Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

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

---

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.