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.