Пламя и взрыв

Но все это было только зарождением теории. В 1939 году Щелкин писал: «Не все детали предлагаемого механизма возникновения детонации ясны, многое придется еще уточнить и изменить». И далее: «Следует еще раз напомнить, что изложенное выше относится к зажиганию слабым источником (искра, пламя). В случае зажигания готовой детонационной волной детонация возникает сразу, без предварительного самоускорения пламени».

Несмотря на все оговорки, оказалось весьма плодотворным то, что к объяснению возникновения детонации Щелкин подошел с позиции движения газов, с позиции газодинамики, бывшей всегда неотъемлемой частью физики. Именно здесь произошло соприкосновение химических и физических идей, оно высекло искру истинного объяснения сложного процесса. Так в основание нового направления изучения горения— газодинамики горения — был положен один из первых камней.

Результаты, полученные Кириллом Ивановичем, заинтересовали Курчатова. Встретившись со Щелкиным в Лесном, Игорь Васильевич засыпал его вопросами, заключив свои расспросы так:

— Обязательно доведите дело до точки! В университете, в Крыму, я работал с когерером Попова. Вот вам пример. Пока теоретики рассуждали о вероятности передачи сигналов на расстояние без проводов, Попов не только всесторонне развил теорию, но и построил прибор, собрал коллег и продемонстрировал радиопередачу на деле. Или возьмите Павлова. Благодаря ему природа условного рефлекса стала понятна даже ребенку. Обнажите и вы свою идею.

И Щелкин продолжал искать, как нагляднее подтвердить связь шероховатости с турбулентностью и возникновением детонации. А что если отдельно от трубы «изготовить» шероховатость и «вставлять» ее внутрь только на время опыта? Без нее труба как труба. На определенном расстоянии от точки зажигания горючей смеси в трубе возникает детонация. Вставляешь шероховатость — горение гораздо быстрее переходит в детонацию. Вот это была бы картина! Нагляднее не придумаешь.

Ухватившись за эту мысль, Щелкин начал готовить решающий эксперимент. Сначала вдвигал в трубу кольцо, но эффект от такого «препятствия» был невелик. Тогда он заменил кольцо проволочной спиралью. И детонация стала возникать почти сразу после зажигания. Это было уже то, что нужно.

Вскоре построили экспериментальную установку: металлическая труба длиной около метра соединялась со стеклянной длиною в два метра. Во вторую половину стеклянной трубы вставлялась проволочная спираль, чтобы создать «искусственную» шероховатость, и в ходе опыта одна и та же фотография фиксировала распространение горения в гладкой и шероховатой частях трубы.

Оказалось, что в трубе со спиралью горение распространяется намного быстрее! Еще поразительнее было уменьшение расстояния от точки зажигания до начала детонации. В гладкой трубе оно составляло 71 сантиметр, в трубе с проволокой — всего 5 сантиметров! «Вот как меняется «взрывная константа», — думал Кирилл Иванович, — а ведь в первых опытах ты склонен был считать ее постоянной».

Тогда он поставил множество оригинальных опытов. Добытых в них экспериментальных данных Кириллу Ивановичу хватило для веских теоретических выводов.

Да, теперь он чувствовал себя способным ответить на самый каверзный вопрос — о начале детонации.

Двигаясь относительно стенок трубы, газ из-за трения «закручивается», приобретая разную скорость. Стоит только одной точке пламени вырваться вперед, как фронт пламени бросается за ней и деформируется. Ускорение пламени вызывает ускорение еще несгоревшего газа, оно в свою очередь — ускорение движения пламени и т. д. Пламя ускоряется вплоть до перехода горения в детонацию.

От этого знания можно было смело идти к разрешению загадки вращения пламени в детонации, решать многие другие задачи…

Зимой 1940 года свой эксперимент со спиралью, которая буквально «взвинчивала» горение до детонации, Кирилл Иванович показал физикам и химикам Ленинграда.

— Поразительный эффект давала спираль, — вспоминает свое впечатление о той давней демонстрации академик Н. Н. Семенов. — Ясный, глубокий по смыслу эксперимент Щелкина — высокий образец экспериментаторского искусства.

— Меня до сих пор поражают его первые работы, — отзывается об этом успехе молодого Щелкина академик Ю. Б. Харитон. — Необычайно прозрачные и классически строгие. Введение проволочной спирали в трубу — простейший прием, показывающий необычайную глубину мысли ученого.

— Мы много спорили с Кириллом Ивановичем, — говорит академик Я. Б. Зельдович. — Я разрабатывал теорию горения, подходя к ней со стороны химической кинетики, осложненной выделением тепла, он акцентировал внимание на влиянии газодинамики. И в этом он нашел правильный ответ на вопрос о переходе медленного горения в детонацию. Опыт с шероховатостью трубы показал: у Щелкина была настоящая научная смелость, которая необходима, чтобы двигаться вперед, получать выдающиеся результаты.

Радуясь успеху сотрудника своего института, Николай Николаевич Семенов посоветовал ему: «Пора браться за докторскую диссертацию».