Чем вулканы похожи на реактивные двигатели

НаукаНаука

Сверхзвуковые флейты Гефеста

Николай Цыгикало

Кратер вулкана Везувий, Италия

Везувий в Италии — один из самых известных в мире вулканов. Сложение его конуса хорошо изучено, и многочисленные туристы осматривают кратер, прогуливаясь по самому краю кромки. Кратер представляет собой пропасть с почти вертикальными, слегка расходящимися кверху стенками. Можно взглянуть на него иначе. С точки зрения газодинамики перед нами вулканическое сопло.

Сопло — это структура, создающая струю истечения. Кратер и его канал извергают с большим давлением и температурой вулканические газы и пары, насыщенные минеральной взвесью. С такой большой плотностью энергии газ не течет пассивно и неизменно; он совершает работу. Это и образование минеральной взвеси, и взламывание пластов породы, и разброс твердого материала. При удачном стечении условий (готовый канал, слабое минеральное наполнение газов) много энергии парогазовой смеси может идти на разгон извергаемой струи.

Для этого нужна особая геометрия канала, делающая такой разгон высокоэффективным. У многих кратеров стенки почти отвесные, с расширением кверху — узкие воронки, идущие со дна кратера. Если под самым узким местом такого канала есть лежащее глубже расширение, то при достаточной энергии газов эта форма может работать соплом Лаваля, создавая сверхзвуковой поток.

Близким газодинамическим аналогом вулканического сопла выступает ракетный двигатель на твердом топливе. Температуры горения ряда твердых топлив (смесевых порохов без металлов в своем составе) невысоки, пара тысяч градусов. Их газы содержат мелкодисперсную минеральную взвесь продуктов сгорания. Очень похожую на минеральные пепловые компоненты вулканических газов, при схожих давлениях и температурах.

Канал вулкана начинается в магматическом котле. В верхней части котла иногда возникает газовая подушка, запертая кратерной пробкой. Температура смеси паров и газов достигает 1500–1800°C, давление - десятков атмосфер. По этим параметрам вулканические газы совпадают с газами ракетного двигателя с низкими температурами горения. После взрыва пробки освобожденные газы образуют поток с разгоном до сверхзвука, если есть сужение-расширение канала. Из кратера выходит сверхзвуковая струя.

Сопла бывают разными

Сопла Лаваля имеют разную геометрию, подчиняясь общему закону наличия талии. Внутреннее сужение — это возможность перехода потока в канале с дозвука в сверхзвук. В самом узком месте установится скорость звука. Разделив проточную часть на дозвуковую и сверхзвуковую.

Чем больше давление и температура перед соплом, тем больше расширяется газ и разгоняется поток. Расширение газа идет главным образом в сверхзвуковой части канала. Степень расширения — это отношение площадей выходного сечения (среза) и самого узкого (критического) сечения сопла. Например, в двигателях РД-107 и РД-108 первой ступени РН «Союз», возящей космонавтов, степень расширения 16. Для такого расширения давление в камере сгорания РД-107 держат на уровне 60 атмосфер. Что далеко не предел — в камерах бывают и две-три сотни атмосфер. Поэтому в двигателях мощных ракет самое узкое место выглядит осиной талией перед широкой юбкой сверхзвуковой части сопла.

Есть сверхзвуковые сопла с гораздо меньшим давлением. Это сопла авиационных форсажных двигателей боевых самолетов. Давление перед соплом лишь несколько атмосфер, поэтому степень его расширения невелика, порядка 2. В усиленном режиме (форсаже) перед соплом сжигают добавочные порции топлива. Газ нагревают на +1000°C, накачивая теплом. И сопло выдает усиленный сверхзвуковой поток, с ростом тяги почти вдвое. Геометрия кратера может быть близка к форме такого авиационного сопла с малым сужением и расширением. А параметры газа перед соплом двигателя схожи с вулканическими: температура 1700°C, давление 5–6 атмосфер.

Сверхзвуковые струи реальных извержений

Современные наблюдения фиксируют разные сверхзвуковые события в извержениях. Большую долю составляют ударные волны от взрывов, то есть движущиеся со сверхзвуковой скоростью колебания давления. В других случаях возникает сверхзвуковой газовый поток.

Шум его очень похож на звук авиационного форсажа и ракетного двигателя. И это не просто метафора. При извержении африканского вулкана Набро в Эритрее 12 июня 2011 года шум его струи записывался и сравнивался со звуком реактивной струи. Как пишут исследователи, «были выбраны данные испытаний реактивного двигателя самолета F/A-18E Super Hornet и ракетного двигателя GEM-60. Данные F/A-18E взяты из теста, в котором закрепленный самолет работал на форсаже, записи делались конденсаторным микрофоном Bruel and Kjaer 4938 диаметром 6,35 мм. GEM-60 — твердотопливная ракета, используемая в качестве ускорителя для ракеты-носителя Delta IV, со средней тягой в вакууме 83 тонны. Ракета имеет длину 16,2 м и сопло диаметром 1,52 м. Данные ускорителя GEM-60 записаны микрофоном GRAS 6,35 мм 40BD». Сравнение спектра звучания показало высокую степень сходства, подтверждая общую сверхзвуковую природу источника звука.

В России акустику извержений исследуют давно, на базе многочисленных камчатских вулканов; информация растет по мере наблюдений. Микробарографические данные позволили смоделировать и описать (П. П. Фирстов, 1996) динамику известного мощного извержения Шивелуча 11 ноября 1964 года. Тогда снесло больше кубического километра породы, возник кратер размером в пару километров. Автор не раз наблюдал след этого плинианского извержения в виде черно-бурого слоя пемзы шириной с ладонь, видный на стенках шурфов в десятке километров от кратера. Всякий, кто в шурф у подножий заглянет, сам наберет и подарит кому-то — пемзой оттуда орудует в бане личный состав измерительных пунктов.

Сопло Лаваля в авиационном двигателе: работа двигателей самолета F-15 в форсажном режиме
Жидкостный ракетный двигатель РД-107А ракеты-носителя «Союз»

Вулкан создает сопло Лаваля

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Не делайте больших перерывов в умственной работе» «Не делайте больших перерывов в умственной работе»

Самые яркие цитаты легендарной исследовательницы мозга Натальи Бехтеревой

Наука
Кубик Рубика и другие антистресс-игрушки: чем мы занимали руки до поп-ит? Кубик Рубика и другие антистресс-игрушки: чем мы занимали руки до поп-ит?

Какие устройства помогали нам успокаивать нервы раньше?

Psychologies
Новости науки Новости науки

Расширение Вселенной, гигантская радиогалактика и новый вид планет

Знание – сила
5 удивительных загадок из мира животных 5 удивительных загадок из мира животных

Тайны наших четвероногих друзей, о которых сами они тебе ни за что не расскажут!

Maxim
Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу» Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу»

Вдруг все мои достижения, все мои роли — это лишь случайность?

Коллекция. Караван историй
Вам стоит простить себя за то, что вы… Вам стоит простить себя за то, что вы…

Больше не ругать себя за эти мысли и действия

Psychologies
Решить квартирный вопрос: 7 необычных домов Решить квартирный вопрос: 7 необычных домов

Из чего и какие только не делают дома!

Вокруг света
Есть ретушь или нет? Фигуры российских звезд в отпуске vs в городе — сравниваем Есть ретушь или нет? Фигуры российских звезд в отпуске vs в городе — сравниваем

Российские звезды частенько попадаются на ретуши и фотошопе, особенно на отдыхе

Cosmopolitan
Преступления, раскрытые признаниями на смертном одре Преступления, раскрытые признаниями на смертном одре

Все как в том детективе, только по-настоящему!

Maxim
На старт, внимание, лайк На старт, внимание, лайк

Сколько можно заработать на инстаграм-марафонах?

Glamour
Дамские романы: как две сестры создали компанию стоимостью $225 млн, придумывая мобильные игры «для девочек» Дамские романы: как две сестры создали компанию стоимостью $225 млн, придумывая мобильные игры «для девочек»

Как ставка на женскую аудиторию помогла сестрам Накадзима заработать $141,5 млн

Forbes
Бирюзовая компания: что такое холакратия Бирюзовая компания: что такое холакратия

Что такое бирюзовые компании и как организована работа в них?

Популярная механика
Считай по головам Считай по головам

Как математические модели помогают экологам прогнозировать будущее видов

N+1
Саббатикал — это маленькая жизнь: как уйти в отпуск на целый год за счет работодателя Саббатикал — это маленькая жизнь: как уйти в отпуск на целый год за счет работодателя

Как появился феномен «долгосрочного творческого отпуска»

Forbes
Как распознать, что ваш первый клиент — не то, что нужно Как распознать, что ваш первый клиент — не то, что нужно

Как распознать «неправильного» первого клиента

Inc.
Ученые установили, что интеллект зависит от размера зрачка Ученые установили, что интеллект зависит от размера зрачка

Различие в размере зрачков у недалеких и умных людей видно невооруженным глазом!

Maxim
7 неожиданных гастрономических пар 7 неожиданных гастрономических пар

Эксперименты с рецептурой вписали в историю кулинарии немало культовых блюд

Вокруг света
Последний враг: как ученые собираются выиграть войну со смертью Последний враг: как ученые собираются выиграть войну со смертью

Отрывок из книги Хосе Луиса Кордейро и Дэвида Вуда «Смерть должна умереть»

Forbes
Алина Фаркаш о том, почему вместо сочувствия мы раздаем советы и пинки Алина Фаркаш о том, почему вместо сочувствия мы раздаем советы и пинки

К сожалению, многие люди все еще не умеют сочувствовать ближнему

Cosmopolitan
Карен Кавалерян: Карен Кавалерян:

Карен Кавалерян — о том, как живется авторам популярных песен

Караван историй
Мозговой шторм Мозговой шторм

Что такое когнитивный диссонанс?

Maxim
Как выглядят жены звезд фильма «Союз спасения»: Петренко, Матвеева и других Как выглядят жены звезд фильма «Союз спасения»: Петренко, Матвеева и других

Актеры фильма о декабристах «Союз спасения» в жизни обрели семейное счастье

Cosmopolitan
Возлюбленные «Сватов»: как выглядят муж Анны Кошмал, жена Даниила Белых и другие Возлюбленные «Сватов»: как выглядят муж Анны Кошмал, жена Даниила Белых и другие

Как выглядят избранники знаменитостей из «Сватов»

Cosmopolitan
Чешские антропологи реконструировали внешность двух женщин бронзового века Чешские антропологи реконструировали внешность двух женщин бронзового века

По останкам определили внешность и условия жизни женщин 6000 лет назад

N+1
Самый быстрый Килиан Самый быстрый Килиан

Килиан Мбаппе – один из самых многообещающих игроков в современном футболе

Esquire
«Лихие девяностые» нашего будущего. Почему спор о «выборах Ельцина» может закончиться только после ухода Путина «Лихие девяностые» нашего будущего. Почему спор о «выборах Ельцина» может закончиться только после ухода Путина

Российское общество не может жить без вождей, потому что не верит в свои силы

СНОБ
5 необычных товаров, созданные мировыми брендами 5 необычных товаров, созданные мировыми брендами

Мед от Porsche, пулемет от Samsung и сосиски от Volkswagen

Maxim
На всю спину и как у Гарри Поттера: какие шрамы есть у членов королевской семьи На всю спину и как у Гарри Поттера: какие шрамы есть у членов королевской семьи

Откуда у родственников королевы и у нее самой появились шрамы

Cosmopolitan
Торговцы необходимым: как «Почта России» попала в список крупнейших ретейлеров Торговцы необходимым: как «Почта России» попала в список крупнейших ретейлеров

«Почта России» стала одним из крупнейших ретейлеров страны

Forbes
Скажи целлюлиту Скажи целлюлиту

Выбираем самые эффективные средства против целлюлита

Cosmopolitan
Открыть в приложении