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

Наталья Мазур: Театр – субъективное искусство Наталья Мазур: Театр – субъективное искусство

Наталья Мазур рассуждает о магии театра и делится репертуарными планами

Ведомости
Мужской взгляд на короткую стрижку Мужской взгляд на короткую стрижку

Что думает он — длинные или короткие волосы для девушки лучше?

Cosmopolitan
Не надо работать в Goldman Sachs Не надо работать в Goldman Sachs

Эссе сооснователя Netflix Марка Рэндольфа

Inc.
В сетях В сетях

Режиссер Егор Исаев рассказывает о жертвах бытового преследования

GQ
6 тюрем строгого режима, за ночь в которых не жалко отдать свободу 6 тюрем строгого режима, за ночь в которых не жалко отдать свободу

Отели, которые мастерски замаскировались под казематы и остроги

Maxim
Большой брат: как в разных странах легально следят за людьми даже дома Большой брат: как в разных странах легально следят за людьми даже дома

В США и Китае каждый человеческий шаг отслеживается камерами видеонаблюдения

Популярная механика
Советские автомобили, не украденные у Запада Советские автомобили, не украденные у Запада

История советского автопрома — по большей части летопись сворованных проектов

Maxim
Путешествующее с прошлого марта стадо слонов добралось до столицы провинции Юньнань Путешествующее с прошлого марта стадо слонов добралось до столицы провинции Юньнань

Семейная группа слонов путешествует по Китарю и добралось до города Куньмин

N+1
Надежда есть: вакцина от болезни Альцгеймера прошла клинические испытания Надежда есть: вакцина от болезни Альцгеймера прошла клинические испытания

Жизнь пациентов с болезнью Альцгеймера может существенно измениться

Cosmopolitan
Скальпель наголо! Лучшие сериалы про врачей Скальпель наголо! Лучшие сериалы про врачей

Самые увлекательные медицинские сериалы

Cosmopolitan
10 мужских поступков, которые никогда не поймет женщина 10 мужских поступков, которые никогда не поймет женщина

Почему мужчины совершают поступки, которые ты никогда не поймешь

Cosmopolitan
Самая продаваемая в Колумбии книга. Отрывок из «Суки» Пилар Кинтаны Самая продаваемая в Колумбии книга. Отрывок из «Суки» Пилар Кинтаны

Отрывок из откровенной и проникновенной книги Пилар Кинтаны

СНОБ
Как выглядят мужья и жены звезд шоу «Однажды в России»: комики и обычные люди Как выглядят мужья и жены звезд шоу «Однажды в России»: комики и обычные люди

С кем счастливы Азамат Мусагалиев, Ольга Картункова и другие телезвезды

Cosmopolitan
«Еще совсем недавно русский актер был рабом». Отрывок из книги Линн Гарафолы «Русский балет Дягилева» «Еще совсем недавно русский актер был рабом». Отрывок из книги Линн Гарафолы «Русский балет Дягилева»

О том, как революцию 1905 года встречали «люди искусства»

СНОБ
Ученые, ставшие фантастами: Барбара Хэмбли и Аркади Мартин Ученые, ставшие фантастами: Барбара Хэмбли и Аркади Мартин

Писательницы-историки, использующие свои знания в фантастических романах

Популярная механика
Принять на грудь Принять на грудь

Индустрия красоты жаждет всерьез заняться вашей грудью

Vogue
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
ГИБДД начала штрафовать с помощью дронов. Где они летают и как наказывают ГИБДД начала штрафовать с помощью дронов. Где они летают и как наказывают

Беспилотники ГИБДД дежурят на региональных и федеральных автомагистралях

РБК
Мезозой, городские джунгли и челюсти человека: 5 нескучных книг об эволюции Мезозой, городские джунгли и челюсти человека: 5 нескучных книг об эволюции

5 книг, которые помогут посмотреть на естественный отбор с непривычных ракурсов

Популярная механика
Как заставить девушку полюбить футбол Как заставить девушку полюбить футбол

Как подсадить девушку на футбол?

Maxim
«Я ничего не успеваю!»: как избавиться от постоянной спешки «Я ничего не успеваю!»: как избавиться от постоянной спешки

«Болезнь загнанности» — состояние, в котором вы постоянно торопитесь

Psychologies
Коллекция автомобилей Пирса Броснана идеально соответствует статусу бывшего агента 007 Коллекция автомобилей Пирса Броснана идеально соответствует статусу бывшего агента 007

Изучаем содержимое гаража агента 007 Пирса Броснана

GQ
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
Вот почему у древнеегипетских статуй отбитые носы Вот почему у древнеегипетских статуй отбитые носы

Носы отсутствуют у большинства из сфинксов, и это неспроста

Maxim
Как надолго задержать дыхание под водой и не умереть: 5 простых шагов Как надолго задержать дыхание под водой и не умереть: 5 простых шагов

Сейчас мы научим тебя пребывать в состоянии статического апноэ больше 10 минут

Maxim
«Если ты делаешь культурный проект, то можешь и не есть»: как Алена Бочарова и Кирилл Сорокин делают Beat Film Festival «Если ты делаешь культурный проект, то можешь и не есть»: как Алена Бочарова и Кирилл Сорокин делают Beat Film Festival

Создатели Beat Film Festival: как научились монетизировать документальные фильмы

Forbes
В древнеримских катакомбах нашли останки раба из Нубии или Сахары В древнеримских катакомбах нашли останки раба из Нубии или Сахары

Раб, которого вынудили проделать путь в 2500 километров в I–III веках нашей эры

N+1
Какое мужское качество женщины считают наиболее сексуальным? Какое мужское качество женщины считают наиболее сексуальным?

Зря ли ты качал мышцы, дарил подарки, спешил к ней на помощь чинить кран

Maxim
Роботы с русской душой: как выпускник ВГИКа придумал сельский киберпанк, который оценил даже Дмитрий Рогозин Роботы с русской душой: как выпускник ВГИКа придумал сельский киберпанк, который оценил даже Дмитрий Рогозин

Русская деревня с роботами, кибердоярками и фрактальными огурцами на грядках

Inc.
Евгений Водолазкин о пластиковых бутылках в Средневековье, хронофагах и ДиКаприо Евгений Водолазкин о пластиковых бутылках в Средневековье, хронофагах и ДиКаприо

Евгений Водолазкин – об экранизации своего романа, времени и хронофагах

Cosmopolitan
Открыть в приложении