Читаем Пламя и взрыв онлайн бесплатно

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».

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: