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 акаде мика 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 —
