Мощность и тяга современных ЖРД очень велики. Пять двигателей первой ступени американской ракеты «Сатурн», забросившей «Аполлоны» на Луну, имели тягу около 600 тонн каждый.
Приведем некоторые цифры для характеристики таких мастодонтов современной ракетно-космической техники, как «Сатурн-V» (двигатель F-1). Мощность одного двигателя первой ступени оценим по параметрам реактивной струи. Массовый расход компонентов G (керосин и жидкий кислород) составляет примерно 2650 кг/с, а скорость истечения газов из сопла двигателя w достигает примерно 2400 м/с. Тогда мощность газовой струи оказывается равной 7.6-103 МВт :
Таким образом, двигатель диаметром около метра развивает мощность примерно 10 Днепрогэсов!
Оценим число капель, вылетающих в секунду из форсунок такого двигателя. Секундный расход жидкости равен произведению числа капель п на среднюю плотность жидкости ρср и объем капли:
Если принять средний диаметр капли в спектре распыливания равным 100 мкм, а среднюю плотность равной 1 г/см3, то получим, что
n = 5 х 1012 капель в секунду. Такой невероятный рой капель рождается в секунду примерно из 6000 распылителей форсуночной головки, питая бушующее пламя камеры.
Упомянем еще один класс двигателей—РДТТ: ракетные двигатели твердого топлива — дальнейшее развитие древней пороховой техники. Главные части здесь — тоже камера сгорания и сопло, но в камеру заложен заряд твердого топлива сравнительно медленного горения. Заряд содержит оба компонента — горючее и окислитель. Наша знаменитая «Катюша» — пример твердотопливной ракеты.
— Но капель в РДТТ нет? — может спросить внимательный читатель.
Представьте, есть, но это особые, «железные» капли. Для повышения тяги ракеты иногда увеличивают калорийность топлива, закладывая в него мелкие частицы алюминия. Сгорая, они выделяют много тепла и превращаются в мельчайшие капельки окисла — Аl2О3. Сделав свое полезное дело, они потом становятся балластом. Хотя общая выгода получена, потоку газов приходится возвращать «сдачу» — часть своей энергии— на разгон и вынос частиц из сопла. Такие потери называются двухфазными (первая фаза— газ, вторая фаза — твердые или жидкие частицы); их надо уметь рассчитывать, а для этого надо знать диаметры частиц. И вот мы снова пришли к спектру капелек, только из окисла металла, которые обычно меньше, чем капли в ВРД. Механизм образования спектра здесь другой. Капли жидкого горючего — результат распада струй, капли окислов — продукт конденсации в жидкость из газообразного состояния, и поэтому их называют конденсатом.
Архитектура из света и капель
Между тем затянувшаяся охота за каплей продолжалась, но шла пока без особого успеха. Оказалось совсем не просто измерить мелкую, иногда микронных размеров, частицу, летящую со скоростями 50—100 м/с. Дело усугублялось широтой спектра диаметров частиц. Имевшиеся в литературе способы измерений в двигателях внутреннего сгорания нам не подходили.
Обычно рабочий день начинался с открытия. Кто-нибудь приносил очередную «блестящую идею», она представлялась дома такой обещающей, к обеду ее обычно «закрывали» под аккомпанемент беспощадной критики.
В те годы еще не родился метод «мозгового штурма», метод психической мобилизации творческой мысли в коллективе. Но мы, начинающие исследователи, нащупывали его интуитивно. Из шутки, смеха, «всеобщего трепа» постепенно вырастал серьезный разговор. Как-то сам собой возник обычай свободно высказывать любые безумные или смехотворные предположения и идеи. Поначалу слушатели не без труда воздерживались от зубастых, ехидных замечаний, на которые все были горазды. Но наш руководитель установил правило — отбор и строгая критика отодвигались на последующую дискуссию, когда набирался запас предложений (теперь психологи так и поступают).
— Надо ловить каплю на излете в какую-то мягкую подушку, чтобы не дробилась. Я думаю, подойдет паутина...
— Отлично, берем проволочные рамки и айда на чердак.
— Нет, так нельзя... нужно по плану. Рамки пока раздаем уборщицам... а нам всем оформить командировку на завтра в Серебряный бор, там в лесу паутина — залюбуешься.
— Заведем казенного паука, будет новое лабораторное оборудование; использование пауков в технике — авторское свидетельство. Пусть завхоз ставит его на довольствие, как нашу серую Мурку...
Возникала атмосфера раскованности; шутка, игра помогали ломать жесткий стереотип привычной мысли. Нам тогда не грозила опасность впасть в бездумную болтовню. Всех будоражили, тонизировали каждодневные сообщения о новых технических идеях, конструкциях, полетах, об успешных действиях наших Илов, штурмовиков с кинжальными эрэсами (ракетными снарядами), наших реактивных «Катюш», явно превосходивших немецкие шестиствольные минометы, о наших новых типах пороховых ракет, которые иногда запускались прямо с деревянной тарой («Русские бросаются сараями!»— вопили фашисты).
В издававшемся тогда журнале «Британский союзник» появились эффективные чертежи-рисунки первых турбореактивных двигателей. Но старые опытные цаговцы предостерегающе качали головами:
— Не очень доверяйтесь, здесь поработало бюро искажений.
Мы всматривались в них квадрат за квадратом, как в загадочные картинки — «найти взломщика», но так и не находили. Позже, когда мы работали уже в другом институте, появились первые трофейные немецкие ТРД и огромные, как нам тогда казалось, марсианского вида ФАУ-2...
Мы сбились с ног в поисках материалов для улавливания капель. Пробовались новые по тем временам пластики и полимеры, пористый пенопласт, желеобразные среды (гели), смолы, различные пасты вплоть до гуталина, который был тогда дефицитом.
Пока же опыты ставились на модельной установке, капли распыленной воды улавливались в касторовое масло. Каждую пробу, приходилось утомительно и кропотливо обрабатывать под микроскопом. Способ годился для условного сопоставления форсунок по качеству распыливания, но не для измерения частиц реального топлива в камерах. Кто-то однажды предложил:
— Хватит ловить капли, как мух на липкую бумагу. Применим метод моментальной, искровой фотографии.
Он уже тогда был достаточно усовершенствован. Время экспозиции, то есть вспышки искры, составляло 10-5—10-6 с. Экспериментатор, жаждавший остановить мчащуюся каплю, мог скомандовать: «Остановись, мгновение, ты прекрасно!» Метод позволил впоследствии многое разглядеть и понять в самом явлении распада, но для систематических измерений не пошел. Вступили в противоречие два главных требования — точность замеров и массовость объектов. Для хороших измерений нужен увеличенный портрет капли. По законам оптики укрупнение масштабов изображения оплачивается уменьшением глубины резкости и сужением поля зрения. Из массы летящих капель объектив фотоаппарата выберет несколько резко сфокусированных, остальные получатся размытыми пятнами — не напасешься дефицитной мелкозернистой пленки.
Тут как раз и подоспело мое предложение использовать радугу. В литературе по метеорологической оптике я отыскал теорию радуги, ее создал известный английский астроном и физик Эри (1801—1892).
Простой принцип этой дивной архитектуры из солнечного света и капель совсем нетрудно понять. Наблюдатель видит радугу, стоя спиной к солнцу (рис. 6). Лучи солнца претерпевают в каплях полное внутреннее отражение и возвращаются обратно к зрителю под определенным углом. Это сопровождается дисперсией — капли «работают» как миниатюрные призмы, разлагая свет на цвета исходного спектра, от красного до фиолетового. На рис. 6 одна из капель и ход лучей в ней показаны крупным планом.