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

Самый человечный человек Самый человечный человек

Юрист-идеалист, ставший мировым символом сопротивления

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
Атомно-силовой микроскоп разглядел отдельные аминокислоты в белках Атомно-силовой микроскоп разглядел отдельные аминокислоты в белках

Новый метод микроскопии позволяет следить за конформацией биомолекул

N+1
Подземные дворцы и не только: самые красивые в мире станции метро Подземные дворцы и не только: самые красивые в мире станции метро

В разных частях света можно найти невероятные в своем убранстве станции метро

Вокруг света
Мысли материальны: позитивный настрой при раке не менее важен, чем само лечение Мысли материальны: позитивный настрой при раке не менее важен, чем само лечение

Вместе с экспертом выясняем, что медицина думает насчет психосоматики

Cosmopolitan
Выпускные экзамены: 5 правил выживания для... родителей Выпускные экзамены: 5 правил выживания для... родителей

Психолог: как родителям не сойти с ума от волнения во время выпускных экзаменов

Psychologies
«Счастья нет», заявляет группа «Колибри» и прощается с поклонниками «Счастья нет», заявляет группа «Колибри» и прощается с поклонниками

Как прошла презентация нового и последнего альбома «Колибри»

СНОБ
Величие под слоем ржавчины и грудой обломков: 7 амбициозных построек ХХ века Величие под слоем ржавчины и грудой обломков: 7 амбициозных построек ХХ века

Прошлое столетие было веком амбиций

Вокруг света
Как правильно загорать в солярии: 7 советов от врача Как правильно загорать в солярии: 7 советов от врача

Как загореть в солярии и не навредить себе

Cosmopolitan
Палеогенетики секвенировали ДНК из курганов катакомбной культуры в Калмыкии Палеогенетики секвенировали ДНК из курганов катакомбной культуры в Калмыкии

Группу курганов в Калмыкии оставили кочевники-скотоводы

N+1
Вечно беременная: как частые роды влияют на тело — на примере Костенко и других Вечно беременная: как частые роды влияют на тело — на примере Костенко и других

Эти мамы не думают о том, как частые беременности могут повлиять на здоровье

Cosmopolitan
Численность редких пиренейских рысей выросла до 1111 особей Численность редких пиренейских рысей выросла до 1111 особей

Редкие пиренейские рыси все еще находится под угрозой исчезновения.

N+1
Новый ровер будет добывать воду на Луне, прожигая грунт ракетным двигателем Новый ровер будет добывать воду на Луне, прожигая грунт ракетным двигателем

Masten Space Systems разрабатывает роботизированный вездеход Rocket M

Популярная механика
Как тысячи спутников разрушают озоновый слой Земли: ученые бьют тревогу Как тысячи спутников разрушают озоновый слой Земли: ученые бьют тревогу

Низкое качество алюминия в ступтниках негативно влияет на озоновый слой Земли

Популярная механика
8 (по)потрясных латиноамериканских песен 8 (по)потрясных латиноамериканских песен

Эти песни были посланы свыше, чтобы ты смог скоротать начало лета под них

Maxim
Разведка Эрдогана: зачем Турции военные базы в Азербайджане Разведка Эрдогана: зачем Турции военные базы в Азербайджане

Почему Эрдоган заговорил о военных базах в Азербайджане?

Forbes
Вирус гепатита B заперли в клетке из ДНК Вирус гепатита B заперли в клетке из ДНК

Капсулы из молекул ДНК смогут нейтрализовать вирусы размером до 300 нанометров

N+1
Даже на 100 кг! Юмористки, которые очень сильно похудели Даже на 100 кг! Юмористки, которые очень сильно похудели

Некоторые звезды комедии сильно худеют. Причем до неузнаваемости!

Cosmopolitan
Какие книги по саморазвитию мы выбираем сегодня? Какие книги по саморазвитию мы выбираем сегодня?

Как менялся наш интерес к книгам по саморазвитию?

Psychologies
4 стиля общения: какой наиболее эффективен? 4 стиля общения: какой наиболее эффективен?

Можно выделить всего четыре стиля коммуникации

Psychologies
Разрыв шаблонов Разрыв шаблонов

Арт – это не только самовыражение. Порой это еще и психотерапия

Playboy
10 опасных животных, которые кажутся безобидными 10 опасных животных, которые кажутся безобидными

Немножко неудобной правды о братьях наших меньших

Maxim
Шум моторных лодок заглушил любовные песни рыб-жаб Шум моторных лодок заглушил любовные песни рыб-жаб

Шумовое загрязнение нарушает коммуникацию этих рыб

N+1
Дамские романы: как две сестры создали компанию стоимостью $225 млн, придумывая мобильные игры «для девочек» Дамские романы: как две сестры создали компанию стоимостью $225 млн, придумывая мобильные игры «для девочек»

Как ставка на женскую аудиторию помогла сестрам Накадзима заработать $141,5 млн

Forbes
Стыдно признаться: Алина Фаркаш про стереотипы о Стыдно признаться: Алина Фаркаш про стереотипы о

Можно не любить котиков и фильмы Вуди Аллена, но признаваться в этом нельзя!

Cosmopolitan
Наталия Белохвостикова. Защищаю любовь Наталия Белохвостикова. Защищаю любовь

Наталия Белохвостикова рассказывает о своей жизни и сложностях усыновления

Караван историй
Почему не стоит говорить коллегам: «Мне нужно, чтобы ты…» Почему не стоит говорить коллегам: «Мне нужно, чтобы ты…»

Как корректно формулировать просьбы, пожелания и замечания на работе

Psychologies
Конец Запорожской Сечи Конец Запорожской Сечи

Самостоятельность казаков приносила империи слишком много проблем

Дилетант
Его хотели назвать Curva и с птицами он не связан: как появился шрифт Calibri, один из самых известных в мире Его хотели назвать Curva и с птицами он не связан: как появился шрифт Calibri, один из самых известных в мире

История шрифта Calibri, основного шрифта Microsoft

VC.RU
«У моего сына аутизм»: история глазами отца «У моего сына аутизм»: история глазами отца

Папа мальчика с аутизмом о том, почему все эти трудности сделали его сильнее

Psychologies
Открыть в приложении