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.
