Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Камера сгорания реактивного двигателя — узел, обычно самый простой по конструкции и самый сложный по физике процессов. В камерах ТРД авиалайне­ров нет сложных вращающихся деталей, подобных тур­бине или компрессору, которые работают в других частях двигателя. Здесь работает капля.

Как это происходит? Через цепь трансформаций, претерпеваемых жидкой частицей. Эту цепь составляют пять сложносочлененных звеньев: распыливание, полет роя капель, испарение, смешение паров с воздухом и горение. Цепочка сплетена из разнородных по природе процессов, подведомственных многим наукам (гидро­аэромеханике, физике, химии) и называемых в технике элементарными процессами смесеобразования и горе­ния. Анахронизмы, рожденные первым подходом к яв­лению, живучи: в действительности процессы не более элементарны, чем элементарные частицы в атомной физике, и термин выражал лишь уровень тогдашнего знания и мышления. В принципе смесеобразование оди­наково для разных типов двигателей. Но наблюдать его легче и наглядней всего в камере сгорания ПВРД — прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

ПВРД — попросту «летающая труба», где в прохо­дящий воздух подается и сжигается топливо. За такую простоту нужно платить — аппарат с ПВРД (рис. 2) не способен к самостоятельному взлету, ведь у него нет турбины и входного компрессора, как в ТРД, лопатки которого, вращаясь, засасывают воздух из атмосферы, сжимают его и гонят по тракту двигателя. Но если он взлетел с помощью стартового движка — небольшого ЖРД или двигателя на твердом топливе («пороховика») ,— полет будет продолжаться. Набегающий воздух по законам аэродинамики затормозится и сожмется до нужного давления во входном диффузоре, который таким образом заменит компрессор.

Все же первой взлетела не заманчивая своей про­стотой «прямоточка», а ее более сложные собратья — аппараты с ТРД и ЖРД, может быть, в подтвержде­ние мысли Б. Л. Пастернака:

Хоть простота нужнее людям,

Все ж сложное понятней им.

Чтобы «пламенный мотор» тянул многотонный лета­тельный аппарат, его «луженый желудок» — камера сгорания — должен переварить все или почти все топ­ливо. Но какие-то недоиспарившиеся крупные капли могут недогореть, попадая в зоны, бедные воздухом и переобогащенные продуктами сгорания. А химическая реакция привередлива, ей подавай определенную про­порцию масс компонентов — воздуха и топлива. В еди­нице смеси выделится максимум тепловой энергии, и тяга двигателя будет наибольшей, если на каждый килограмм углеводородного топлива (бензина, кероси­на) затратить примерно 15 килограммов воздуха. Самые «комфортные» условия для реакции горения будут, если такое соотношение окажется выполненным в каждой точке потока. Если же перемешивание компонентов не­достаточно равномерно, химия «сработает» не пол­ностью, несгоревшие частицы вылетят из двигателя, унося часть энергии, и тяга упадет. К тому же всей «драме жизни» капли положено уложиться на сравни­тельно коротком интервале камеры (в длинной-то каме­ре она рано или поздно сгорела бы), так как авиация и ракетная техника требуют предельной легкости и ком­пактности конструкций. Перед наукой смесеобразова­ния и горения встает непростая задача: в малые доли секунды массу топлива надо тонко измельчить, равно­мерно распределить, испарить, хорошо смешать с воз­духом и полностью сжечь. А чтобы рассчитать и сде­лать под это «тонко» и «хорошо» камеру сгорания, не­обходимо знать, кроме многого другого, весь набор капель, или иначе спектр распыливания форсункой.

***

В нашей лаборатории неделями, не принося особых радостей, шли стендовые испытания модели прямоточ­ного двигателя. Сегодня был опять неудачный запуск — что-то не так в системе смесеобразования или горения. Капли топлива из форсунок не хотели воспламеняться. Горючая смесь, как будто издеваясь над своим назва­нием, не горела, а просто гасила электроискру, зали­вая электроды в нашем поджигающем устройстве, за­ключенном в экранирующую трубку. Если же пламя вдруг робко вспыхивало, его наотмашь гасил мощный поток воздуха.

—  

Что будем делать?

Мы хмуро обступили ведущего инженера огневого стенда. Уныло протянулась через всю лабораторию не­сработавшая камера с присоединенным воздухопроводом.

В паутине проводов и шлангов она казалась большим мертвым питоном, попавшим в сети. Металлическая по­верхность кишки противно холодила руки.

— Тоже мне, горячий стенд называется,— механик потирал пахнувшие бензином пальцы, уставшие от без­успешного нажатия кнопки включения.— От него даже не прикуришь!

— Разойдемся по рабочим местам,— сказал веду­щий.— Надо снова все продумать, посмотреть протоко­лы прошлых опытов, ведь при каких-то скоростях воз­духа камера хоть поначалу включается...

— Уже смотрели: цифры пляшут — никакой законо­мерности, придется менять что-то в схеме, нужна новая идея.

— Имеем одну такую... «Вы просите песен, их есть у меня»,— с одесским напевным акцентом сказал мо­лодой конструктор Д. Он провел детство в Одессе и любил «играть под одессита».

— Ну высказывайся, какая идея?

— Не так сразу... А что делают, закуривая на ветру?

— Нельзя ли без одесских загадок и не вопросом на вопрос? Их у нас и без тебя хватает, давай конкрет­ное предложение.

— Хорошо заданный вопрос — половина ответа.

Д. поискал взглядом нашей поддержки, но мы, всегда понимавшие друг друга с полуслова, на этот раз, утомленные неудачами, ответили лишь унылым молчанием.

— Так. Я, кажется, в вагоне для некурящих...

— Ладно, на сегодня разговорчики кончаем,— рас­сердился ведущий.— Завтра пусть Д. доложит свои со­ображения, но без этих штучек, обоснованно и со схе­мой двигателя.

Перед концом рабочего дня Д. подошел ко мне и попросил материалы по распылителям.

— Все-таки наш ведущий — изрядный чурбан.

— Не ругайся, ведь он отвечает за объект, и с него будут снимать стружку. Пошли домой.

— Нет, я немного задержусь...

Утром следующего дня началось оперативное сове­щание. Пришли соседи из КБ. Докладчик, подтянутый, серьезный, с чуть утомленными, покрасневшими глазами, стоял около кульмана. Он картинным жестом со­рвал прикрывающий лист, и на доске открылась краси­во вычерченная схема ПВРД.

«Когда только успел? Значит, работал ночью». Я следил за четким, без вчерашних одесских словечек, докладом. Картину за. картиной я постепенно и отчет­ливо представил все сложное сплетение явлений в двигателе. На входе в камеру стоит коллектор из цен­тробежных форсунок. Они выбрасывают «бутоны» топ­ливных конусов, которые мгновенно выворачивает «на­изнанку» поток воздуха. Еще не зная законов распыливания, мы интуитивно понимали: встречное расположение струй улучшает обдув и дробление капель.

— Пусть скорость воздуха 80 м/с и давление пода­чи керосина приличное — 50 атмосфер. Это значит, ско­рость истечения около 100 м/с. Но если впрыск по по­току, скорости вычитаются и относительная скорость близка к арифметической разности 20 м/с. Если же впрыск противоточный, скорость обдува близка к сум­ме, то есть к 180 м/с. В этом случае поток сразу раз­дробит струю на мелкие капельки.

Докладчик переносит указку в нижний левый угол кульмана — узнаю свою прикнопленную фотографию, моментальный снимок с большим увеличением фраг­мента факела распыла в пяти сантиметрах от точки впрыска, на самом развороте жидкости. Факел напоми­нает разрыв снаряда на рой осколков: черное пятно — недра зоны переобогащенной смеси, там концентрация жидкости максимальна, а воздуха мало. Далее смесеоб­разование развивается в «холодном» участке камеры (см. рис. 2), где еще нет горения. Капли летят и «ху­деют», отдавая пар в окружающий поток. Следова­ло бы рассчитать интервал испарения жидкости и уста­новить коллектор нужного сечения, но пока это нам не под силу: размер капель