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

Генерал Касем, правитель Ирака Генерал Касем, правитель Ирака

В период с 1958 по 1963 год чаще всего на марках Ирака появлялся генерал Касем

Дилетант
Премиум для всех. Тест-драйв Chery Tiggo 8 Pro Премиум для всех. Тест-драйв Chery Tiggo 8 Pro

Chery Tiggo 8 Pro — флагманский китайский кроссовер

СНОБ
«В восемь лет мой сын не хотел жить»: как я справилась со школьной травлей «В восемь лет мой сын не хотел жить»: как я справилась со школьной травлей

История о том, как удалось остановить буллинг в школе

Cosmopolitan
Что смотреть летом: 12 новых сериалов, которые нельзя пропустить Что смотреть летом: 12 новых сериалов, которые нельзя пропустить

В нашей подборке - сериалы на любой вкус

Cosmopolitan
Самозащита без оружия Самозащита без оружия

Психолог: что такое личные границы и как грамотно их выстроить?

Лиза
15 мыслей Майка Тайсона 15 мыслей Майка Тайсона

Лучшие вдохновляющие и мотивирующие мысли Майкла Тайсона

GQ
Как правильно целоваться? Как правильно целоваться?

Чтобы довольными остались все участники процесса

GQ
Ну здравствуй, это я Ну здравствуй, это я

Пэрис Хилтон возвращается — на волне интереса к нулевым

Tatler
Эмоциональное планирование: как услышать свои истинные желания Эмоциональное планирование: как услышать свои истинные желания

Мы можем осознавать свои эмоции, в идеале — управлять ими

Psychologies
4 шага, чтобы наладить диалог со своей Тенью 4 шага, чтобы наладить диалог со своей Тенью

Что общего между перфекционизмом, заниженной самооценкой и трудной судьбой?

Psychologies
Отраслевые особенности устойчивого развития: телекоммуникационная сфера Отраслевые особенности устойчивого развития: телекоммуникационная сфера

Направления работы компаний сферы телеком в повестке устойчивого развития

Forbes
7 комедийных киноактеров и комиков, которые исполняли драматические роли 7 комедийных киноактеров и комиков, которые исполняли драматические роли

Комедийные актеры, которые блистательно справились с драматическими персонажами

Maxim
10 причин, по которым не жалко расстаться с друзьями 10 причин, по которым не жалко расстаться с друзьями

Из-за чего стоит порвать с тем, кого считал своим другом?

Cosmopolitan
Лучшие короткие книги: 19 захватывающих произведений, которые можно прочесть за день Лучшие короткие книги: 19 захватывающих произведений, которые можно прочесть за день

Подборка интересных книг объемом менее 200 страниц

Playboy
Можно ли найти жизнь на Венере и как это будет сделано Можно ли найти жизнь на Венере и как это будет сделано

Комплекс исследований, способный раскрыть историю Венеры

Популярная механика
Еда — это медитация Еда — это медитация

Легкая и чистая диета, апофеоз осознанности

Tatler
Если у вас ребенок и собака одновременно Если у вас ребенок и собака одновременно

Каково одновременно растить малютку и держать собаку?

Cosmopolitan
Одна вокруг света: забастовка на дороге и самое толстое дерево в мире Одна вокруг света: забастовка на дороге и самое толстое дерево в мире

123-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко, Мексика

Forbes
Нужно ли вмешиваться в чужие конфликты? Нужно ли вмешиваться в чужие конфликты?

Так стоит ли пытаться мирить близких людей?

Psychologies
«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
Бегите к Торлониа Бегите к Торлониа

Выставка «Мраморы Торлониа. Собирая шедевры» сенсационна даже по меркам Рима

Weekend
Шут или герой нашего времени: чему стоит поучиться у Моргенштерна? Шут или герой нашего времени: чему стоит поучиться у Моргенштерна?

Почему Моргенштерн вызывает столько эмоций и чему это может нас научить?

Psychologies
4 программы для совместной работы с документами 4 программы для совместной работы с документами

Какие программы лучше всего подходят для домашнего офиса

CHIP
Ученые исключили происхождение китайских домашних кошек от китайских горных кошек Ученые исключили происхождение китайских домашних кошек от китайских горных кошек

Китайские горные кошки страдают от гибридизации с домашними

N+1
Дело жизни Дело жизни

Научное определение сексуальности

Psychologies
Енот-детектив, аниме против инопланетян и чертоги разума: 7 видеоигр на лето Енот-детектив, аниме против инопланетян и чертоги разума: 7 видеоигр на лето

Backbone, Ratchet & Clank: Rift Apart и другие крупные игровые релизы

Esquire
За деньги не рожаем За деньги не рожаем

Как демографический переход меняет мир и семью?

Эксперт
Ольга Виниченко. Приходите завтра Ольга Виниченко. Приходите завтра

Ольга Виниченко приехала с двумя чемоданами в Москву и покорила ее

Коллекция. Караван историй
Очень холодное блюдо: 10 фильмов о жестокой мести Очень холодное блюдо: 10 фильмов о жестокой мести

Десять разных фильмов о мести – от комедий до кровавых триллеров

Cosmopolitan
Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2020 года Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2020 года

Нестандартный биосинтез, мюоны и грозы, и высокочастотные волны от реки

Наука и жизнь
Открыть в приложении