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

Кто этот мощный старик? Кто этот мощный старик?

Краткое содержание жизни Джо Байдена

GQ
Вне закона: 6 организмов, которые не должны существовать Вне закона: 6 организмов, которые не должны существовать

Эти организмы нарушают законы физики и биологии

Вокруг света
На пороге голодной катастрофы, или Стонет и тяжко страдает русский забитый народ На пороге голодной катастрофы, или Стонет и тяжко страдает русский забитый народ

Борьба советской власти против собственного крестьянина

Наука
Порча и сглаз: психолог объясняет, как устроены энергетические воздействия Порча и сглаз: психолог объясняет, как устроены энергетические воздействия

Психолог: как не попадаться на уловки гадалок и самому стоить свою жизнь

Cosmopolitan
Вон из-за стола! Вон из-за стола!

Как не стоит вести себя на свадьбе

Elle
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
Вольфганг Черни: «Очень хочу поработать с животными на съемках. У них совершенно другая энергия» Вольфганг Черни: «Очень хочу поработать с животными на съемках. У них совершенно другая энергия»

Вольфганг Черни — о том, как выучил русский и о роли в «Красном призраке»

Grazia
Валерия Гай Германика: о семье, возвращении в документальное кино и новом фильме «Папа» Валерия Гай Германика: о семье, возвращении в документальное кино и новом фильме «Папа»

Валерия Гай Германика — о конфликте поколений и съемках близких людей

GQ
Цвет в интерьере: 4 удачных примера Цвет в интерьере: 4 удачных примера

Эксперты: как грамотно использовать в интерьере яркие цвета

РБК
Если болит желудок или кишечник... Если болит желудок или кишечник...

Часто болит желудок или кишечник? Эксперты советуют, как решить проблему

Cosmopolitan
Разведка Эрдогана: зачем Турции военные базы в Азербайджане Разведка Эрдогана: зачем Турции военные базы в Азербайджане

Почему Эрдоган заговорил о военных базах в Азербайджане?

Forbes
Еще 5 живописных заброшенных сооружений Еще 5 живописных заброшенных сооружений

Эти руины — своего рода памятники несбывшимся мечтам

Maxim
Атака электрического угря: видео Атака электрического угря: видео

Электрический угорь добывает себе пищу с помощью электричества

National Geographic
Лекарство от всех болезней: что такое джаму-сок и чем он полезен Лекарство от всех болезней: что такое джаму-сок и чем он полезен

Модный тренд – индонезийский напиток джаму

Cosmopolitan
10 самых труднодоступных городов Земли 10 самых труднодоступных городов Земли

Жители этих городов не понаслышке знают, что такое «у черта на рогах»

Maxim
Российские миллениалы погрустнели сильнее прочих Российские миллениалы погрустнели сильнее прочих

Российская молодежь в 2020 году стала грустнее, чем миллениалы во всем мире

РБК
Как почистить подошву утюга в домашних условиях Как почистить подошву утюга в домашних условиях

Рассказываем, как самостоятельно избавиться от загрязнений на подошве утюга

CHIP
Тренировки ЭМС: как обрести рельеф, не тратя время на фитнес Тренировки ЭМС: как обрести рельеф, не тратя время на фитнес

Тренировки по технологии ЭМС (электромиостимуляции) – что это такое?

Cosmopolitan
Химики заменили пластик соевой пленкой Химики заменили пластик соевой пленкой

Материалы из соевого белка в будущем смогут стать заменой пластиковой упаковки

N+1
Атомный кран приподнял графеновый слой Атомный кран приподнял графеновый слой

При сильной связи зонд способен приподнимать и отпускать графеновый слой

N+1
Победительница шоу «Ты топ-модель»:«У нас была честная конкуренция, без козней» Победительница шоу «Ты топ-модель»:«У нас была честная конкуренция, без козней»

Победительница шоу «Ты топ-модель на ТНТ» Тина Тоева — о проекте и планах

Cosmopolitan
Крепкий орешек за баранкой Крепкий орешек за баранкой

«Ледяной драйв», олдскульый боевик с Лиамом Нисоном

Weekend
Как на тихоокеанском острове победили желтых сумасшедших муравьев Как на тихоокеанском острове победили желтых сумасшедших муравьев

Инвазивный вид насекомых уничтожал птиц и других представителей фауны.

National Geographic
5 отличных моделей мобильных кондиционеров, которые спасут вас от жары 5 отличных моделей мобильных кондиционеров, которые спасут вас от жары

Обзор мобильных кондиционеров, которые могут и охладить, и согреть дом

CHIP
Есть ли смысл ставить гребенку на водоснабжение? Есть ли смысл ставить гребенку на водоснабжение?

Как лучше спроектировать систему водоснабжения в доме?

CHIP
5 необычных товаров, созданные мировыми брендами 5 необычных товаров, созданные мировыми брендами

Мед от Porsche, пулемет от Samsung и сосиски от Volkswagen

Maxim
Вбуриться в вечность Вбуриться в вечность

Секреты строительства и ремонта зданий и сооружений на вечной мерзлоте

Эксперт
Как выглядели в юности Лера Кудрявцева, Ольга Бузова и другие телеведущие Как выглядели в юности Лера Кудрявцева, Ольга Бузова и другие телеведущие

Как Дана Борисова, Тина Канделаки и другие звезды выглядели в начале карьеры

Cosmopolitan
Яд, пыльца и Шерлок Холмс: 5 поучительных книг о криминалистике Яд, пыльца и Шерлок Холмс: 5 поучительных книг о криминалистике

Лучший научпоп о криминальных расследованиях и тех, кто их проводит

Популярная механика
Как интеллектуальная выносливость может изменить карьеру Как интеллектуальная выносливость может изменить карьеру

Как тренировать интеллектуальную выносливость

Популярная механика
Открыть в приложении