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

Его ошибка — война Его ошибка — война

Началось всё со случайного разговора в спортивном комплексе «Форо Италико»

Дилетант
Куда поехать, если хочется посвятить время созерцанию природы Куда поехать, если хочется посвятить время созерцанию природы

Чтобы открыть в себе человека, нужно отправиться в путешествие на «дикую землю»

РБК
Неизвестные в масках и угроза убийством. Как в Москве по кускам разбирают дома, в которых живут люди Неизвестные в масках и угроза убийством. Как в Москве по кускам разбирают дома, в которых живут люди

На западе Москвы разгорается конфликт, который напоминает боевые действия

СНОБ
Мы все манипуляторы? Мы все манипуляторы?

Каждый из нас способен на манипуляцию — мы учимся в самом раннем детстве

Psychologies
Состояние историческое: 10 подкастов, которые помогут восполнить пробелы в знаниях Состояние историческое: 10 подкастов, которые помогут восполнить пробелы в знаниях

Самые интересные подкасты об истории на русском языке

Esquire
Ботокс для ресниц: прорыв или развод на деньги? Ботокс для ресниц: прорыв или развод на деньги?

Ботокс для ресниц. Что это и нужно ли оно нам?

Cosmopolitan
Химики получили кристаллы четырехслойного гексагонального кремния Химики получили кристаллы четырехслойного гексагонального кремния

Новый полупроводник может заменить обычный кремний с кубической решеткой

N+1
Личная жизнь звезд сериала «Света с того света»: Марии Машковой и других Личная жизнь звезд сериала «Света с того света»: Марии Машковой и других

Узнай о личной жизни актрисы и других звезд киноистории «Света с того света»

Cosmopolitan
Людк, а Людк, глянь, что делается! Фильмы о мужских изменах и предательстве Людк, а Людк, глянь, что делается! Фильмы о мужских изменах и предательстве

Измена — это идеальная завязка для фильма

Cosmopolitan
Алексей Пивоваров — о новой журналистике, старом НТВ и скандале с Алексей Пивоваров — о новой журналистике, старом НТВ и скандале с

Алексей Пивоваров — о том, зачем переставлять телеформаты на рельсы цифровизации

Esquire
Кто такие «дети индиго» и куда они пропали? Кто такие «дети индиго» и куда они пропали?

Срываем покровы с самой главной загадки 2000-х

Maxim
Бегущий на лезвиях Бегущий на лезвиях

Дмитрий Мурлычкин стал первым в соревнованиях по Ice Cross

Men’s Health
Самосбывающееся проклятие Самосбывающееся проклятие

Cлухи о конце эпохи низкой инфляции в США сильно преувеличены

Forbes
Слиятельные люди Слиятельные люди

Кто все еще делает бизнес на умирающем российском рынке M&A

Forbes
Русский Гамлет побил $1 млн: на торгах русского искусства — четыре мировых рекорда Русский Гамлет побил $1 млн: на торгах русского искусства — четыре мировых рекорда

Новый мировой рекорд цены за работу Левицкого — £862 500

Forbes
Политические заключенные Политические заключенные

Большая политика — это игра с большими ставками: на кону деньги, карьера, жизнь

GQ
Как выбрать сиделку для близкого человека Как выбрать сиделку для близкого человека

На что обратить внимание, подбирая сиделку

СНОБ
Осознанные занятия спортом помогают бороться с тревогой Осознанные занятия спортом помогают бороться с тревогой

Как справиться с тревогой с помощью физических нагрузок?

Psychologies
Смотри не перепутай! В каком порядке эффективнее всего пользоваться косметикой Смотри не перепутай! В каком порядке эффективнее всего пользоваться косметикой

Эти простые правила домашнего ухода помогут твоей коже засиять здоровьем

Cosmopolitan
3 мифа об охлаждении ноутбуков, в которые пора перестать верить 3 мифа об охлаждении ноутбуков, в которые пора перестать верить

Помогают ли охлаждающие подставки? Каким слоем нужно наносить термопасту?

CHIP
Сколько можно заработать на глэмпинге: ультимативный гид Сколько можно заработать на глэмпинге: ультимативный гид

Прибыль глэмпинга можно оценивать так же, как и обычных отелей или хостелов

Inc.
Айза, Малиновская и другие: звезды, переделавшие себя рекордное количество раз Айза, Малиновская и другие: звезды, переделавшие себя рекордное количество раз

Знаменитости вечно совершенствуют свою внешность

Cosmopolitan
Археологи осветили пещеру палеолитическими методами Археологи осветили пещеру палеолитическими методами

Ученые установили основные источники света, которые использовали люди палеолита

N+1
Звезда в иллюминаторе: как выглядит Солнце с каждой из планет Солнечной системы Звезда в иллюминаторе: как выглядит Солнце с каждой из планет Солнечной системы

Похоже, мы, земляне, еще неплохо устроились

Вокруг света
«Третий путь». Как подростку с особенностями развития стать частью общества «Третий путь». Как подростку с особенностями развития стать частью общества

Как подросткам с особенностями найти свой путь в общество

СНОБ
Посидим, похрустим: 6 фактов из истории чипсов Посидим, похрустим: 6 фактов из истории чипсов

Чипсы не так просты, как кажутся, и им есть чем похвастаться.

Вокруг света
Почему меня никто не любит? Почему меня никто не любит?

“Недо” – самая грустная приставка на свете

Cosmopolitan
Новый электрический BMW: симпатичные ноздри и музыка для пешеходов Новый электрический BMW: симпатичные ноздри и музыка для пешеходов

Красивый биммер? Да, мы дождались!

Maxim
Меньше — лучше! Как красятся модные невесты — 8 бьюти-образов звезд Меньше — лучше! Как красятся модные невесты — 8 бьюти-образов звезд

Какой макияж и прическу выбрали знаменитости для свадьбы? Вдохновляйся!

VOICE
Ксения Шойгу и Алексей Столяров — о триатлоне как стиле жизни, совместных проектах и личном Ксения Шойгу и Алексей Столяров — о триатлоне как стиле жизни, совместных проектах и личном

Алексей Столяров и Ксения Шойгу — о своей личной жизни и триатлоне

Esquire
Открыть в приложении