Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

• Название: Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
• Автор: Марк Волынский
• Издательство: Издательство «Знание»
• Жанр: Физика
• Год: 1986

---

***

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

—   Что будем делать?

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

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

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

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

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

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

— Ну высказывайся, какая идея?

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

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

— Хорошо заданный вопрос — половина ответа.

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

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

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

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

— Все-таки наш ведущий — изрядный чурбан.

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

— Нет, я немного задержусь...

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Миллиарды капель и космический старт

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

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