Волынский Марк Семёнович

Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

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 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.

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 G (керосин и жидкий кислород) составляет примерно 2650 кг/с, а скорость истечения газов из сопла двигателя w  достигает примерно 2400 м/с. Тогда мощность газовой струи оказывается равной 7.6-103 МВт :

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

Оценим число капель, вылетающих в секунду из форсунок такого двигателя. Секундный расход жидкости равен произведению числа капель п на среднюю плотность жидкости 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 10^12 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 — Аl_2О_3. 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 Р_0 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 рv^2/2 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 pu^2/2. 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.

Описанный мною в начале метод измерения размера капель с помощью радуги обладал невысокой точностью. На смену ему пришли различные способы 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 ρu^2/2 (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/Рж ≈ We = ρu^2а/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 / rвх^2 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 ρv^2/2.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:

da^2/dτ = F_1F_2

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 F_1 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 F_2 учитывает рост скорости испарения за счет движения капли. Для случая неподвижной капли (F_2= 1) уравнение легко интегрируется и получается закон статического испарения, выражающий убывание площади поверхности капли во времени:

(а/а_1)2=1—(F_1/а_1^2)τк ,

где а — текущий (переменный) диаметр капли; a_1— начальный диаметр; F_1 — среднее значение функции.

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

τk  = а_1^2/F_1

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/см^2. «Кормление» происходит в конце такта сжатия, когда давление над поршнем достигает 75 кгс/см^2. 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 СО_2 (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 м^3 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 м^3 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 м^3.

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.

Content

Волынский Марк Семёнович Необыкновенная жизнь обыкновенной капли