Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

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 P_r в лобовой точке капли, где оно наибольшее и равно скоростному напору ρu²/2 (струйка тока газа полностью тормозится). Давление поверхностного натяжения опре­делим по известной формуле Лапласа для жидкого шара Р_ж = 4σ/а. Величина отношения давлений (с точностью до постоянных коэффициентов) дает комплекс, называе­мый критерием, или числом Вебера We:

Рг/Рж ≈ We = ρu²а/σ.

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

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

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

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

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

***

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

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

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

Чем не дуализм «волна-частица»!

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как сделать туман!

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

— Ничего не получается, нет капель!

— Как нет, прибор испортился?

— Вроде работает, а капель не видно.

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

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

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

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

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

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

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

* * *

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

A = r_cR / r_вх² n

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

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

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

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

v = √gh

И он (законы природы безот­казны) не замедлил возникнуть.

* * *

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Не вдаваясь в подробности, приведем основное урав­нение теории:

da²/dτ = F₁F₂

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

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

(а/а₁)²=1—(F₁/а₁²)τ_к ,

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

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

τ_k = а₁²/F₁

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

Фотографический автопортрет

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

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

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

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

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

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

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

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

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

— Может, сделать батарею многих капельниц? Веро­ятность возрастает.

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

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

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

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

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

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

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

Надежда постепенно увядала.

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

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

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

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

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

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

Так сказать, подберем интервал. Скорость движения капли известна.

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

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

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

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

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

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

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

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

* * *

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Глава IV

ЦЕЛЬ ТВОРЧЕСТВА — САМООТДАЧА

От ракеты к Сезанну

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

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

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

Тихо падает вода —

кап, кап.

Намокают провода —

кап, кап.

Между пальцами года

Просочились — вот беда!

Между пальцами года — кап, кап!

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

— Подъемная сила,— сказал я.

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

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