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.