Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

— Дальше,— продолжал докладчик,— дежурный поджигающий огонь из форкамеры перекидывается в топливовоздушную смесь. Однако здесь он снова от­крыт всем ветрам, и его без страховки мгновенно сор­вет. Но у нас уже есть опыт: выручают плохо обтекае­мые тела.— Указка касается схемы (см. рис. 3).— Это конические кольцевые стабилизаторы,— указка сна­чала тычется в схему, изображенную на рис. 2, затем перескакивает на рис. 3.— За ними тянется аэродина­мическая тень — зона относительно малых скоростей. Здесь крутятся крупные спирали кольцевых вихрей, со­здавая разрежение и питая зону мелкими вихорьками. Горючая смесь с каплями засасывается в этот круго­ворот и сгорает, давая высокий жар. За него-то и цеп­ляется пламя. Напитавшись теплом, окрепший фронт пламени рвется в набегающую горючую смесь по сту­пенькам стабилизаторов.

Вспоминаю камеру ТРД (рис. 4). Там пламя рас­пространяется в чуть более спокойных условиях. Снача­ла оно цепко держится у входного завихрителя-решетки; потом вторичный воздух подмешивается к разгорев­шемуся огню через отверстия рубашки. Дальнейшие опыты показали: чем богаче набор капель по размерам, тем устойчивее пламя за стабилизатором, а чем они в среднем мельче, тем полнее сгорание.

Процесс горения основной массы топлива развивает­ся на довольно протяженном участке камеры, где про­текает химическая реакция окисления. Топливовоздуш­ная смесь не сгорает во фронте пламени полностью, зона догорания простирается далеко за ним.

Доклад еще длился, но я слушал плохо. Мысль от­цепилась, как вагон от состава, и пошла по своей, от­ветвленной колее. Я думал о привычном: как измерить эту каплю?

Миллиарды капель и космический старт

Те же «капельные», но совсем не малые проблемы вста­ли и перед создателями ЖРД. Здесь камеры особенно прожорливые: рабочий процесс должен «переварить» огромные массы топлива, обеспечить высокие мощности, необходимые, чтобы вывести ракету в космическое про­странство. Но сначала немного истории.

Созданная упорным и вдохновенным трудом ученых, инженеров, конструкторов ракета с ЖРД свершила тех­ническое чудо и проложила человеку путь в космос. Основы этой гигантской победы человеческого разума были заложены на рубеже XIX и XX веков. Осново­положником современной космонавтики и реактивной техники был, как известно, Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935). Школьный учитель физики из Калуги первый увидел реальные очертания буду­щих космических аппаратов. В своей замечательной ра­боте «Исследование мировых пространств реактивны­ми приборами» (1903) он дал законы движения ракеты и впервые в мире предложил и обосновал новый тип двигателя — ЖРД. Этим же путем позднее пошли и другие ученые: Р. Эно-Пельтри во Франции (1913), Р. Годдард в США (1919), Г. Оберт в Германии (1923). Интересно, что Оберт, имя которого для многих наших специалистов звучало лишь вехой ушедших лет, неожи­данно «ожил» и в 1982 году прибыл, достаточно бод­рый для своих 88 лет, в числе почетных гостей к нам в страну, когда мы отмечали 125-летие со дня рожде­ния Циолковского и 25 лет с начала космической эры.

В беседе с академиком Б. В. Раушенбахом, нашим известным ученым, соратником С. П. Королева, Оберт с гордостью напомнил собеседнику, как одним из пер­вых понял и высоко оценил труды Циолковского.

Не все ученые того времени были столь прозорливы, от­части из-за своеобразия формы публикаций Констан­тина Эдуардовича, заменявшего часто в формулах алге­браические символы словами. Оберта повезли в Центр подготовки космонавтов и среди прочего показали специ­альный бассейн, где удельные веса жидкости и плаваю­щего тела одинаковы. Космонавты в скафандрах демон­стрировали тренировку в условиях невесомости. Борис Викторович Раушенбах рассказывал: Оберту все очень понравилось, и он ко всеобщему веселью сделал вдруг заявку на приоритет:

— О да, интересно! Но я сам проделал это еще в 1916 году. Погружался с головой в свою ванну, держа трубочку во рту. Мне очень хотелось почувствовать, что есть невесомость...

Прошли годы. Вот-вот станет явью мечта Циолковско­го, говорившего, что Земля — колыбель человечества, но нельзя все время жить в колыбели. По обе стороны океана уже шли к космическим стартам. Но первым взлетел в космос 12 апреля 1961 года наш Юрий Гагарин на корабле «Восток», и одним из ре­шающих факторов успеха были мощные и надеж­ные ЖРД.

Вспомним рациональный, поразительно простой и эффективный принцип действия ЖРД (см. рис. 5). Го­рючее и окислитель из баков подаются центробежны­ми насосами в камеру сгорания: окислитель — непо­средственно к своим форсункам, а горючее — к своим, но через узкую полость между двойными стенками камеры сгорания и сопла. Только так, используя боль­шой поток горючего в качестве охладителя, можно за­щитить камеру и сопло (конструктивно они представ­ляют одно целое) от чудовищного (выше вулканиче­ского) жара, развиваемого внутри этого химического двигателя. Горючее, подогреваемое между стенками, го­товится к процессу смесеобразования. В реальных дви­гателях вспомогательный насос подает его из отдельно­го бака в газогенератор — специальную меньшую каме­ру, работающую при более низкой температуре. Здесь оно газифицируется и идет как рабочее тело на колесо турбины. Турбина вращает соосно расположенные ос­новной и вспомогательный насосы — все в целом обра­зует ТНА (турбонасосный агрегат), компактный сгус­ток современной технической мысли; перед запуском ЖРД его раскручивает специальный стартовый дви­жок. Автоматика регулирует режим работы, поддержи­вает заданную пропорцию жидких компонентов.

Камера сгорания ЖРД — подлинное царство ка­пель, они владеют всем пространством на начальном ее участке — там нет никакой металлической начинки, как в ВРД (форкамеры, стабилизаторы). Здесь оба компонента реакции — и горючее, и окислитель — ис­пользуются в виде жидкости, например керосин и сжи­женный кислород (или спирт с азотной кислотой, отдающей кислород при разложении). В этом заключа­ется отличие от ВРД, для которого возят с собой толь­ко жидкое горючее, а окислитель даровой — из возду­ха атмосферы.

Все ВРД — проточные каналы, ЖРД — глухой гор­шок, дно его плотно усажено сотнями форсунок — фор­суночная головка должна за секунду пропускать мно­гие килограммы жидкости. В форсуночной головке распылители обоих компонентов расположены в опреде­ленном порядке, чтобы каждый факел горючего равно­мерно по возможности насытить окислителем. Часто используют сотовое расположение, подсказанное архи­тектурой пчелиного улья.

В адском горшке ЖРД приготовляется более кало­рийное варево, чем в камере ВРД. Температура газов на выходе из двигателя достигает 3500 К и более. Од­нако набор процессов смесеобразования здесь в прин­ципе тот же, что и в воздушных камерах: распыливание, движение и испарение капель, смешение паров до горючей концентрации, только организованы они слож­нее во времени и в пространстве. Все явления протека­ют почти рядом, бок о бок друг с другом и горением. Исследователи нарисовали картину рабочего процесса в ЖРД. Плотное облако капель в факелах форсунок увлекает за собой слои окружающего газа, на их место обратно засасываются встречные струи горячего газа — продукты полного и неполного сгорания из начальной зоны пламени. Образуются обратные токи — вблизи форсуночной головки крутятся колечки интенсивных вихрей. Только жидкие розетки, и густое облако капель спасают сами форсунки от выгорания.

Химическая реакция горения протекает бурно и идет преимущественно в газовой фазе; сквозь газ движутся горящие капли — давление в камере высокое: 50 и бо­лее атмосфер. Температура быстро нарастает от задней стенки к выходу камеры. Продукты сгорания поступа­ют в реактивное сопло, где поток разгоняется до высоких сверхзвуковых скоростей, и таким образом теп­ловая энергия преобразуется в кинетическую. Мы по­мним счетверенные слепящие блики на теле- или кино­экране, когда показывают запуск космического кораб­ля,— это огненные выхлопные струи из сопел связки двигателей, ими оснащена космическая ракета, идущая в зенит.