В поисках чуда (с илл.)

Построив на основе своих идей математическую теорию, Семенов убедился, что опытные закономерности хорошо описываются выведенными им формулами. Работу напечатал тот же журнал, где появилась статья Харитона и Вальта. И тут пришло запоздалое признание. Профессор Боденштейн написал

Семенову, что, как ни удивительны эти выводы, сомневаться в них больше нельзя.

А в 1928 году теория разветвленных цепей получила новое веское подтверждение: молодой оксфордский физик С. Хиншельвуд нашел, что, помимо нижнего, существует еще и верхнее предельное давление (избыток кислорода гасил реакцию!). И дал ему объяснение в рамках семеновской концепции. (Потом, в 1956 году, английский ученый разделил со своим советским коллегой славу нобелевского лауреата.)

Одновременно тот же эффект обнаружили сотрудники Н. Н. Семенова А. В. Загулин и А. А. Ковальский, изучая синтез воды из водорода и кислорода.

Окисление фосфора, серы, водорода, окиси углерода, углеводородов, хлорирование, полимеризация — год от года удлинялся список примеров, которыми с уверенностью можно было пополнить класс разветвленных цепных реакций. Становилось очевидно, что большинству химических явлений свойственна цепная природа.

«Историк мгновения», как назвали Семенова литераторы, стал все пристальнее присматриваться к отнюдь не скоротечным химическим процессам. Весьма неторопливые реакции также отличались аномалиями, не столь заметными, но подозрительными.

Например, некоторые из них ускорялись, хотя по всем известным законам должны были со временем замедляться. Считалось, что такое самоподстегивание вызвано накоплением конечных продуктов, играющих роль катализатора. Только вот неувязка: конечные продукты, специально добавленные к реагентам, никакого каталитического действия не проявляли!

Выводы Семенова и его школы оказались неожиданными: перед нами опять-таки процессы с разветвленными цепями. Правда, нарастание скорости в них тянется долго, порой многие часы. И трудно объяснить его поджигательской деятельностью только радикалов, эфемерных, скоропостижно умирающих свободных атомов и их группировок. Тогда Семенов высказал новую гипотезу: разветвление цепи вызвано молекулами промежуточных веществ, изредка порождающими активные частицы. Эти «бомбы замедленного действия», будучи не столь стабильными, как обычные молекулы, живут гораздо дольше, чем неустойчивые свободные атомы. Такие заторможенные цепные взрывы Семенов назвал «вырожденными».

Классическая семеновская схема развивалась и уточнялась. Еще в работе «К теории процессов горения» в 1928 году наряду с понятием «цепной взрыв» ученый ввел новое — «взрыв тепловой». В первом случае речь идет о «холодной» лавине — для ее развития вовсе не требуется тепло. (Достаточно было, если помните, чуть-чуть добавить в сосуд, к примеру, инертного газа.) Даже при вспышке разреженная смесь почти не разогревается, а порой и охлаждается.

В чистом виде такая картина наблюдается лучше всего при давлениях в десятки раз ниже атмосферного.

Во втором случае воспламенение обусловлено именно повышением температуры, причем в реакционном объеме могут господствовать и высокие давления.

Если теплоотдача во внешнюю среду мала, взаимодействующие вещества все больше разогреваются.

Это убыстряет ход реакции, медленный поначалу.

Увеличение же скорости означает, что в следующее мгновение тепла выделится больше, чем в предыдущее. И еще энергичней потечет процесс. Такое самоподбадривание может окончиться катастрофой: крохотная искорка способна вызвать лесной пожар.

Новые представления не сразу вошли в привычный химический обиход. Они были настолько революционны, что даже позже, в 1929 году, знаменитый Габер, создавший технологию современного аммиачного производства, пытался печатно опровергнуть семеновскую схему, истолковывавшую окисление водорода и окиси углерода. Вскоре возражения немецкого химика под напором опытных данных рухнули, как карточный домик. И все же потребовались годы, пока идея разветвленных цепей обрела права гражданства.

Краеугольным камнем всех этих концепций было представление о критических параметрах: давлениях, концентрациях, температурах, размерах. Их строгий количественный учет сделал семеновскую теорию горения и взрывов мощным практическим инструментом в руках ученых, в том числе ракетостроителей.

На первый взгляд технику не интересуют слабые и к тому же холодные вспышки в вакууме, как при окислении фосфора. Оказывается, интересуют! Те же ракетные двигатели работают и в разреженной атмосфере и в космической пустоте. Правда, и там огненный напор на внутренние стенки двигателя достигает десятков атмосфер. Температура — многих тысяч градусов. Не смолкнет ли перед этим могучим испепеляющим ураганом кинетика, зачастую пренебрегающая теплофизическими и газодинамическими факторами, копающаяся в интимных взаимоотношениях между отдельными атомами?

Остановись, мгновенье!

Воспламенение… Сколько отрадных и сколько тягостных воспоминаний связано у ракетчиков с этим красивым и таким капризным явлением! В одних случаях пламя — незваный и опасный гость (например, при хранении органического горючего. Применяют даже специальные антиокислители). В других — желанная и нужная вещь (при запуске двигателя, например. Готовят даже специальные самовоспламеняющиеся смеси). Но во всех случаях одинаково необходимо предвидеть, когда, при каких условиях следует ожидать появления этого врага или друга. Если старт задержится на каких-нибудь десять секунд, отклонение ракеты от намеченной, например на Луне, мишени составит целых 200 километров.

Разрабатывая теорию теплового взрыва, Семенов вывел формулу, которая связывает давление с температурой воспламенения. По ней можно определить температуру, при которой смесь взорвется. И рассчитать, как изменится эта температура при другом давлении. «Чтобы знать все о явлениях горения, — писал ученый, — мы должны только знать, как выделяется тепло в результате реакции и как это тепло обратно воздействует на реакцию. Если известна кинетика реакции, то мы можем предвычислить условия воспламенения и скорости горения».

«Если известна кинетика реакций…» Это значит необходимо проникнуть в тонкие тонкости межатомного воздействия, познать его электронный механизм, его энергетику, его скорости.

Теоретическая беспомощность всегда порождала бескрылую эмпирику. Не зная закулисных пружин, направляющих химическое действо в ту или иную сторону, пионеры ракетостроения брели ощупью, вслепую, нередко приходя к ложному выводу. Сколько раз взрывались у них двигатели — и на стендах и в полете! Шли насмарку многолетние усилия многочисленных коллективов. Новые идеи словно озарили собою исследовательскую тропу, рассеяли сумрак неуверенных блужданий, позволили наметить дальние маршруты.

Если в помещение просочился водород, то достаточно малейшей искорки — и может произойти взрыв.

Пламя, распространяясь концентрически от места вспышки, вмиг охватит весь объем смеси.

Мгновенье можно остановить, заковав взрыв в безопасный панцирь. Прозрачная трубка заполняется газообразным топливом. Если поджег смесь с одного конца, граница огня (фронт пламени) побежит внутри трубки вдоль ее оси. Скорость этого движения легко измерить с помощью стробоскопической съемки.

Чем же интересны подобные эксперименты?

«Современный ракетный двигатель — сложный агрегат. Однако, отвлекаясь от конструктивных деталей, можно рассматривать камеру сгорания ракетного двигателя как цилиндрическую трубу, — к такому упрощению, типичному для исследовательской процедуры, прибегают советские ученые Ю. Н. Денисов,

Я. К. Трошин, К. И. Щелкин в одной из своих работ. — Для совершенствования камер ракетных двигателей важно знать условия и механизм сгорания топлива в них». Обратите внимание: не только условия, но и механизм!

Упомянутая выше статья называется так: «Об аналогии между горением в детонационной волне и в ракетном двигателе».