Письма о науке. 1930—1980 - Пётр Капица

Вот в чем заключалась моя идея, она исключительно проста. При конструировании прежних турбин, которые делали французы, немцы и Гипрогаз, в основу были положены принципы конструкции паровых турбин, и, по-моему, это было неправильно. Дело в том, что турбодетандер должен работать при —186 градусов [по Цельсию], а при этой температуре воздух становится тяжелее и его плотность во много раз превышает плотность пара. Поэтому, гораздо правильнее положить в основу конструкции турбины те принципы, на которых работает водяная турбина, т. е. использовать силы, возникающие при движении более тяжелой среды, поэтому при работе турбины не только использовать реакционные силы потока газа, но в кориолисовые силы[93]. На практике это достигается тем, что вместо аксиального пуска газа он делается радиальным. Можно показать теоретически, что такую турбину представляется возможным заставить работать с двойным перепадом давления и, по сравнению с прежними турбинами, при тех же потерях получать двойную мощность.

Два года тому назад мы взялись за эту работу, и, как всегда в исследовательской работе, затруднения пришли не с той стороны, откуда их ждали. Оказалось, что турбина при вращении в такой плотной среде, как воздух у точки ожижения, теряла свою устойчивость. Пришлось искать теоретические основания этой устойчивости. В библии современного турбостроения, [в] книге Стодолы (стр. 928, 6-е издание, 1924 г.)[94] говорится «что теория этих явлений чрезвычайно запутана и не разрешена...». Но, не имея теории, нельзя было найти пути для того, чтобы добиться устойчивости. Строя модели и экспериментируя, после 8—9 месяцев работы нам удалось найти теорию этого явления. Тогда все стало просто и легко, и, [когда мы] сделали соответствующие приспособления, турбина стала устойчива. Насколько наша турбина устойчива, видно из следующего: край ротора делает более 200 метров в секунду, т. е. скорость полета дроби из двустволки, а зазор между ротором и кожухом при этом немногим больше 1/10 миллиметра. Между прочим, эти методы стабилизации роторов, возможно, окажут влияние и на большие паровые турбины, там тоже полезно иметь большую устойчивость вращения ротора, чтобы уменьшить зазор между лопатками и кожухом, так как это повысит коэффициент полезного действия.

Было еще следующее затруднение. Для нужной нам производительности наша турбина получается очень маленькая — ротор ее свободно помещается на ладони и весит всего 300 грамм, хотя, чтобы снабжать се воздухом, нужен компрессор, который весит 4 тонны. (Это, между прочим, рисует соотношение габаритов поршневых и турбинных механизмов.) Наш ротор делает 46 000 оборотов в минуту. Вначале все подшипники у нас быстро разбалтывались. Изучая причину этого, мы нашли, что это происходит благодаря тому, что оси инерции турбины было невозможно достаточно точно центрировать; тогда был изобретен новый метод подвешивания ротора к оси. Сцепление ротора с осью осуществляется на трении и поэтому ротор становится самоцентрирующим. Возможно, что и этот метод крепления роторов найдет себе более широкое применение в [таких] быстро вращающихся механизмах, как центрифуги, гирокомпасы и пр.

[Когда мы] преодолели все эти трудности, после двух лет работы, третья по счету построенная турбина полностью подтвердила правильность основных идей, заложенных в пей. Несмотря на ее малый размер, коэффициент полезного действия ее больше 0,7, а при некоторых режимах доходит до 0.75—0,80, тогда как прежние турбодетапдеры, по литературным данным, не имели коэффициента [полезного действия], заметно больше 0,6—0,65, несмотря на то, что они гораздо больше по размерам, чем наша [турбина].

Специальной охладительной установкой, снабженной такой турбиной, мы теперь ожижаем воздух при давленый в 3 — 4 атмосферы вместо прежних 200 и этим осуществили поставленную задачу.

Вот еще некоторые цифры, характеризующие то, что мы достигли. Если сравнить нашу установку с прежними установками, равными по производительности, то для нашей установки стандартный компрессор низкого давления стоит по советским ценам 20 000 рублей, [а] для обычного ожижителя — 100 000 рублей. Далее, у нас отсутствует необходимость очищения воздуха от влаги и углекислоты: очистительные приспособления в прежних установках достигали размеров, больших, чем вся наша установка. Даже включая все расходы по двухлетнему экспериментированию, вся наша установка нам обошлась не более 100 000 р., в то время как эквивалентная ей стандартная установка завода ВАТ[95], честная копия немецкой, стоит 200 000 р.

Все это, конечно, неплохо, так как, по-видимому, получать жидкий воздух таким путем, как мы, еще никому не удавалось, но все же это еще решает только ту часть проблемы по ректификации воздуха, которая связана с получением холода. Остается вопрос, как приложить этот метод получения холода для ректификации воздуха. Этот вопрос, мне кажется, тоже имеет решение, но заранее трудно точно сказать, что из этого получится. <...>

Но если я так подробно описал Вам нашу работу с турбиной, [то] это потому, что я считаю, что то, что нами уже достигнуто, имеет ценность для хозяйства нашей страны и это следует использовать. Это видно уже из данных испытания установки для ожижения воздуха, которая установлена у нас для нужд института, хотя она только сейчас поступает в опытную эксплуатацию. При продолжительной работе, конечно, возникнет необходимость ряда конструктивных улучшений, но принцип работы и его преимущество, мне кажется, можно считать доказанными.

Оставляя в стороне все дальнейшие улучшения и взяв установку, как она есть, она примерно в 3 раза дешевле эквивалентной ей установки прежних систем. Ввиду отсутствия высоких давлений, эксплуатация ее проще, безопаснее и экономичнее.

Наша установка дает сейчас 11 килограммов жидкого воздуха в час, хотя она работает на половинном числе оборотов компрессора. При полном числе оборотов установка должна давать 20 кг в час. Если продавать этот жидкий воздух по той цене, которую мы сейчас платим, т. е. 6 руб. за 1 кг, то, считая, что установка будет работать 300 дней в году по 20 часов в сутки, производительность такой установки будет 700 000 руб. при себестоимости не больше 100 000 руб. Следовательно, ужо 10 таких установок, работающих в Союзе, сэкономят за год все расходы, затраченные страной на институт.

Но главная ценность, мне кажется, в тех идеях, которые получили доказательства своей правильности, и в перспективе улучшения техники процесса обогащения воздуха. Если это будет так, то действительную ценность трудно учесть и она только определится лет через 10—15, а тогда все уже успеют забыть о наших начинаниях.

Держать в секрете наши достижения, конечно, нелепо, так как нет сомнения, что если мы стоим на правильном пути, то по логике развития технических процессов другие инженеры и ученые придут к тем же результатам. Например, достаточно таким хорошим инженерам, как Линде, Клод и пр. прочесть это письмо, чтобы через 3—4 года получить то же, что и мы. А идей не скроешь. Вообще, правильная политика всякой сильной техники — это искать свою силу в динамике развития. Прокладывая новые пути, открыто бежать впереди и рассчитывать только на силу своих ног. Поэтому, мне кажется, следует подумать о том, чтобы взять патент за границей на основные принципы нашей работы. <...>

Если Вы решите брать эти патенты и они будут получены, я хочу, чтобы все возможные доходы пошли нашей стране. Для этого лучше с самого начала оформить передачу всех прав без исключения на патенты указанному Вами юридическому лицу. Я лично только хочу оговорить [в отношении] себя следующее: кроме [того, чтобы] давать все <...> технические сведения, необходимые для получения патентов, я был бы полностью освобожден от всех юридических, финансовых и коммерческих дел, связанных обычно с получением и дальнейшей судьбой патентов.

Далее, прошу, чтобы заявки были сделаны по возможности скорее, чтобы после них я мог бы поскорее опубликовать как теорию, а также и общее описание установки.

Ввиду потенциальной важности всех этих вопросов и их срочного характера, я и написал Вам это письмо, чтобы Вы по своему усмотрению дали им то назначение, какое следует.

П. Капица

P. S. Я бы хотел отметить, что в работе по осуществлению турбины наш институтский коллектив работал с исключительным энтузиазмом и энергией. В особенности мастера. У нас, конечно, на такой работе нет сдельщины или сверхурочных часов. Но они своего времени не жалели, другой раз мне приходилось гнать их домой, прямо боясь, что они переработают. Все они принимали активное участие в конструировании деталей и дали ряд очень дельных конструктивных улучшений. Принимая во внимание, что постройка этой установки сэкономила институту не менее 100 000 руб., а также будет экономить около 70 000 руб. на расходах на жидкий воздух, я бы хотел премировать наш коллектив. Поэтому прошу Вашего указания на израсходование из средств института 15 000 руб. на премирование. Я прошу только дать разрешение скорее, так как психологически очень важно, чтобы награда совпала с достижениями. <...>