Пламя и взрыв

Теперь же речь шла о самолете с воздушно-реактивным двигателем (ВРД). Сердце такого двигателя— камера сгорания. От ее устройства, от организации в ней рабочего процесса зависят надежность и мощь силовой установки. Лучшему пониманию протекающих в камерах сгорания процессов, отысканию возможностей их совершенствования призвано было содействовать исследование горения.

Теорию реактивного двигателя, как известно, разработал советский ученый академик Б. С. Стечкин. Еще в 1929 году он опубликовал серию статей по теории воздушно-реактивного двигателя.

К тому времени, когда вопросами горения в реактивных двигателях занялся К. И. Щелкин, авиаконструкторов интересовали всевозможные камеры сгорания, где в качестве окислителя используется воздух атмосферы.

Откликаясь на эти запросы, Кирилл Иванович предложил новую методику расчета одноклапанного пульсирующего двигателя. Повышение давления в камере сгорания такого двигателя осуществляется за счет использования скоростного напора набегающего воздушного потока. Через форсунки в эту камеру непрерывно подается бензин, а зажигание производится искрой авиационной свечи с частотой 40–50 циклов в секунду. В каждом цикле вследствие повышения давления в камере от сгорания смеси, клапан, впускающий воздух, на время закрывается, а продукты сгорания вытекают через сопло в атмосферу, создавая тягу, разгоняющую аппарат, на котором такой двигатель установлен. «Давление, под которым газы вытекают из камеры сгорания, — установил Щелкин, — зависит от скорости сгорания». Поскольку это так, размышлял ученый, время сгорания не является для данной смеси постоянным, оно будет определяться соотношением скоростей сгорания и истечения. Таким образом, зная закон изменения давления и время сгорания, нетрудно рассчитать характеристики, которые обычно интересуют конструктора.

В научной работе у него всегда впереди шла мысль. Если уж он ставил эксперимент, то лишь действительно необходимый.

«Наука должна очень экономно расходовать средства, — любил говорить он. — Стоит теоретически разобраться — и не надо многих дорогостоящих опытов. Постарайтесь сначала выделить суть явления, очистите его от всего второстепенного, тогда легче будет выразить его математически».

Авторитет Щелкина в коллективе института был так высок, что вскоре после возвращения с фронта его избрали секретарем партийного комитета.

Продолжая исследование горения в реактивном двигателе, он окончательно сформулировал то, что впоследствии получило название модели турбулентного горения. Ранее в расчете одноклапанного двигателя он не указал, каким образом можно усилить интенсивность горения, как увеличить поверхность пламени. Теперь этот изъян был ликвидирован. «Форсировать сгорание, — утверждает Щелкин, — можно с помощью турбулентности».

Перед войной он увидел в турбулентности ускоритель детонации. Теперь Щелкин делал упор на другую особенность турбулентности. Он открыл, что интенсивное разветвление пламени, перемешивание сгоревшего и свежего газа позволяет сжигать большие количества горючих смесей в малых объемах.

Часть его работы «Горение в прямоточном ВРД» увидела свет уже в 1943 году в статье «Сгорание в турбулентном потоке». Очень скоро статья эта стала известна во всем мире. Выводы Щелкина до сих пор лежат в основе представления о процессах, происходящих при форсированном сжигании горючих смесей.

Взвихренный газовый поток как бы «взламывает» гладкий фронт пламени. Поверхность, разделяющая сгоревший и свежий газ во взбудораженном потоке, оказывается сморщенной. В итоге скорость турбулентного распространения пламени становится во столько раз больше нормальной скорости горения, во сколько раз поверхность сморщенного фронта больше гладкой поверхности.

Исследуя общий случай горения в турбулентном потоке, он выяснил конкретно влияние турбулентности на процессы в камере сгорания, вывел формулы для определения скорости горения, высказал советы конструкторам по устройству диффузора и других частей двигателя.

Составной частью общей проблемы создания эффективного воздушно-реактивного двигателя являлась задача обеспечения безотказности его запуска и устойчивости горения.

Запуск двигателя с учетом турбулентности рисовался Щелкину так. После зажигания искрой образуется очаг пламени. Очень маленький. Размером в искровой промежуток, составляющий один-два миллиметра. Масштаб же турбулентности намного больше. От размера искрового промежутка до масштаба турбулентности пламя распространяется медленно — не быстрее четверти метра в секунду. Потом вступает в действие ускоритель-турбулентность, и скорость пламени возрастает примерно в сто раз.