Пламя и взрыв

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: