Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Новые, невиданные двигатели строились, опережая едва зарождающуюся науку о рабочих процессах, происходящих в них,— так часто случается при быстром развитии техники. Смелый бросок инженерной мысли опережает точный расчет, опирается на первых порах лишь на интуицию и приближенные рассуждения. Некоторые узлы двигателей — плоды «голой» эмпирики, долгой отработки без глубокого понимания природы сложных явлений, с которыми столкнулись инженеры.

Как известно, ТРД большинства самолетов — от многоместного пассажирского до истребителя-перехват­чика — это большая труба-сигара со сложной начинкой (рис. 1). При полете через воздухозаборник в нее нагнетает воздух многоступенчатый входной компрессор. Он вращается на центральной оси и похож на дет­скую пирамидку с «кружочками» метрового диаметра, с лопатками и с «колпачком» пирамидки — передним коком-обтекателем.

Поток попадает в камеры сгорания — трубки, распо­ложенные внутри венцом по окружности. В каждой ка­мере— форсунка, разбрызгивающая топливо, источник энергии двигателя.

Его надо сжечь, но в необычных и сложных условиях ураганного газового потока. В камере химическая энергия топлива перейдет в тепло, нагреет и разгонит газ. Далее поток пройдет сквозь тур­бину, заставит ее вращаться, а вместе с нею и ком­прессор. И уж затем поток сжатых газов вырвется из выходного сопла двигателя, и по законам механики самолет или ракета получит импульс движения в противоположную сторону.

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.