Сверхзвуковые флейты Гефеста
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.
