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».
При нормальном, медленном горении фронт пламени перемещается по отношению к газовой среде не так уж быстро — на несколько сантиметров или метров за секунду. Зато при детонации скорость сверхзвуковая — от полутора до трех с половиной километров в секунду, как и у газов, вырывающихся из ракетного сопла.
Долгое время бытовало мнение, будто в отличие от медленного горения детонация ни в коей мере не связана причинно с химической кинетикой.
Работами советских ученых внесены существенные коррективы в это представление.
Школа огнепоклонников
Пусть, например, нормальная детонирующая смесь попала в чрезвычайно узкую трубку. Пламя, которое в свободном, незамкнутом пространстве стремглав обегало весь объем, вызывая громоподобное «бах!», теперь лениво, еле-еле распространяется вдоль канала. И даже совсем останавливается, гаснет. Почему?
Да потому, что оно остывает из-за тепловых потерь на стенках. А это уменьшает скорость химической реакции — опять же кинетическую величину!
Инертные добавки также могут погасить детонацию. А инициирующие, напротив, возбудить ее.
Еще в 1934–1938 годах советский ученый А. С. Соколик подметил любопытную закономерность. Если к смеси окиси углерода с кислородом добавить немного, буквально ничтожную порцию водорода, то термодинамические свойства системы останутся теми же самыми, а кинетические изменятся — и довольно резко. Иными словами, скорость химической реакции горения станет другой. Ну так что же? Повлияло это на скорость детонации? Практически нет. Но зато смесь совершенно неожиданно приобрела новые свойства. Теперь она взрывается в более широком диапазоне концентраций. Сама способность детонировать обусловлена кинетическими факторами! И это еще не все.
Раньше думали, будто качественная и количественная разница между горением нормальным, которое полностью определяется кинетикой процесса, и детонационным, которое от нее не зависит (почти не зависит!), огромная. Взять хотя бы быстроту распространения того и другого — разрыв здесь прямо-таки колоссален.
В 1939 году К. И. Щелкин, ныне член-корреспондент Академии наук СССР, обнаружил, что этой «непроходимой пропасти» вовсе не существует.
Оказывается, пламя способно бежать с промежуточными скоростями. Более того, медленное горение при некоторых условиях может самочинно разгоняться и переходить в детонационное! Например, при наличии турбулентности, которую легко организовать, если, скажем, сделать стенки трубы или камеры негладкими, а шероховатыми. Щелкину удалось на опыте изменять даже такую вроде бы незыблемую константу, как скорость детонации.
Турбулентное, вихревое; бурное горение особенно интересно с точки зрения (ракетчиков: именно в таком режиме работает двигатель. Стремительно несущийся газовый поток тормозится малейшим выступом камеры сгорания или сопла. Пламя цепляется за препятствия, удерживается около них. Между тем в пламени-то как раз и протекает химическая реакция горения! Как обеспечить топливу максимальную полноту сгорания при минимальных размерах камеры и тепловых напряжениях?
Решение задачи основано на теории турбулентного горения, созданной К. И. Щелкиным, Д. А. Франк-Каменецким и Е. М. Минским. Советские ученые не только использовали шероховатости, но и ставили на пути огненного потока специальные экраны, смотрели, как дополнительные завихрения влияют на эффективность горения.
Эти поиски вскоре нашли многочисленных продолжателей и дали богатые всходы. Благодаря им достигла своего расцвета реактивная авиация, а ракетная техника взяла стремительный разбег.
В 1965 году Я. К. Трошин (Институт химической физики АН СССР), Б. В. Войцеховский и Р. И. Солоухин (Институт гидродинамики Сибирского отделения АН СССР) за цикл работ по газовой детонации удостоены Ленинской премии. И это лишь один из многих примеров, иллюстрирующих судьбу научной эстафеты, принятой у ветеранов-огнепоклонников новым поколением исследователей.
Хрупкая колба с фосфорными парами, взорвавшая канонизированные догмы в химической кинетике…
