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

Габриэле Д’Аннунцио Габриэле Д’Аннунцио

Современный читатель знает о нём в лучшем случае двустишие Маяковского...

Дилетант
Стоит поучиться? Принципы жизни Кейт Миддлтон – о семье, питании, буллинге Стоит поучиться? Принципы жизни Кейт Миддлтон – о семье, питании, буллинге

Герцогиня Кембриджская уже давно стала для многих примером для подражания

Cosmopolitan
Семейские ценности Семейские ценности

Потомки старообрядцев, оказавшихся в Забайкалье в XVIII веке, сохранили веру

Вокруг света
Мнение: только плохие управленцы хотят вернуть сотрудников обратно в офис — так им проще скрывать своё безделье Мнение: только плохие управленцы хотят вернуть сотрудников обратно в офис — так им проще скрывать своё безделье

Как удаленная работа лишает менеджеров среднего звена деятельности

VC.RU
#glam_promusic: Slava Marlow #glam_promusic: Slava Marlow

Slava Marlow зажег новую звезду — имени себя

Glamour
Жизнь в будущем: Алина Фаркаш о том, как нам всем повезло Жизнь в будущем: Алина Фаркаш о том, как нам всем повезло

Я бы, наверное, с ума бы сошла от радости, если бы мне сейчас было пятнадцать

Cosmopolitan
Северная доставка Северная доставка

Как компания из Архангельска стала крупнейшим игроком на рынке фудтеха

Forbes
Чем бизнесу грозит утечка пользовательских данных и как себя от этого обезопасить Чем бизнесу грозит утечка пользовательских данных и как себя от этого обезопасить

С ростом количества персональной информации в онлайне растет и угроза ее утечки

Inc.
«Вы ботаник? Это прекрасно!»: Пол Грэм о том, почему «яростные ботаники» — недооценённая группа «Вы ботаник? Это прекрасно!»: Пол Грэм о том, почему «яростные ботаники» — недооценённая группа

Эти люди часто кажутся застенчивыми, но они умны и конкурентноспособны

VC.RU
7 привычек, которые мешают нашему счастью 7 привычек, которые мешают нашему счастью

Что такое счастье лично для вас? И какие привычки мешают достичь этого?

Psychologies
Лошадь, которой нет Лошадь, которой нет

В центрах реинтродукции лошади Пржевальского занимаются исправлением ошибок

Вокруг света
«Зеленый» фильтр из синтетической древесины очищает воду так же, как тропические растения «Зеленый» фильтр из синтетической древесины очищает воду так же, как тропические растения

Прибор очищает воду с помощью транспирации — так же, как это делают растения

Популярная механика
Прекрасная роза! Самые яркие выходы звезд в свет в платьях с цветочным принтом Прекрасная роза! Самые яркие выходы звезд в свет в платьях с цветочным принтом

Звезды, которые вышли на красную дорожку в платьях с цветочным принтом

Cosmopolitan
Одеться в космос Одеться в космос

Рассказываем, какую одежду носят космонавты

N+1
Правила жизни Альбера Эльбаза Правила жизни Альбера Эльбаза

Правила жизни модного дизайнера Альбера Эльбаза

Esquire
«Я боюсь причинить неудобство другим людям»: когда на самом деле стыдиться не за что «Я боюсь причинить неудобство другим людям»: когда на самом деле стыдиться не за что

Отрывок из книги Ирины Адлер — о неуверенности и чувстве вины

Forbes
Какая стиральная машина лучше? Интервью с мастером по ремонту Какая стиральная машина лучше? Интервью с мастером по ремонту

Эксперт: как выбрать надежную стиральную машинку и какие поломки не стоит чинить

CHIP
IQ-тест — ничто, когнитивная гибкость — все IQ-тест — ничто, когнитивная гибкость — все

Креативность, хорошее воображение, чувство эмпатии куда важнее, чем IQ

Популярная механика
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
Лучшие шутки папы римского Франциска Лучшие шутки папы римского Франциска

Про тещу, виски, Тарзана и кое-что еще. Папа может!

Maxim
Лазер в современных войнах: будущее светового оружия Лазер в современных войнах: будущее светового оружия

Как проходят «лазерные бои» в реальной жизни?

Популярная механика
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
5 необычных товаров, созданные мировыми брендами 5 необычных товаров, созданные мировыми брендами

Мед от Porsche, пулемет от Samsung и сосиски от Volkswagen

Maxim
Кладбище, медведь и кабачковая икра: Александр Генис о путешествиях автостопом. Рассказ из сборника «Без очереди» Кладбище, медведь и кабачковая икра: Александр Генис о путешествиях автостопом. Рассказ из сборника «Без очереди»

Отрывок из рассказа Александра Гениса «Попутчик»

СНОБ
Барби-футбол, танк и мертвый жеребенок — самые нелепые  покупки звезд Барби-футбол, танк и мертвый жеребенок — самые нелепые  покупки звезд

Самых нелепые, шокирующие и, конечно, дорогие покупки знаменитостей

VOICE
Когда все вокруг стали родителями: 12 чувств бездетной подруги Когда все вокруг стали родителями: 12 чувств бездетной подруги

Что чувствует та, кто не спешит обременять себя материнскими обязанностями?

Cosmopolitan
Как распознать, что ваш первый клиент — не то, что нужно Как распознать, что ваш первый клиент — не то, что нужно

Как распознать «неправильного» первого клиента

Inc.
5 главных травм при беге 5 главных травм при беге

О травмах надо помнить всегда, особенно когда собираешься пробежать марафон

GQ
Вся правда о кетодиете Вся правда о кетодиете

Что такое кетодиета, почему она так популярна и кому действительно показана?

Лиза
О чем вы перестанете переживать, осознав свою ценность? О чем вы перестанете переживать, осознав свою ценность?

Стремитесь доказать окружающим, что достойны любви, уважения или повышения?

Psychologies
Открыть в приложении