Шрифт:
Теория Эри мне очень понравилась. Все было так красиво и просто, а главное, подтвердилась моя надежда: теория давала нужную зависимость. Это была связь углового расстояния между соседними максимумами световых интенсивностей (для каждого цвета) и диаметром капли. «Теперь ясно, как ставить опыт,— мне необходима монохроматическая (одноцветная) радуга».
Я работал все дни до 10 вечера, и в неделю мы собрали простую оптическую установку в темной комнате на пятом этаже. Всем не терпелось проверить правильность идеи. «Солнцем» служил межэлектродный промежуток вольтовой дуги, помещенный в фокусе большого конденсора. Красный светофильтр (иных не нашлось) отсекал все другие цвета, потому и требовался очень яркий источник. Под форсункой стояло устройство с улавливателем капель в касторовое масло для контрольного измерения. Все было готово. Мы застыли в полной темноте и тишине ожидания. Сердце у меня колотилось, казалось, о стены комнатки — выйдет или не выйдет этот первый в жизни самостоятельный эксперимент?
— Давай давление воды... держи десять атмосфер, включай рубильник...
На бисерных нитях конуса распыливания небольшой центробежной форсунки повисли бледные, но ясно различимые красные дуги комнатной радуги, разделенные темным промежутком, как и предписывала теория. Мне самодельная радуга показалась прекрасней многоцветной, естественной.
Все были довольны — «момент истины», когда реальность совпадает с предсказанием теории, доставляет какую-то детскую радость. Дескать, фокус удался, хотя вы читали о нем и знаете, как это делается. На другой день я вычислил диаметры капель по формуле радуги, через измеренное угловое расстояние между ее первым и вторым кольцом. Потом мы обработали пробу капель, уловленных в касторовое масло,— данные обоих измерений неплохо согласовывались.
Итак, мои радужные надежды оправдались. Метод давал величину, близкую к среднеарифметической величине диаметров капель в спектре распыливания.
Природа образует радугу не на любой жидкости — все зависит от величины коэффициента преломления. Но керосиновая радуга оказалась в числе «разрешенных». Это уже сулило практический результат, так как керосин применялся в ТРД. (Правда, запротестовали пожарники, требуя для опытов более сложной взрывобезопасной установки.) Конечно, до решения всей капельной проблемы было еще очень далеко. Для понимания физики распыливания и создания расчета смесеобразования требовалось определение всего спектра частиц. Но теперь хоть можно было определять и довольно просто средние значения диаметров капель спектра.
Глава II
ОХОТА ЗА КАПЛЕЙ
В поисках уравнений
Начальник одной из лабораторий ЦАГИ и наш научный руководитель Генрих Наумович Абрамович предложил мне написать статью. Я писал ее в состоянии внутреннего подъема. Мне нравилась радуга, ее теория, мир капель и вообще весь мир. Статья содержала такой перл: «Теория Эри по своей красоте и изяществу может соперничать с явлением, ею описываемым». Мой товарищ по работе инженер Л. А. Клячко, острослов, не без ехидства выдернул эту фразу из текста, как смешную редиску из грядки, и бегал с нею по всем комнатам, потешая сотрудников. Через несколько лет мы поквитались. Отыскался в его статье соответствующий перл: «Кривая концентраций топлива для форсунки имеет двугорбый характер» (автор имел в виду наличие двух максимумов).
Нам, начинающим, повезло на начальников и научных руководителей. Генрих Наумович Абрамович, сам ненамного старше нас, был тогда уже видным исследователем и автором известных работ по теории свободной струи. Много позже на одном из его юбилеев кто-то сострил: «50 лет в струю», вкладывая в эти слова два подтекста. Один говорил о преданности делу — по ассоциации с книгой генерала Игнатьева «50 лет в строю», другой — об умении юбиляра находить нужные, актуальные задачи. Г. Н. Абрамович — один из создателей советской школы аэрогидромеханики. «Генрих», как мы его звали, живой, привлекательный, руководил ненавязчиво, требуя от нас лишь инициативы и самостоятельности. Генрих Наумович просто и наглядно объяснял суть сложных аэродинамических явлений. «Мы здесь рассудим по-нашему, по-плотницки»,— говорил он, поясняя образование ударной волны в сверхзвуковом течении. Его книга «Прикладная газовая динамика» стала настольной для поколений студентов и инженеров.
В то время он разрабатывал теорию центробежной форсунки, давно и широко применявшейся в технике, но пока не подвластной инженерному расчету. А без форсунки нет ракеты, дождевального агрегата, реактивного самолета, котельной установки и еще многого.
Есть в инженерной практике человечества счастливые находки, «вечные» устройства, решающие задачу простейшим и рациональнейшим образом: колесо, болт с гайкой. Таково и сопло Лаваля — канал в виде раструба на выходе реактивного двигателя, где газ разгоняется до сверхзвуковой скорости. В силу привычки мы не удивляемся античной красоте простых и умных геометрических форм. Кстати, древние греки могли бы получить сверхзвуковую струю воздуха, надув бурдюк, выдерживающий давление около двух атмосфер, и подобрав эмпирически сопло — раструб с определенной площадью горловины, меньшей площади выхода.
Центробежная форсунка — младшая сестра в уникальном семействе устройств, которые скупыми средствами, компактно и внешне просто решают сложную техническую задачу. Как пустить жидкость широко расходящимся конусом мелких капель, чтобы полнее насытить некий объем? Проще всего подать ее тангенциально, то есть по касательной к окружности внутрь отрезка цилиндрической трубы, один конец которой закрыт, другой — сужен до малого отверстия (рис. 7). Получится камера закручивания, в ней жидкость пойдет по винтовым линиям. На выходе они «расплетутся», образовав факел, или конус распыливания. У самого корня это не совсем конус, а поверхность более сложной формы: однополостной гиперболоид (рис. 8).
Течение в камере закручивания не сплошное, а полое, и мы уже видели через стеклянное дно форсунки столбик воздушного вихря. Поэтому струя на выходе из соплового отверстия превращается в кольцевую пелену, ограниченную двумя поверхностями гиперболоида толщиной несколько десятых миллиметра. При очень малых давлениях подачи (порядка десятой доли атмосферы), то есть малых скоростях истечения, капиллярные силы еще конкурируют с гидродинамическими и замыкают пелену в полую эллипсообразную форму, что соответствует так называемому режиму пузыря (рис. 9). Поверхностное натяжение силится вернуть жидкости каплеобразную форму шара — минимум поверхности при заданном объеме (известный принцип минимума поверхностной энергии для равновесной формы жидкости).