­ции, результат—четкий след в виде траектории из ка­пелек мгновенно выпавшей влаги по ходу траектории движения частицы. Невидимое стало зрйМым. Нр, сог­ласно известному принципу неопределенности Гейзенберга, координаты электрона нельзя точно указать. 

Линия в камере Вильсона, конечно, не рисует не доступ­ный прямому наблюдению призрачный путь электрона в микромире. След в камере — лишь пунктир матовых фонариков-капелек, развешенных по углам невидимой, ломаной трассы летящей частицы — осредненный образ траектории в микромире. 

Камера Вильсона, помещенная в магнитное поле, по­зволила открыть американцу Андерсону (1932) позит­рон, частицу с положительным зарядом, предсказанную знаменитым английским физиком Дираком. Камера Вильсона, дав науке многое, достигла пределов своих возможностей. В разряженной среде газа стремитель­ные частицы высоких энергий пролетают слишком боль­шие интервалы между соударениями, не вступая во взаимодействие ни с ядрами, ни с электронной оболоч­кой атома. Камера Вильсона для их обнаружения ста­ла слишком короткой. Уступая первые роли, она пере­дала эстафету пузырьковой камере (см. Пузырьковая камера).


Воздушно-реактивные двигатели (ВРД). Двигатели, тяга которых создается благодаря реакции воздушной струи; ускорение струи обеспечивается процессами распыливания, смесеобразования топливовоздушной смеси с последующим ее сгоранием.


Горящая капля — капля топлива, окруженная пла­менем, возникающим в результате окисления ее паров окружающим воздухом (подвижным или неподвижным).


Град:

— замерзшие капли дождя; 

— название дождевальной оросительной машины; нашла неожиданное применение для намывания ледя­ных дорог, строительства переправ и даже мостов через водные преграды.


Гроза. Все знают, что это атмосферное явление элек­трической природы, Но до сих пор нет еще толкового объяснения, каким образом молния успевает за тысяч­ные доли секунды своего рождения собрать заряды с миллионов миллиардов капелек в грозовом облаке.


Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — так обыч­но (хотя и не совсем точно) называют машины по пре­образованию энергии в механическую работу, в кото­рых сжигание топлива происходит в специальных каме­рах— цилиндрах. Один из классификационных призна­ков ДВС — способы подготовки топливо-воздушной смеси. Их два: внешнее смесеобразование и внутреннее. 

При первом способе смесь готовится в специальном устройстве — карбюраторе, где бензин через тонкий ка­нал-жиклер распыливается в быстрой струйке воздуха. Топливный факел с основным воздушным потоком, поступающим из атмосферы, засасывается в цилиндр на такте впуска, когда поршень отходит от верхней точки и создает разряжение. По пути в трубопроводе капель­ки и часть жидкости на стенках трубы испаряются и перемешиваются с воздухом. В конце такта сжатия смесь над цилиндром поджигается электроискрой и бур­но сгорает. Выделившаяся энергия создает высокое ра­бочее давление на поршень. 

Для второго способа смесеобразования никакой спе­циальной «кухни» не требуется. По этому способу ра­ботает двигатель немецкого инженера Рудольфа Дизе­ля— дизель (год изобретения 1897-й). Это машина- «верблюд», мощная, выносливая и экономичная, поскольку довольствуется более дешевыми фракциями нефти — керосиновыми, газойлевыми, соляровыми. 

Топливо в дизеле впрыскивается непосредственно в камеру сгорания через форсунку под высоким давлени­ем подачи — около 150 кгс/см2. «Кормление» происхо­дит в конце такта сжатия, когда давление над поршнем достигает 75 кгс/см2. Качество распыливания обеспечи­вается высоким давлением среды и скоростью впрыска топлива. В конце такта происходит самовоспламенение и сгорание смеси. 

Столетие труда и неустанной работы человеческой мысли довело идею ДВС до совершенства и дало людям надежный и самый массовый двигатель для самых раз­ных видов транспорта.


Дождь по заказу — см. Облака.


Дробление капель — цепной процесс уменьшения размеров капель в результате их сплющивания пото­ком воздуха с последующим распадом образовавшегося диска и далее тороидального кольца на более мелкие капли.


Жидкостная экструзия — метод извлечения примеси, растворенной в жидкости. Жидкость, содержащую смесь, распыливают в другой жидкости, с ней не смеши­вающейся. С этой второй жидкостью примесь «охотнее» соединяется. Например, для извлечения альдегида из эфира его распыливают в воде, с которой он не сме­шивается: альдегид переходит из эфира в воду.


Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) — реактив­ный двигатель, работающий на жидком топливе. Уско­рение реактивной газовой струи, выходящей из сопла ЖРД, обеспечивается процессами распыливания, смесе­образования и горения первоначально жидких капель топлива и окислителя.


Змеиного яда капля — биологическое отравляющее вещество, изобретенное природой для целей охоты и за­щиты; в малых концентрациях служит очень ценным лекарственным препаратом. Змей разводят в специаль­ных серпентариях, где происходит их регулярное «дое­ние» для собирания яда. Капелька яда стоит дороже такой же капли золота.


Инверсионный (конденсационный) след — туманный след за самолетом на высотах 8—12 километров, состоя­щий из мелких водяных капелек, которые конденси­руются в струях выхлопных газов двигателя, содержа­щих водяные пары; при сгорании килограмма керосина образуется 1,2 килограмма водяного пара.


Ингалятор — см. Аэрозоль.


Инфекция капельная — инфекция, содержащая мик­робы и вирусы в капельках, особенно в выделениях из носоглотки. Каждый чихающий больной гриппом — «отравленная форсунка» с дальнобойностью до несколь­ких метров — опасен для окружающих.


Кавитация — возникновение пузырьков газа в опре­деленных зонах жидкости, где создаются условия мест­ного «микровскипания». Такие пузырьки могут рождать­ся в области быстрых течений. Там, согласно закону Бернулли, давление жидкости сильно падает, достигая уровня упругости паров. При схлопывании пузырьков обнаруживается их вредный, «колючий» норов: возника­ют мгновенные пики высоких давлений — миллионы уколов, разрушающих высокооборотные гребные винты кораблей, подводные сооружения гидроплотин и т. д.


Капельница — простейший каплеобразователь для бытовых и медицинских нужд, часто вставляется в виде миниатюрной пластиковой пробочки в горлышко пу­зырька с лекарствами — говорить вроде не о чем, он вообще не имеет устройства. Не совсем так. Вспомните попытку получить серию ровных капель в обычном пу­зырьке с узким горлышком. Вы наклонили пузырек, даже опрокинули, но капель нет. Не пускает разряже­ние между дном пузырька и жидкостью; внешнее ат­мосферное давление больше статического в жидкости пузырька. Капельница должна иметь два отдельных ка­нала: 1) для сообщения сосуда с атмосферой и устране­ния разряжения; 2) для выхода капель. Современные пластиковые капельницы компактны и технологичны, но иногда работают нечетко — воздушный микроканал рас­положен близко от основного (их нетрудно разглядеть) и может забиваться жидкостью. Кое-где сохранились «добрые старые» капельницы с притертой пробкой, имевшей два тонких канала-бороздки, они продолжа­лись на поверхности горлышка. Поворот пробки — и обе пары бороздок на пробке и горлышке совмещены, дей­ствие безотказное.


Конденсация — переход вещества из одной фазы (па­рообразной) в другую (жидкую) в виде мелких капель; происходит, как правило, на ядрах (центрах) конденса­ции — пылинках, заряженных частицах и т. д.


Лекарственные капли. Укажем лишь самые «по­пулярные»: валериановые, капли Датского короля от кашля (употреблялись в недавнем прошлом), капли Вотчала, Зеленина, ландышевые.


Лакокрасочные покрытия. Раствор краски или дру­гого вещества распылив ают в виде мелких капелек (аэрозоля) с помощью пневмопистолета (тип пневмати­ческой форсунки), нанося слой покрытия на различные поверхности.


Медианный диаметр спектра распыливания — диа­метр капель в спектре с максимальной плотностью рас­пределения по размерам.


Милликена классические опыты по измерению массы и заряда электрона с помощью капель (счастливая на­ходка Дж. Таусенда, измерениям которого, однако, не хватило точности) в науке стали образцом виртуозной техники. Американский ученый завершил то, что на про­тяжении почти 16 лет (1897—1912) пытались сделать другие исследователи. Капли в его опытах падали через магнитное поле внутри камеры Вильсона, и их скорость определялась по формуле Стокса с учетом постоянной электрической силы. Были поставлены тончайшие пред­варительные эксперименты по испарению: капля непо­движно взвешивалась в поле, ее стремление всплыть из-за потери массы компенсировалось электрической силой — так находилась скорость испарения, нужная для точного расчета движения частиц. Длительные наб-, людения обнаружили новый эффект — скачки скорости, что могло происходить лишь в одном случае: если меняющийся заряд падающей капли принимал значения, кратные какому-то минимальному. Это минимальное, неделимое и оказалось зарядом электрона. Так опыт подтвердил «зернистое» строение зарядов, а капелька воды принесла каплю истины — константу масштабов современного естествознания. Заряд электрона в опытах Милликена оказался равным (4,77± 0,005) 10-10 элек­тростатической единицы. Незначительный «довесок» в скобках «дорого стоил», он означал высочайший класс эксперимента и точность результатов, полученных ценой подвижничества и бесконечного стремления к достоверности.


Молоко, которое нам кажется единой сплошной жидкостью, является эмульсией (смесью жидкостей) и состоит из белково-жировых шариков, капель размером порядка 1 микрометра.


Молоко порошковое — продукт распыливания моло­ка в условиях вакуума; после испарения жидкости остается порошок, представляющий собой белково-жи­ровые шарики диаметром порядка 10 микрометров.


Невесомость капли. Известен классический опыт бельгийского физика и анатома Жозефа Плато по неве­сомости капли. В прозрачный сосуд с водным раствором спирта вводят каплю не смешивающегося с ним масла. Концентрацию раствора подбирают так, чтобы уравнять плотности обеих жидкостей. Тяжесть капли будет урав­новешена архимедовой силой, и она станет невесомой. Из игры трех сил на капле: веса, гидростатического давления (их равнодействующей архимедовой силы) и поверхностного натяжения — выбывают две первые. Капля любого размера повисает в жидкости правиль­ным шаром под действием силы поверхностного натяже­ния, стремящегося придать минимальную поверхность капле при заданном объеме (геометрическое свойство шара). 

Сейчас возникла целая область гидродинамики неве­сомости, важная для спутников и космических аппара­тов, на борту которых всегда имеются жидкости раз­личного рода и назначения.


Неустойчивость жидких струй — явление нарастания амплитуды случайных, бесконечно малых начальных колебаний координат поверхности струи (поверхности тангенциального разрыва скоростей струи жидкости и окружающей среды).


Неустойчивость капли — явление деформации капли обтекающим потоком: сначала капля приобретает фор­му диска, переходит затем в тороидальное кольцо, ко­торое неустойчиво к начальным возмущениям своей по­верхности (см. Неустойчивость жидких струй).


Облака — скопление продуктов конденсации водяно­го пара — капель или кристалликов льда. Капли обра­зуются и растут на ядрах конденсации, затем увеличиваются при слиянии — коагуляции. В условиях отрица­тельных температур капли становятся переохлажден­ными. 

Для рассеивания облаков (и туманов) в них вводят с земли или самолета хладореагенты — частицы сухого льда, твердого СО2 (углекислоты) или льдообразующее вещество — йодистое серебро. Возникшие кристаллики льда укрупняются и выпадают дождем — «население» облака редеет, капли начинают испаряться за счет уменьшения концентрации пара. Дожди по заказу уже вызывали в ряде стран.


Орошение взрывом. Существуют различные методы и дождевальные установки для искусственного ороше­ния сельскохозяйственных угодий. Отметим новый ори­гинальный газовзрывной способ. Он обеспечивает вы­брос и распыливание струи воды на расстояние 100 и более метров при взрыве и воспламенении горючей сме­си, подаваемой в свободное пространство — камеру сго­рания над жидкостью (изобретение инженера Г. П. Примова). Удается получить относительно однородные кап­ли диаметром не более 600 микрометров. Поливальная машина должна соблюдать свой рацион «кормления» — слишком крупные частицы ранят растения и утрамбо­вывают землю, а мелкие — быстро испаряются. На литр жидкости тратится 1/4 грамма топлива. Установка по­лучается экономичней и компактней многих других.


Паук. Южноамериканская мастафора (родич обычного нашего крестовика) применяет своеобразный метод охоты: вращает лапками паутину с каплей клейкой жидкости на конце, пока не зацепит неосторожную мош­ку. «Эти искусные, мерзкие и хитрые пауки» изобрели свой метод намного раньше, чем человек: туземцы-охотники Патагонии бросают вертящуюся веревку с грузи­ками, стреноживая бегущее животное.


Порошковая металлургия использует (в частности) метод распыливания жидкого металла, капельки кото­рого, застывая, образуют мелкий порошок; из него по специальной технологии (спекание) изготовляют дета­ли машин. Эффективен способ плазменного напыле­ния порошков высокотемпературной газовой струей на поверхность изделия. Часто до 99 процентов массы де­тали можно изготовить из дешевых сортов стали — порошковая металлургия способна одеть ее в защитную «рубашку»; 60 процентов деталей заменяются из-за из­носа всего лишь 0,3 миллиметра рабочей поверхности. В металлургии гранул (новое, весьма перспективное на­правление) пышущий жаром водопад металла распы­ляют высоконапорной струей воздуха на капли диамет­ром около 20 микрометров, сразу подвергая их резкому дополнительному охлаждению. За доли секунды возни­кают гранулы. Гранулированный металл приобретает новые свойства, он идет на изготовление деталей по особой технологии.


Пузырьковая камера — следующий после камеры Вильсона шаг в экспериментальной технике (созда­тель— американский физик Дональд Глезер, Нобелев­ская премия 1952 г.). Вильсон использовал пусковой механизм неустойчивого равновесия в пересыщенном паре, а Глезер — аналогичный механизм в неустойчи­вом равновесии перегретой или нестабильной жидкости. Чем чище жидкость и стенки сосуда, тем меньше раз­мер зародышевых пузырьков газа — будущих центров закипания. Такую жидкость можно перегреть выше обычной точки равновесного кипения, не приведя к за­кипанию. В обычных условиях температура кипения поднимается с ростом давления, но перегретая жид­кость, сжатая поршнем, длительное время не кипит. При мгновенном снятии нагрузки с поршня жидкость становится нестабильной, ее фазовое состояние неустой­чивым, температура падает ниже точки кипения, вот-вот готовы возникнуть пузырьки пара. 

Быстрая элементарная частица, запущенная в каме­ру, имеет шансы столкнуться с окружающими атома­ми — жидкость плотнее газа в сотни раз. Столкновения создают местные центры зарождения пузырьков пара, вереница которых и отмечает траекторию полета частицы — мы снова видим невидимое. Траектория просту­пает мгновенно, диффузия и конвекция не успевают раз­мыть ее. Например, гигантская пузырьковая камера на жидком водороде «Мирабель» имеет объем 10 м3 и об­служивает ускоритель АН СССР в Серпухове. Сущест­вуют и более крупные камеры.


Радуга — явление разложения «белого» света на его «цветные» составляющие в капельках воды, содержа­щихся в атмосфере, при освещении завесы дождя сол­нечными лучами.


Распыливания спектр — непрерывное распределение капель, дробящихся в потоке жидкой струи, по различ­ным диаметрам.


Струйная печать — новый метод типографской техни­ки: букву не печатают, а молниеносно рисуют с по­мощью капель тончайшей струи краски из распылителя, управляемого электроникой. Так можно в секунду «на­рисовать» 20 адресов подписчиков прямо на газетах.


Сфероидальное состояние капли — типичное состоя­ние капли, уравновешенной силами тяжести и поверх­ностного натяжения (при отсутствии аэродинамических сил).


Точка росы — температура пара, насыщенного воз­духа, когда он только начинает выделяться капельками росы или тумана. Весовое содержание пара в воздухе оценивается относительной влажностью — процентом пара (привычная цифра в метеосводках) от максималь­но возможного в 1 м3 при данной температуре. Напри­мер, относительная влажность при температуре 25° С равна 70 процентам, и воздух будет содержать около 16 граммов влаги — предельная влажность при этой температуре составит 22,8 грамма в 1 м3.


Туманы — см. Вильсона камера.


Увлажнение воздуха — распыливание воды, приме­няемое в ряде производств. Например, в угольных шах­тах это необходимо для снижения концентрации уголь­ной пыли, что обеспечивает взрывобезопасность и сани­тарные нормы условий работ.


Удобрений гранулирование. Способ производства искусственных удобрений, где расплавленное исходное вещество (например, различные соли) распыливается внутри специальной башни высотой с пятиэтажный дом. Высота и время падения капель рассчитываются так, чтобы застывшие гранулы имели нужный размер, опти­мальный для усвоения корнями растений.


Уровень пузырьковый — простейшее устройство для контроля степени горизонтальности плоской поверхности (например, в строительном деле) по движению чувстви­тельного пузырька воздуха в жидкости.


Факел распыливания — капельно-воздушная струя, образующаяся при встрече жидкой струи с воздушным (газовым) потоком.


Флотация — метод обогащения полезных ископае­мых, основанный на разнице в смачиваемости. В вод­ную суспензию (смесь твердых частиц с жидкостью), где, например, частицы полезных минералов гидрофобны, то есть плохо смачиваются и непрочно связаны с водой (у веществ свои симпатии и антипатии связей), вводят пузырьки газа, с которыми частицы «охотней» соединяются. Множество мелких пузырьков — «мини­лифтов», нагруженных частицами, быстро всплывают на поверхность получившейся флотационной пульпы, где создается концентрат частиц. Он самотеком или прину­дительно удаляется с поверхности, давая обогащенный продукт. Возможен вариант, когда на пузырьках всплывает ненужная пустая порода, оставляя, концентрат на дне.


Хинолиновой пленки распад — редкое и странное яв­ление в мире капель, достаточно богатом «чудесами». В большинстве случаев масляные пленки долго сохра­няются на поверхности воды (испаряемость масла ничтожна). Однако есть пленки жидкостей, которые через некоторое время начинают самопроизвольно рас­падаться. В хинолиновой пленке это явление протекает медленно, в уникально причудливых формах, и его мож­но видеть на опыте. На краях возникают зазубрины, ветвящиеся внутри пленки, вскоре запутанный, прихот­ливый узор делает ее похожей на ветвь коралла. Затем внутри пленки появляются отверстия с отходящими лу­чами отростков. Они развиваются, все нарастая, как цепной процесс, пока не превратят пленку в отдельные капли на поверхности воды. Но это еще не все. Пример­но через полчаса в центре каждой капельки возникает отверстие, делающее из нее кольцо; самые крупные имеют несколько отверстий, напоминая пластинки пчели­ных сот. Теперь все замирает, наверное, получены фор­мы, сохраняющие равновесие под действием всех сил. 

Явление это по сие время, по-видимому, не нашло объяснения. Хинолин как будто единственная жидкость о таким необычайным циклом распада до устойчивых колец.


Хлороформа комбинированные капли. Еще одним «фокусником» (но не столь таинственным, как хинолин) может выступить хлороформ. Опыт с ним необычайно интересен: на дно стакана наливается немного хлоро­форма, а на него — более легкая вода. Снизу стакан нагревают. На дне начинается кипение. Пузырек под­нимается через воду, образуя комбинацию «двойное яичко» — сверху пузырек пара хлороформа, снизу в виде подвески частица его жидкости, захваченная пузырьком. Получается шар с балластом — каждый из них ведет себя по-своему. Некоторые, имея плотность, равную плотности среды, стоят неподвижно во взвешенном со­стоянии. Другие, поднявшись в верхние холодные слои воды, конденсируют часть своего пара в жидкость, теря­ют в подъемной силе и опускаются вниз. Там снова на­грев, испарение хлороформа внутри «яичка» — и опять подъем: так сложные капли прилежно снуют взад и вперед — забавно и весело смотреть. Наконец, некото­рые вырываются из воды на поверхность, вынося ка­пельку хлороформа в воздух. При обычном вскипании воды с паром всегда выносится часть жидкости над кипящей поверхностью. Поэтому пар над кипящей во­дой всегда влажный.


Центробежная форсунка — устройство, обеспечивающее выход жидкой струи попутного потока не только с осевой составляющей скорости, но и с радиальной.


Челнок-капля — изобретение чешского инженера, заменившего челнок в ткацком станке каплей; выстрели­ваемая частица жидкости надежно тянет нить, уменьшая шум работающего станка.


Чернощейной кобры капля яда, которой она точно стреляет в глаз животного при охоте; кобра обитает в Эфиопии.


Число Вебера — отношение силы полного давления потока на каплю к силе ее поверхностного натяжения.


Шарик Ж. Плато — шарик-«спутник», образующийся вместе с основной каплей, при вытекании жидкости из капилляра.


Щетки струйные — деталь очистителя с разбрызги­вателем капель на стеклах автомобиля. 


Эмульсия озвученная — раствор мелких частиц ле­карственных препаратов в жидкости, подвергнут дей­ствию ультразвуковых волн в целях повышения мелко- дисперсности до микронных размеров (мелкие капельки вещества легче усваиваются организмом).


Ядерная метеорология — новое направление в физи­ке атмосферы. Недавние исследования обнаружили, что капли дождя при падении забирают из атмосферы ра­диоактивные частицы. Измерения с самолетов показали: облако — огромная губка, поглощающая пар, пыль, все­возможные твердые частицы, оно же и мембрана, чув­ствительная к смерчу в пустыне или сильному взрыву. Инертный газ фреон, мирно работающий в наших хо­лодильниках, на высоте портит свой характер под дей­ствием ультрафиолетовых излучений; он выделяет хлор, разрушая озоновый щит, спасающий нас от губительно­го действия прямого ультрафиолета.




ЛИТЕРАТУРА


Абрамович Г, Н. Прикладная газовая динамика. М., На­ука, 1969.


Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М., Физмат- гиз, 1985.


Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П. Тео­рия ракетных двигателей. М., Машиностроение, 1969.


Бондарюк М. М., И л ь я ш е н к о С. М., Прямоточно­реактивные двигатели. М., Оборонгиз, 1958.


Волынский М. С. О форме струи жидкости в газовом по­токе. М., Оборонгиз, 1958.


Волынский М. С. Распыливание жидкости в сверхзвуковом потоке.—Известия АН СССР (Механика и машиностроение), 1963, № 2.


Зуев В. С., Макарон В. С. Теория прямоточных и ракет­но-прямоточных двигателей. М., Машиностроение, 1971.


Прудников А. Г., Волынский М. С„ С а г а л о - Э и ч В. Н. Процессы смесеобразования и горения в воздушно-реак­тивных двигателях. М., Машиностроение, 1971.


Раушенбах Б. В. и др. Физические основы рабочего про­цесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М., Ма­шиностроение, 1964.


Шец Дж. Турбулентное течение. Процессы вдува и переме­шивания, М., Мир, 1984,




СЛОВО ОБ АВТОРЕ КНИГИ


Периоды бурного, скачкообразного развития науки и техники мы не­изменно и по справедливости связываем с крупными именами. На­пример, у нас это имена И. В. Курчатова, С. П. Королева, М. В. Кел­дыша, В. М. Глушкова и многих других. Но наука, равно как и создание новой техники,— дело, в общем-то, коллективное. За каж­дым крупным ученым следовали, словно корабли за флагманом, другие таланты, вносившие свой вклад и в создание научной теории, и в реализацию прогрессивной технической идеи.


К числу таких ученых, пронесших через всю жизнь «одну, но пламенную страсть», принадлежал и автор предложенной вниманию читателей книги, доктор технических наук Марк Семенович Во­лынский.


Волынский, без преувеличения, обладал энциклопедическими по­знаниями о предмете своей страсти — капле жидкости. Его знают у нас в стране и за рубежом как известного специалиста по двух­фазным течениям. Он соавтор двух монографий по рабочим процес­сам в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. Его труды часто цитируют, на них ссылаются советские и зарубежные ученые.


Волынского заслуженно считают родоначальником нового на­правления исследования — динамики двухфазных течений, условно именуемого «сверхзвуковым распыливанием».


Жизнь посвятить капле... Да стоит ли капля этого? Прочитав книгу Волынского, читатель, особенно из молодых, поймет: стоит! Для истинной науки в окружающем нас мире нет мелочей. Да и «капельный мир», как это видно из книги, сам по себе так велик, хранит в себе столько научных (и практических!) тайн, что и целой жизни не хватит для их открытий.


Будни ученого — это не только труд, порой изнурительный, тре­бующий нередко огромной силы воли, чтобы не скиснуть, не отступить перед неудачами и трудностями, но это еще и встречи с интересными людьми. Марку Семеновичу в этом смысле прямо-таки повезло: он работал с крупнейшими учеными-аэромеханиками нашей страны. Книга содержит интересные факты, эпизоды, штрихи к портретам академиков С. П. Королева, М. В. Келдыша, Г. И. Петрова, Л. И. Се­дова, Б. В. Раушенбаха и других известных ученых. Причем все это ни в какой мере не кажется лишним в книге. Наоборот, оно придает ей особую доверительность, которой порой так не хватает, когда ученые решаются рассказать другим о своих научных занятиях, о своей науке. «Лирические отступления» дают читателю возмож­ность ощутить ту атмосферу, в которой рождаются новые научные идеи, увидеть ученых «с другой стороны», человеческой, а не только со стороны строгих научных формулировок.


К сожалению, автор не дожил до выхода своей книги.


Надеемся, что присущий книге М. С. Волынского пафос романти­ческого восприятия обыденного, стремления отыскать «невероятное в очевидном» найдет горячий отклик в сердце читателя и, может быть, кому-то подскажет выбор жизненного пути.






ОГЛАВЛЕНИЕ 


Энциклопедия капли


(Вместо предисловия)............................................................... 3


Глава I. Радуга на улице Радио


Огонек на ветру.................................................. 7


Миллиарды капель и космический старт ... 17


Архитектура из света и капель................................................ 21


Глава II. Охота за каплей


В поисках уравнений................................................... 27


Катаклизмы внутри форсунки ....... 37


Рождение капли....................................................................... 46


Перипетии судьбы , . .............................................................. 52


Глава III. Капля истины


Размножение капель....................................... 60


Как сделать туман............................................................. 72


Фотографический автопортрет........................................ 94


Глава IV. Цель творчества — самоотдача


От ракеты к Сезанну 103


Абсолютный слух................................................... 116


Истина прежде всего .......... 123


Приложение: МЭК (Малая энциклопедия капли) 131


Литература . ......................................................................... 142


Слово об авторе книги.............................................. . 143



 Марк Семенович ВОЛЫНСКИЙ


НЕОБЫКНОВЕННАЯ ЖИЗНЬ ОБЫКНОВЕННОЙ КАПЛИ


Главный отраслевой редактор- В. Я. Демьянов. Редактор- Я. Ф. Яснопольский. Мл. редактор- Я. А. Васильева. Художник- М. А. Дорохов. Худож. редактор- М. А. Гусева. Техн. ре­дактор- А. М. Красавина. Корректор- Л. В. Иванова.


ИБ 7729


Сдано в набор 27.03.86. Подписано к печати 24.09.86. А 13619. Формат бумаги 84Х108 Бумага тип. № 1. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 7,56. Усл. кр.-отт. 7,88. Уч.-изд. л. 7,91. Тираж 110 000 экз. Заказ 6-1218. Цена 25 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 867723.


Головное предприятие республиканского производственного объединения «Полиграфкнига», 252057, Киев, ул, Довженко, 3.








Вход в систему

Навигация

Поиск книг

 Популярные книги   Расширенный поиск

Последние комментарии

Последние публикации

Загрузка...