КИПЕНИЕ В КОСМОСЕ
Кандидат технических наук А. УЛЬЯНОВ.
В 1883 году К. Э. Циолковский закончил в Боровске книгу «Свободное пространство». В этой книге, наметившей весьма далекие перспективы межпланетных сообщений, есть замечания, и о подъемной силе при невесомости «Хотя закон Архимеда применим к свободному пространству, но все же в свободном пространстве мы не увидим ни потопление, ни всплывание тел. Куски железа или дерева, находящиеся на поверхности или внутри жидкости, не тонут, и не всплывают, но остаются на своем первоначальном месте»
Замените кусок дерева в этом тексте на пузырек пара, и вы получите первое представление о процессе кипения при невесомости, точнее, о том, что никакого кипения в привычном смысле там не будет. Даже простой нагрев жидкости до точки кипения в невесомости представляет проблему. В обычных условиях земного тяготения поднимающиеся со дна сосуда струи горячей (и поэтому более легкой) жидкости быстро прогревают весь ее объем. При невесомости нагретые слои никуда подниматься не будут, и прогреть, например, воду так же трудно, как вату, - настолько низка теплопроводность воды.
В своей «Занимательной физике». Я. И. Перельман, близко знакомый с трудами Циолковского, в качестве недостающей главы романа Ж. Верна «Из пушки на Луну» приводит рассказ «Завтрак в невесомой кухне». Здесь уже есть советы, и по части кипения «Николь предупредил Ардана, чтобы он не доводил температуру воды до 100 градусов, а ограничился несколько пониженной температурой. При - 00 градусах образуется много пара, который, обладая здесь удельным весом, одинаковым с удельным весом воды (оба равны нулю), будет смешиваться с ней в однородную пену». В этом рассказе, написанном еще в 20-х годах, зорко подмечены затруднения, которые, и сейчас пытаются преодолеть конструкторы будущих «космических кухонь» пена действительно представляет сложную проблему космической гидромеханики.
Представьте огромный бак космической ракеты с жидким кислородом или водородом. Как бы совершенна ни была теплоизоляция бака, солнечные лучи или нагрев от двигателя вызовут кипение на стенках этого своеобразного «сосуда Дьюара». В обычных условиях пузырьки поднимутся к свободной поверхности жидкости, а при невесомости?
Известно, что в смачиваемом сосуде жидкость должна прилипать к его стенкам, а пар - располагаться в центре сосуда. Но зарождение, и рост пузырьков, как, и в обычных условиях, происходят не в центре сосуда, а на поверхности, а так, как выталкивающая сила при невесомости исчезает, то описанное идеальное положение может устанавливаться весьма долго. При этом возникает ряд осложнений. Например, в закрытом объеме бака повышается давление, и его нужно уменьшать, стравливая пар за борт. Однако заранее неясно, в, какой точке бака соберется пар -, а вдруг вместо пара в космос будет выбрасываться топливо? По той же причине, если нужно включить центробежный насос для подачи топлива к двигателям, весьма вероятно попадание пара в насос, а в итоге - срыв запуска ракетного двигателя.
Итак, перед космической гидростатикой стоят серьезные задачи по размещению жидкости, и газа в нужных местах бака. Для решения этих проблем можно, например, использовать явление капиллярности - расположить, допустим, по оси бака трубу с отверстиями в стенках; если жидкость смачивающая, то внутрь трубы не будет всасываться пар. Можно вращать ракету, и тем самым достичь сепарации фаз, и т. д. Недавно е США было предложено даже такое экзотическое устройство, как акустический излучатель (типа динамического громкоговорителя), и все для той же цели удержать топливо у заборного устройства насоса (рис. 1).
Короче говоря, в этой области есть над чем подумать конструкторам.
НЕВЕСОМОСТЬ В ЛАБОРАТОРИИ
О том, что свободное падение позволяет имитировать состояние невесомости, было известно давно. Легенда говорит, что, стоя на наклонной Пизанской башне, Галилей бросал вниз легкий камень, и тяжелую свинцовую пулю. Камень, и пуля одновременно достигали земли. Тем самым было доказано, что тела разного веса приобретают одинаковое ускорение в поле земного тяготения, то есть не давят друг на друга, а в этом, и заключается освобождение от оков тяжести!
В наши дни, исследуя невесомость в земных условиях, ученые обычно обращаются за помощью к авиации. Самолет летит по параболической траектории подобно камню, брошенному под углом к горизонту; уравновешивая силы тяги, и трения, действующие на самолет, пилот добивается условий невесомости в течение нескольких десятков секунд, Большая вместимость самолета, высокая мощность бортового электропитания позволяют провести разнообразные испытания космических агрегатов, и систем. Но в тех случаях, когда подлинный объект можно заменить небольшой моделью, когда время эксперимента можно ограничить секундами, исследователи обращаются к старинной «галилеевской» методике.
Правда, для того, чтобы время падения исчислялось секундами, начальная высота, согласно известной формуле механики, должна исчисляться десятками, и сотнями метров. Поэтому высота «башен невесомости» и глубина шахт, сооружаемых с той же целью, достигают внушительных величин. Например, в Льюисском научно-исследовательском центре (США) для подобных испытаний оборудована шахта глубиной 155 метров, и диаметром 8,5 метра; время падения здесь составляет 5 секунд. Чтобы воздух не подтормаживал капсулу с приборами при падении, его откачивают из шахты либо применяют метод «свободно плавающей капсулы». В этом случае капсула с моделью вкладывается внутрь наружной оболочки наподобие игрушки-матрешки. В момент сбрасывания модель освобождается от подставки и в состоянии полной невесомости начинает медленно плыть мимо стенок оболочки - ведь та слегка тормозится набегающим потоком воздуха. Стенки модели обычно делают прозрачными - кинокамера, закрепленная в наружной оболочке, и нацеленная на модель, подробно заснимет все, что происходит внутри. Система тяг, идущих к модели от электродвигателя, придает ей запланированные ускорения, специальные нагреватели создают в модели заданную температуру, а кадры киносъемки рассказывают исследователям о реакциях на подобные воздействия.
Несмотря на простоту оборудования, на таких установках исследовано уже довольно много интересных явлений из жизни пузырьков пара. Выяснилось, что процесс кипения не так прост, как это может показаться на первый взгляд. Появилась даже новая отрасль знания, которую можно назвать физико-химней кипения. В обычных условиях земного тяготения от поверхности нагрева с каждого «центра парообразования» поднимается около двадцати пузырьков водяного пара в секунду. В условиях невесомости пузырьки остаются около нагревателя и, расширяясь, изолируют его от воды; не охлаждаемый ею, он нагревается сильнее, количество «центров парообразования» растет, нагреватель обволакивается пульсирующим слоем пара. На ступает так называемый кризис кипения.
Итак, эффективного кипения жидкостей с удалением пузырьков пара от поверхности нагревателя в невесомости ожидать нельзя, если не принять специальные меры, например, создавая вынужденное движение жидкости.
«КРИЗИС» ОТСТУПАЕТ
«Почему бы вам не выяснить, как действует невесомость на кипение при движении воды в канале?» - спросил меня в разговоре о теме будущей работы профессор Энергетического института имени Г. М. Кржижановского И. Т. Аладьев. В таких случаях ставят эксперимент. Кипение - слишком сложный процесс, не поддающийся пока прямому расчету. Предстояло соорудить нечто вроде небольшого прямоточного котла, работающего при невесомости.
Кипение по своей природе - статистический процесс, складывающийся из множества элементарных вероятностных процессов (зарождение пузырьков, их отрыв,' движение, переход движения из одного режима в другой и т. п.). Только многократные опыты дают возможность определить среднее значение такого важного параметра, как, скажем, тепловая нагрузка при кризисе кипения. Отсюда следовало практическое решение использовать именно метод свободного падения для проведения кратковременных многократно повторяющихся опытов.
Главной частью установки, использованной для этих опытов, служила миниатюрная падающая платформа, на которой размещались насос, бачок, и прозрачный канал, где можно было наблюдать процесс кипения (рис. 2). Внешне установка была похожа на шахту лифта - вертикальные направляющие, но которым скользят платформа, гибкий кабель (он позволил подавать к нагревателю значительную мощность - до 10 киловатт). Итак, кипячение жидкости и условиях невесомости - проблема разрешимая.
К сожалению, явления, описанные выше, были исследованы лишь в условиях кратковременной невесомости. А ведь многие из них подвержены влиянию неустановившихся процессов перехода от нормальных, земных условий к невесомости. Поэтому вполне понятно стремление ученых создать условия длительной невесомости в лабораториях. В частности, перспективным направлением является способ «подвешивания» жидкостей в сильном магнитном поле (рис. 4). Уже первые опыты дали возможность наблюдать кипение «невесомого» жидкого кислорода в течение часов, а не секунд. Недостатком этого метода является то, что необходимыми магнитными свойствами обладают далеко не все жидкости. Однако, добавляя в жидкость вещество с магнитными свойствами, возможно, удастся провести подобные эксперименты с любой жидкостью.
Механика жидкостей, и газов при невесомости - молодая, быстро развивающаяся наука. Пока о ней можно узнать лишь из научных журналов и трудов конференций. В связи с этим приятно отметить инициативу издательства «Машиностроение», выпускающего первую монографию по этой интересной области знания - «Основы динамики, и тепло-массообмена жидкостей и газов при невесомости». А С. Повицкого, и Л. Я. Любина. В ней найдут отражение итоги исследований, помогающих людям Земли овладеть космическим пространством.
Читайте в любое время
