Помоги проекту - поделись книгой:
П. Т. АСТАШЕНКОВ
ПЛАМЯ И ВЗРЫВ
© ПОЛИТИЗДАТ, 1974 г.
Великого прогресса достигла наука. Радостно сознавать, что в этом прогрессе огромная роль принадлежит советскому народу, что страна победившего социализма первой открыла эру использования атомной энергии в мирных целях, первой проложила путь в космическое пространство.
В 1963 году на прилавках наших книжных магазинов появилась увлекательная «Физика микромира», сразу же привлекшая внимание читателей. Разумеется, не обошли ее вниманием и физики. «Книга отличалась от всего, что выходило на эту тему, — вспоминал один из создателей первого в Советском Союзе урано-графитового реактора, И. С. Панасюк, — мастерски рассказывала о строении атомов, атомных ядер, об элементарных частицах. Я попросту восхитился и содержанием, и стилем».
На очередном теоретическом семинаре в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова Панасюк поделился своим восторгом с известным советским физиком Г. Н. Флёровым, а заодно и поинтересовался, не знает ли он автора этой замечательной книги — К. И. Щелкина.
— И вы не знаете автора! — удивился Флёров, окидывая взглядом зал. — Да вот же он сидит, — кивнул на полного, не многим более пятидесяти лет человека с крупными чертами лица, который вскоре принял живейшее участие в обсуждении проблемы.
В перерыве Панасюк подошел к Щелкину, представился, похвалил книгу и пригласил вступить в общество «Знание», отделение которого он возглавлял в Курчатовском институте. Его новый знакомый охотно согласился.
«Начали давать ему задания, — не без смущения рассказывал И. С. Панасюк. — Я не знал, где и кем он работал прежде. И Кирилл Иванович сам об этом ничего не говорил. Исправно брал путевки на лекции и отправлялся то на Трехгорку, то в клуб военного городка, то на автозавод. И отовсюду посыпались отзывы, один восторженней другого. Надо, думаю, самому послушать эти лекции. Поехал в один заводской клуб и убедился, сколь захватывающе умел рассказывать Кирилл Иванович об атомной энергии.
К 1 мая мы решили отметить Кирилла Ивановича премией как отличного пропагандиста, а портрет его поместить на Доску почета. И вот, когда получили от фотографов портрет, увидели на груди нашего скромного лектора три звезды Героя Социалистического Труда. Сразу позвонили бывшему помощнику Курчатова Д. С. Переверзеву:
— Ты знаешь Щелкина?
— Как же: ближайший соратник Игоря Васильевича. К сожалению, он серьезно болен, на пенсии…
Мы так и обмерли. Такого человека гоняли на лекции к черту на кулички! И ведь ни разу не возразил! Шел, куда посылали, выступал с охотой, с подъемом, с гордостью за нашу науку!
Когда я попытался извиниться, что так получилось, Кирилл Иванович прервал меня, перевел разговор на другое. Потом его сделали членом методического совета секции физики и математики Всесоюзного общества, но он по-прежнему оставался в нашей организации самым активным лектором».
Искать свой путь!
Завершался десятый опыт. Монотонно гудел трансформатор, тревожным заревом отливала труба, в которой металось пламя. По желтым шкалам приборов Кирилл пытался предугадать, перейдет ли горение во взрыв.
Было душно. «Как в июльский полдень у нас в Крыму», — подумал он и на секунду мысленно перенесся туда, откуда недавно приехал и где остались его мать, сестра, жена Лиля. Как быстро прошел день!
У дальней стены лаборатории тускло отсвечивали металлом шкафы — словно барьер, отдаливший его от прежней жизни. Вслушиваясь в монотонную песню трансформатора, Кирилл думал о том, что напишет жене сегодня.
«Лилюша, почему ты не пишешь? Я тебе послал два письма (это третье), а ответа от тебя нет — уже стал беспокоиться. Наверное, наврал в адресе…»
Уже около месяца он работал лаборантом в Институте химической физики, в группе газовых взрывов. Работа очень нравилась, он решил во что бы то ни стало остаться верным ей, какие бы трудности ни пришлось для этого преодолеть.
«…Откровенно говоря, очень скучаю по тебе. Сегодня, когда фотографировали один взрыв, я включил ток (15 000 вольт), вспомнил о тебе, задумался и забыл выключить…»
Когда Кирилл спохватился и выключил ток, пленка уже испортилась, больше того, лопнуло толстенное стекло и разлетелось по всей комнате. Шум был, как при стрельбе из пушки. После долго звенело в ушах; впрочем, для него лично все обошлось «мирно» — лишь отбросило на пол воздушной волной.
После того как он начал ставить опыты по горению и взрывам, само его существование стало напоминать эти бурно протекающие реакции. Увлекательно, лестно было приобщаться к опытам с пламенем, которое так высоко ценится человечеством. В «Диалектике природы» он нашел и подчеркнул фразу: «Только научившись добывать огонь… люди впервые заставили служить себе некоторую неорганическую силу природы». Добывание огня содействовало прогрессу науки, техники, культуры, применение его движущей силы стало душой машинной индустрии.
Он так увлекся горением, что вполне мог бы сказать вместе с поэтом восторженными стихами:
Но вот переход пламени во взрыв… — страшная вещь. Частые взрывы в угольных шахтах заставили ученых многих стран заняться изучением принципов распространения пламени в трубах.
Таящийся в каждом угольном пласту метан высвобождался при добыче угля и, смешавшись с воздухом, легко воспламенялся. Это и порождало взрывы, распространявшиеся иногда на километры, даже если на их пути уже не было никакого горючего газа, лишь каменноугольная пыль тонким слоем покрывала стены выработок. Как научиться предупреждать переход горения во взрыв? На этот и множество других вопросов предстояло ответить науке о горении.
Познакомившись со всеми шестью научными группами организованного уже тогда известным физиком Н. Н. Семеновым Института химической физики, Кирилл понял, что главное место в их исследованиях занимает именно изучение горения. Объяснение этому он видел в потребностях огромного народного хозяйства — ведь пламя бушевало во многих тысячах топок паровозов и пароходов, домнах, котельных, двигателях внутреннего сгорания.
В поисках молодых научных сил посланцы Н. Н. Семенова объездили немало городов страны. Из разных мест съезжались в Ленинград молодые физики и химики, некоторым из них даже не удалось завершить высшее образование. «Мне-то легче, думал Щелкин, — успел закончить институт».
Директор института Н. Н. Семенов показался Кириллу очень сдержанным и строгим. Худощавое лицо, большие внимательные глаза, спокойный, без модуляций голос. Все говорило об уверенности, скрытой энергии и воле.
— Будете работать у Соколика, в лаборатории газовых взрывов, — решил Семенов. — Предстоит вооружиться терпением и последовательно проанализировать научно простейшие явления, из которых складываются сложные.
Чтобы лучше понять суть изучаемых им во множестве научных публикаций, Кирилл прочитывал их всегда по нескольку раз, тщательно проверяя все расчеты. Сам того не зная, он следовал наиболее верному методу подготовки к научной работе; уже позже он не раз слышал советы виднейших физиков молодежи: «Необходимо самим выполнять вычисления, не предоставлять их авторам читаемых книг».
«Ох, математика, как ты мне теперь нужна», — сокрушался Кирилл. И принял твердое решение: «Надо заняться ею как следует».
Вспоминая далекий 1932 год, Щелкин напишет впоследствии: «В Институте химической физики я обнаружил, что мое образование имеет серьезные пробелы. Для уменьшения этих пробелов я три года— с 1932 по 1935 — посещал лекции по математике и механике на инженерно-физическом факультете Ленинградского политехнического института и слушал курсы, читавшиеся для аспирантов…»
За этим словом «обнаружил» стоят часы и дни раздумий и поисков. Однако, похоже, именно те раздумья и были началом увлечения наукой, которое сходно с одержимостью. Об одержимости говорят, что это страсть к познанию, к большому деянию, свободная от помыслов о собственной выгоде. Несомненные признаки этой неудержимой страсти к познанию проявились у молодого Щелкина. Обычно он кончал работу в лаборатории, когда светлели окна и из темноты проступали контуры деревьев. Так постепенно во время проявления проступает изображение на фотопленке.
Фотопленка… Это было тогда почти единственное средство отображения распространяющегося пламени.
В прозрачной горизонтальной трубе, наполненной смесью горючих газов, движется пламя, возникшее у одного из ее концов. Изображение пламени фиксируется на фотопленку. Поскольку труба горизонтальна, движущееся в ней пламя оставляет на ленте горизонтальный след. Этот след может быть очень тонкой линией, если между трубой и пленкой установить экран с узкой щелью.
Но что может объяснить одна линия? Только то, что пламя действительно пробежало по трубе. Это все равно что зафиксировать путь лодки в сильном течении. Чтобы судить о скорости течения, надо зафиксированный путь сопоставить с путем лодки в спокойной воде. Тогда по углу отклонения можно судить о скорости течения.
Желая определить скорость пламени, фотопленку заставляют двигаться вертикально. Тогда на ней возникает наклонная линия. По углу ее наклона к горизонту и судят о скорости пламени.
Но нельзя быстро двигать пленку — она ведь непрочна. Оказалось, что лучше использовать вращающийся барабан с зеркалами, отражающими пламя в каждый момент его движения на неподвижную пленку.
— На этих установках, — показывал на барабанные фоторегистраторы руководитель группы, знакомя с ними своих новых сотрудников, — французские химики в тысяча восемьсот восемьдесят первом году обнаружили распространение пламени в газах с равномерной, вполне определенной для каждого состава горючего огромной скоростью. Два-три километра в секунду, в несколько раз больше скорости звука! Так была открыта детонация! — торжественно заключил А. С. Соколик.
О работах французских ученых по горению и детонации Кирилл слышал, еще будучи студентом. А вот о трудах наших отечественных ученых узнал только здесь, в институте. Между тем оказалось, что первая теория нормального горения была разработана именно в России. Ее автор — Владимир Александрович Михельсон — еще в 1890 году защитил диссертацию на тему «О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей». Блестяще начав научное объяснение процессов горения и детонации, он, однако, затем отошел от этой проблематики. И вот теперь ее разрабатывали советские ученые во главе с Н. Н. Семеновым.
Группа научных сотрудников, в которую входил Кирилл, занималась переходом горения газовых смесей в детонацию и взрыв.
Наблюдая за движением пламени в трубах, они определяли скорость его распространения в зависимости от состава смеси, давления, начальной температуры. Пламя могло двигаться медленно, как пешеход, или лететь со сверхзвуковой скоростью. В первом случае горение называют нормальным: тепло от пламени медленно передается в несгоревшее вещество, нагревает его, и фронт пламени постепенно продвигается вперед.
Совсем иная картина, когда пламя «летит». Стремительное горение и есть детонация, резко повышающая давление в газовой смеси. При детонации, как и при взрыве, сжатие и движение газов передаются все более и более удаленным слоям, образуется возмущение газов в виде волны. При взрыве ее называют ударной волной.
Кирилл обратил внимание на то, что ударная волна была открыта математически. «Не зря я решил серьезно заняться математикой!» — с удовлетворением подумал он тогда.
В 1848 году англичанин Д. Стокс, думая над уравнением, определяющим распределение в пространстве давления, плотности и скорости газа, получил необычный результат. Выходило, что при определенных условиях возникает разрыв непрерывности распределения давления, плотности и скорости газов. Много лет спустя ученые Б. Риман, В. Ранкин, А. Гюгонье выяснили условия, при которых разрыв способен устойчиво распространяться. Этот обнаруженный теоретиками разрыв, который называют ударной волной, и является главной причиной разрушений.
Склонный к образному мышлению, Кирилл видел за словами «разрыв непрерывности», «ударная волна» картину памятного по детским впечатлениям водопада в горах Армении: с огромной высоты низвергаются массы пенящейся воды, сотрясая гулом окрестности. Вот что значит разрыв постепенности в течении реки. Перепад высоты, как перепад давления в ударной волне, определяет разрушительную силу водопада.
Возникшая в трубе волна движется с огромной скоростью. Приходя в ту или иную точку, она вызывает резкое повышение плотности, температуры и давления, и газ тоже начинает двигаться в направлении ее распространения с большой скоростью. При взрыве скорость волны, как уже говорилось, постепенно затухает. При детонации, например, в газовой смеси она не затухает, а поддерживается, так как ее «питает» энергия горения. В этом случае говорят не об ударной, а детонационной волне. Детонационная волна обладает значительным разрушительным действием, в особенности в местах отражения от препятствий.
К моменту, когда Кирилл встретился с детонацией, она уже давно применялась в военном деле при использовании твердых и жидких взрывчатых веществ. Детонация же в газовых смесях не находила применения в технике. Напротив, с нею боролись, боролись в горнодобывающей промышленности, в двигателях внутреннего сгорания. И вот наступил день, когда Кирилл сказал руководителю группы:
— Не хочу больше быть на подхвате, прошу самостоятельной работы.
— Что вы! Рано! — замахал руками Абрам Соломонович.
— А вы проверьте.
— Экзамен? — пошутил руководитель. Но вызов принял.
Отыскал фотографии, оставшиеся от опытов, протянул Кириллу:
— Покажите, где началась детонация?
Щелкин показал точку на яркой линии — след пламени детонационной волны.
— А если бы линия проходила так?.. — усложнил задачу Соколик.
Он слушал Щелкина, обхватив пальцами подбородок и все пристальнее вглядываясь в своего молодого сотрудника, словно впервые видел его.
Проговорили они часа два, закончив разговор уже не как экзаменатор и экзаменуемый, а как единомышленники.
— Теперь вижу: ночи сидели не зря. Но ведь так нельзя. Глаза лихорадочно блестят, похудел. В соавторы возьму, если будете спать, — пошутил Соколик.
Им предстояло измерить как можно точнее скорость распространения пламени в смеси метана с кислородом. По утрам Кирилл с особым старанием устанавливал начальное давление газов в трубе, включал ток.
Сверкала искра, пламя вспыхивало и оранжевым сполохом летело по остекленному пространству, а фотоглаз неотрывно следил за ним.
Щелкин наблюдал за этим «полетом» уже столько раз, что рябило в глазах. Пламя полыхало в трубе при разных давлениях и составах горючей смеси.
«Работаю с одним страдальцем на фронте науки, — писал он жене. — Мы с ним возимся вместо 6 часов по 9—И часов в сутки. Я не замечаю, как проходит время. Сегодня у нас взорвалась труба».
Но как ни старался Кирилл, в полученных результатах он не видел ни крупицы нового.
Измерения продолжались заведенным порядком. Правда, вскоре Соколик заметил перемену в поведении Щелкина — тот стал пунктуально соблюдать время обеденного перерыва, чего раньше с ним не бывало. Ровно в час выключал рубильники: «Стоп! Пора обедать!» — и, наскоро перекусив, исчезал до конца перерыва. После выяснилось: бегал в поисках угла, где можно было бы поселиться с женой.
В конце июня в дирекцию института поступила записка руководителя группы газовых взрывов: «Ввиду того, что т. Щелкин проявил очень большую работоспособность, проделав в полтора месяца законченное научное исследование, прошу перевести его на должность инженера». И последовала резолюция: «Перевести на должность инженера с 1 июля». Это было первое признание молодого научного работника.
Ранним августовским утром Соколик и Щелкин засели за отчет о своих измерениях. Цифрами были испещрены многие тетради.
— Увязнем мы в этой цифири, — вздохнул Щелкин.
— Так давай выделим данные по одному какому-нибудь показателю, — предложил Соколик.
Щелкину предложение понравилось. И они просидели несколько дней, выявляя этот показатель. Наиболее важным сочли расстояние от искры, зажигающей горючую смесь, до точки возникновения детонации. Кирилл вспомнил при этом авиационное понятие «разбег» — дистанцию, необходимую самолету, чтобы разогнаться и взлететь. Именно по этой характеристике часто сравнивают самолеты. А они решили сравнивать по «разбегу» для возникновения детонации разные горючие смеси.
«Найденные нами закономерности, связывающие расстояние точки детонации от искры с начальным давлением и другими факторами, а также проведенный нами анализ термодинамической теории детонационной волны, — писали Соколик и Щелкин в своем отчете, — представляют серьезные основания для сделанного нами вывода, что наиболее характерной взрывной константой как раз и является это расстояние. Оно дает достаточно простую и в то же время непосредственную характеристику преддетонационного периода и поэтому может сыграть роль величины, характеризующей относительную детонационную способность топливной смеси».
Вдумаемся в эти слова: «найденные нами». Иной научный сотрудник проработает много лет, но так и не добьется морального права произнести их. А Щелкин заслужил это право уже в двадцать один год. Так начался его путь в науку. Казалось бы, можно радоваться удачному началу. Но, несмотря на похвалы Соколика, Кирилл не чувствовал удовлетворения.
«Да, — размышлял он о проделанном опыте, — мы измерили расстояние от места зажигания до точки начала детонации для разных топливных смесей… предложили методику измерения. Все это, может быть, и правильно, и нужно. Но полностью ли проверена, доказана ли категоричность вывода: «найдена взрывная константа». Да константа ли это? А может, она меняется под влиянием таких условий распространения пламени, которых мы не учли, не предусмотрели?»
Соколик, торопившийся выполнить утвержденный для группы план экспериментов, не дал Кириллу времени на раздумья. Нужно было начинать новый опыт, выяснить, как действуют вещества, которые рекомендуются для борьбы с детонацией в двигателях внутреннего сгорания.
Как проявляла себя детонация в двигателе? Громким «стуком», перегревом двигателя и даже его повреждением. Стоило водителю заправить бак машины бензином пониженного качества, как при форсировании двигателя раздавался металлический стук различной силы, от едва различимого до сотрясающих ударов, будто по двигателю колотят молотом. «Стучат пальцы», — объясняли некоторые («палец» связывает поршень с шатуном). Первым делом Щелкин и Соколик испробовали получавший все большее распространение «успокоитель» — вещество с трудным названием: тетраэтилсвинец.
Стук становился слабее, так как добавка «успокоителя» к бензину сильно подавляла детонацию.
Но каким путем влияет «успокоитель» на возникновение и развитие детонационной волны? Не тем ли, что способствует реакции окисления перед фронтом пламени?..
Выяснив некоторые детали характеристик топлив с точки зрения их устойчивости к детонации, Соколик предложил писать отчет.
Кирилл даже не сразу понял, о чем говорит старший коллега. Сейчас, казалось ему, только предстояло развернуть настоящее исследование, ведь прояснялось «поведение» антидетонатора.
— Нам поставлена конкретная задача: дать опытные данные и высказать свои предположения, понимаешь — предположения! — убеждал Соколик. — Это мы сделали. И нечего мудрить. Теоретики и без нас разберутся.
Спорить с руководителем группы было бесполезно. Но чувство неудовлетворенности, оставшееся у Кирилла после выполненной работы, еще более усилилось.
«У нас много толкуют о том, что молодые кадры плохо и медленно растут, — говорил он на партийном собрании института. — Известно, что люди растут и крепнут на настоящей работе. Для того чтобы научный сотрудник рос, он должен самостоятельно выполнять весь цикл научного исследования — от изучения задания до разработки методики, математического и литературного оформления своей работы.
У нас делается иначе. Например, в нашей лаборатории, когда экспериментальная часть готова, руководитель берет этот материал и пишет статью или просто диктует ее сотруднику. Таким образом, создается отношение к работнику, как к исполнителю, простому экспериментатору…»
В Ленинградском отделении архива Академии наук хранится статья К И. Щелкина, которая подтверждает, что его притязания на углубленные исследования были не беспочвенны. Уже тогда он проник в самую суть современных методов изучения газовых взрывов, не только в трубах, но и непосредственно в двигателях. Для этого, рекомендует он в своей статье, в головке цилиндра мотора «прорубается» узкое оконце и закрывается кварцевой пластинкой. Фотоаппарат укрепляется возле окошка. «Заглянув» в работающий мотор, ученые могли убедиться в полной аналогии механизма распространения горения в двигателе и в экспериментальных трубах.
«За границей изучение горения ведется уже свыше пятидесяти лет, в СССР около двух лет, — отмечает Щелкин в заключении этой научной работы. — Весьма желательно, чтобы институты и лаборатории, работающие в области горения применительно к эксплуатации и конструированию двигателей внутреннего сгорания и к шахтной безопасности, воспользовались вышеописанными методами, давшими уже много плодотворных результатов».
По плану работ Щелкину предстояло поставить опыт и измерить скорость с точностью, которой еще не бывало. «Что-то надо делать с трубой, чтобы обеспечить эту повышенную точность», — раздумывал Щелкин, набрасывая эскиз за эскизом. А что, если идти к наивысшей точности методом сравнения?
— Возьмем не одну стеклянную трубу, а две, — объяснял он свою идею Соколику, — и пусть два пламени распространяются в одну сторону со сдвигом…
— Ну и что?
— Как «что»?..
— Пусть до одной стеклянной трубы у пламени будет путь короткий, длиной метров в пять. Этого вполне достаточно, чтобы началась детонация… А ко второй трубе пламя пойдет более долгим путем, заставим его пройти метров на шестнадцать больше. Пленка зафиксирует оба пламени, и мы определим время по промежутку между их фотографиями.
Они получили скорости детонационной волны для смесей, горящих с уменьшением объема (водород+ + кислород) и без изменения объема (метан + кислород). Определили значения для разных давлений, от атмосферного до минимального, при котором возможна детонация, уточнили то, что было опубликовано специалистами прежде. Но и теперь Кирилла не покидало беспокойство: сколько можно собирать факты, не объясняя их сути?
Этими мыслями он делился с переехавшей в Ленинград женой. Найти угол Кириллу так и не удалось, и они обитали в лаборатории. Это была, наверное, единственная в Ленинграде «лабораторная» семья. Днем помещение гудело от пламени, здесь скрежетал металл, щелкали фоторегистраторы. Ночью на лабораторном столе раскидывалась серая шуба, — не сразу удалось разжиться матрацем.
Позже, когда у них уже родился сын, институт выделил Щелкиным комнату на окраине — в Сосновке, на Приютской улице. «Приютская — приюти!» — шутил Кирилл Иванович, направляясь домой. «Приют» был не из лучших: без водопровода, отопления. Комната маленькая. Как поместимся вчетвером? — размышлял Кирилл. Ведь ждали еще и его мать, чтобы смогла присмотреть за Феликсом…
На Приютской они прожили полтора года, пока институт не построил новый жилой дом на Ольгинской улице. Профком выделил Кириллу Ивановичу две комнаты в трехкомнатной квартире.
В день переезда на новую квартиру Кирилл Иванович отправился на работу пораньше. Однако в их лаборатории уже горел свет. Что за оказия? Он осторожно приоткрыл дверь. Знакомая картина! Недавно принятый на работу препаратор убирал со стола одеяло. Конечно, тоже ночевал в лаборатории.
Поделиться книгой: