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

«Боюсь делать минет»: 4 главных принципа орального секса — советы эксперта «Боюсь делать минет»: 4 главных принципа орального секса — советы эксперта

Главные препятствия на пути к самому желанному сексуальному навыку — минету

Psychologies
Челюстной замок оказался эффективным средством похудения Челюстной замок оказался эффективным средством похудения

Новое устройство для похудения позволяет питаться только жидкой пищей

N+1
«Наука Шерлока Холмса: методы знаменитого сыщика в расследовании преступлений прошлого и настоящего». Отрывок из книги Стюарт Росс «Наука Шерлока Холмса: методы знаменитого сыщика в расследовании преступлений прошлого и настоящего». Отрывок из книги Стюарт Росс

Отрывок из книги Стюарта Росса: как научные знания помогают в расследованиях

СНОБ
Как миллиардер Гуцериев стал «другом» Лукашенко и чем это ему грозит Как миллиардер Гуцериев стал «другом» Лукашенко и чем это ему грозит

Как Гуцериев «подружился» с Белоруссией, доставят ли ему неудобство санкции?

Forbes
Нужно ли ребенку летом заниматься школьными предметами? Нужно ли ребенку летом заниматься школьными предметами?

Чем детям все-таки стоит заниматься на каникулах?

Psychologies
Как понять, что вы действительно простили измену Как понять, что вы действительно простили измену

Психолог: как происходит процесс прощения и как понять, что вы простили измену

Psychologies
Последний ледниковый период уничтожил популяцию людей в Северо-Восточной Азии Последний ледниковый период уничтожил популяцию людей в Северо-Восточной Азии

Ученые: популяция людей в Приамурье исчезла во время последнего оледенения

N+1
Крепкий орешек за баранкой Крепкий орешек за баранкой

«Ледяной драйв», олдскульый боевик с Лиамом Нисоном

Weekend
5 составляющих успеха фильма «Форсаж» 5 составляющих успеха фильма «Форсаж»

Почему последние 20 лет весь мир смотрит новые фильмы франшизы «Форсаж»

GQ
8 вопросов о похудении и воде 8 вопросов о похудении и воде

Зачем худеющим вода?

Худеем правильно
Игра со временем. Триллер Франка Тилье: «Жил-был раз, жил-был два» Игра со временем. Триллер Франка Тилье: «Жил-был раз, жил-был два»

Отрывок из нового триллера мастера детективов Франка Тилье

СНОБ

Беременность далеко не всегда становится временем, полным радостного ожидания

VOICE
Сауна после тренировки: основные преимущества и правила посещения Сауна после тренировки: основные преимущества и правила посещения

Польза посещения сауны в тренажерном зале

Playboy
«Время переменных. Математический анализ в безумном мире» «Время переменных. Математический анализ в безумном мире»

Новая книга Бена Орлина рассказывает о матанализе понятным языком

N+1
«Мы разговариваем движениями»: хореограф Юрий Посохов о мировой премьере «Чайки» в Большом театре «Мы разговариваем движениями»: хореограф Юрий Посохов о мировой премьере «Чайки» в Большом театре

Хореограф — почему на сцене Большого нельзя повторить перформанс Павленского

Forbes
На берегу Каспийского моря разглядели крупнейший оползень Земли На берегу Каспийского моря разглядели крупнейший оползень Земли

Сход оползня на берегу Каспийского моря вызвала трансгрессия моря в плейстоцене

N+1
Советские фильмы о школе и школьниках: 7 интересных ностальгических картин Советские фильмы о школе и школьниках: 7 интересных ностальгических картин

Красные галстуки, полеты в космос и, конечно, первая любовь

Playboy
Правила больничного, которые стоит запомнить Правила больничного, которые стоит запомнить

Все знают, как надо болеть, но поступают наоборот. Почему?

Cosmopolitan
Как Шайа Лабаф легализовал стиль бездомного Как Шайа Лабаф легализовал стиль бездомного

Почему Шайа Лабаф стал если не великим актером, то королем непринужденного стиля

РБК
Как трудно быть исключительным Как трудно быть исключительным

Представление о себе, которое ломает жизнь

VC.RU
Педаль в пол: как научиться передавать управление другим и продолжать двигаться к цели Педаль в пол: как научиться передавать управление другим и продолжать двигаться к цели

Три психологических красных светофора-препятствия и способы переключить их

Forbes
Звезды и благотворительность: кто занимается реальной помощью Звезды и благотворительность: кто занимается реальной помощью

Знаменитости нередко вступают в ряды благотворителей

Cosmopolitan
Похудеть на размер за 2 дня - диета Гвинет Пэлтроу поможет! Похудеть на размер за 2 дня - диета Гвинет Пэлтроу поможет!

Диета Гвинет Пэлтроу помогает сбросить несколько килограммов за два дня

Cosmopolitan
Синдром долгого горевания: почему вдовы не налаживают личную жизнь Синдром долгого горевания: почему вдовы не налаживают личную жизнь

Почему, пережив утрату, женщины не вступают в новые отношения?

Psychologies
Мемуары, недвижимость и пенсия: на чем зарабатывает Камала Харрис Мемуары, недвижимость и пенсия: на чем зарабатывает Камала Харрис

Что еще, кроме работы в правительстве, приносит Камале Харрис доход?

Forbes
Мария Бразговская Мария Бразговская

Автор масштабных психотерапевтических онлайн-курсов Мария Бразговская

Собака.ru
«Это хорошо — хотеть большего»: миллиардер Мордашов выступил в защиту «жадности» бизнеса «Это хорошо — хотеть большего»: миллиардер Мордашов выступил в защиту «жадности» бизнеса

Богатейший миллиардер России Алексей Мордашов: жадность — это двигатель России

Forbes
Наталия Белохвостикова. Защищаю любовь Наталия Белохвостикова. Защищаю любовь

Наталия Белохвостикова рассказывает о своей жизни и сложностях усыновления

Караван историй
Каннабис, премиум-шампанское и агенты для спортсменов: на чем заработал свои $1,4 млрд первый рэпер-миллиардер Jay-Z Каннабис, премиум-шампанское и агенты для спортсменов: на чем заработал свои $1,4 млрд первый рэпер-миллиардер Jay-Z

Jay-Z первый рэпер-миллиардером, заработавший состояние не только на музыке

VC.RU
Отношения кошек и хозяев предложили разделить на пять типов Отношения кошек и хозяев предложили разделить на пять типов

Выделили пять основных типов взаимодействия кошек и хозяев

N+1
Открыть в приложении