Реактивна тяга - сила, що виникає в результаті взаємодії рухової установки з струменем, що витікає з сопла, розширюються рідини або газу, що володіють кінетичною енергією [1] . В основу виникнення реактивної тяги покладено закон збереження імпульсу. Реактивна тяга зазвичай розглядається як сила реакції частинок, що відокремлюються. Точкою застосування її вважають центр закінчення - центр зрізу сопла двигуна, а напрямок - протилежний вектору швидкості закінчення продуктів згоряння (або робочого тіла, у разі не хімічного двигуна). Тобто, реактивна тяга: Серед рослин реактивний рух зустрічається у дозрілих плодів скаженого огірка. При дозріванні рослини його плід відчіплюється від плодоніжки. Під великим тиском із плоду викидається рідина з насінням, яка спрямована в протилежний напрямок руху плода [3] . Серед тваринного світу реактивний рух зустрічається у кальмарів, восьминогів, медуз, каракатиць, морських гребінців та інших. Перелічені тварини пересуваються, викидаючи воду, що вбирається ними. Якщо немає зовнішніх сил, то ракета разом із викинутою речовиною є замкнутою системою. Імпульс такої системи не може змінюватись у часі. - Маса ракети - її прискорення - швидкість закінчення газів - Витрата маси палива в одиницю часу Оскільки швидкість закінчення продуктів згоряння (робочого тіла) визначається фізико-хімічними властивостями компонентів палива та конструктивними особливостями двигуна, будучи постійною величиною при невеликих змінах режиму роботи реактивного двигуна, то величина реактивної сили визначається в основному масовою секундною витратою палива. [1] До початку роботи двигунів імпульс ракети та пального дорівнював нулю, отже, і після включення сума змін векторів імпульсу ракети та імпульсу витікаючих газів дорівнює нулю: , де Розділимо обидві частини рівності на інтервал часу t, протягом якого працювали двигуни ракети: Добуток маси ракети m на прискорення її руху a за визначенням дорівнює силі, що викликає це прискорення: Якщо ж на ракету, крім реактивної сили , діє зовнішня сила , то рівняння динаміки руху набуде вигляду: Формула Мещерського є узагальнення другого закону Ньютона для руху тіл змінної маси. Прискорення тіла змінної маси визначається не тільки зовнішніми силами, що діють на тіло, але і реактивною силою, обумовленої зміною маси тіла, що рухається: Застосувавши рівняння Мещерського до руху ракети, яку не діють зовнішні сили, і проінтегрувавши рівняння, отримаємо формулу Ціолковського [4] : Релятивістське узагальнення цієї формули має вигляд:
Wikimedia Foundation. 2010 .
Реактивна тяга — сила, що виникає в результаті взаємодії реактивної рухової установки з струменем, що витікає з сопла, розширюється рідини або газу, що володіють кінетичною енергією. В основу виникнення реактивної тяги покладено закон збереження імпульсу. Реактивна тяга зазвичай розглядається як сила реакції частинок, що відокремлюються. Точкою застосування її вважають центр закінчення - центр зрізу сопла двигуна, а напрямок - протилежний вектору швидкості закінчення продуктів згоряння (або робочого тіла, у разі не хімічного двигуна). Тобто реактивна тяга: Тяга (англ. thrust) - сила, що виробляється двигунами і штовхає літак крізь повітряне середовище. Тязі протистоїть лобовий опір. У прямолінійному горизонтальному польоті, що встановився, вони приблизно рівні. Якщо пілот збільшує тягу, додаючи обертів двигунів, і зберігає постійну висоту, тяга перевершує опір повітря. Літак при цьому пришвидшується. Досить швидко опір збільшується і знову зрівнює тягу. Літак стабілізується на постійній, але вищій. Ракетний двигун - реактивний двигун, джерело енергії та робоче тіло якого знаходяться в самому засобі пересування. Ракетний двигун - єдиний практично освоєний спосіб виведення корисного навантаження на орбіту навколо Землі. Удільний імпульс – показник ефективності реактивного двигуна.Іноді для реактивних двигунів використовується синонім «питома тяга» (термін має й інші значення), при цьому питома тяга застосовується зазвичай у внутрішній балістиці, тоді як питомий імпульс у зовнішній балістиці. Розмірність питомого імпульсу якщо відома маса (кг) є розмірність швидкості, у системі одиниць СІ це метр на секунду. Якщо ж замість маси відома вага (у Ньютонах), то розмірністю питомого імпульсу. Маршовий двигун (англ. sustainer) - основний двигун літального апарату, призначений для приведення апарату в рух, що працює до досягнення апаратом його мети, або до кінця активної ділянки польоту апарату, або ступеня багатоступінчастої ракети. Назва служить на відміну від двигунів стартових або розгінних прискорювачів, рульових, орієнтаційних та інших допоміжних двигунів літального апарату. «ЗРД з відкритим циклом», «ЗРД без допалювання» (англ. Gas-generator cycle) — схема роботи рідинного ракетного двигуна, що використовує два рідкі компоненти - пальне та окислювач. Частина палива спалюється в газогенераторі й отриманий гарячий газ, який часто називають генераторним газом, використовується для приведення в дію паливних насосів, після чого скидається. Відкриту схему ЗРД також називають газогенераторним циклом. У деяких випадках для приводу турбіни використовується окреме паливо. Турбонасосний агрегат (скорочено - ТНА) - агрегат системи подачі рідких компонентів ракетного палива або робочого тіла в рідинному ракетному двигуні або рідкого палива в деяких авіаційних двигунах (наприклад, в прямоточному повітряно-реактивному двигуні). Турбонасосний агрегат складається з одного або декількох насосів від газової турбіни (парогазової). Робоче тіло турбіни зазвичай утворюється в газогенераторах чи парогазогенераторах. Рідкісні ракетні двигуни з турбонасосним. Рідкісний ракетний двигун (ЖРД) - хімічний ракетний двигун, що використовує як паливо рідини, у тому числі зріджені гази. За кількістю використовуваних компонентів розрізняються одно-, дво- та трикомпонентні РРД. Реактивний двигун - двигун, що створює необхідну для руху силу тяги за допомогою перетворення внутрішньої енергії палива в кінетичну енергію реактивного струменя робочого тіла. Нью́тон (російське позначення: Н; міжнародне: N) — одиниця виміру сили в Міжнародній системі одиниць (СІ). Твердопаливний ракетний двигун (РДТТ — ракетний двигун твердого палива; іноді неправильно пишеться як «твердопаливний») використовує як паливо тверде пальне та окислювач. Електричний ракетний двигун (ЕРД) - ракетний двигун, принцип роботи якого заснований на перетворенні електричної енергії в спрямовану кінетичну енергію частинок. Також зустрічаються назви, що включають реактивний слова і рушій. Форсажна камера (форкамера або ФК) - камера згоряння в турбореактивному двигуні, розташована за його турбіною. Управління вектором тяги (УВТ) реактивного двигуна - відхилення реактивного струменя двигуна від напрямку, що відповідає крейсерському режиму. Двигуна установка космічного апарату Привід, система космічного апарату, що забезпечує його прискорення. Перетворює різні види енергії на механічну, при цьому можуть відрізнятися як джерела енергії, так і самі способи перетворення. Кожен спосіб має свої переваги та недоліки, їх дослідження та пошук нових варіантів продовжуються до цього дня. Найбільш поширений тип рухової установки космічного апарату - хімічний ракетний двигун, у якому газ із високою. Прискорювач - додатковий, зазвичай одноразовий і скидається, реактивний пристрій, що включає при старті літального апарату, для прискорення його розгону або скорочення розбігу при зльоті. ЗРД замкнутої схеми (ЗРД закритого циклу) - рідинний ракетний двигун, виконаний за схемою з допалюванням генераторного газу. У ракетному двигуні замкнутої схеми один з компонентів газифікується в газогенераторі за рахунок спалювання при відносно невисокій температурі з невеликою частиною іншого компонента, і гарячий газ, що отримується, використовується в якості робочого тіла турбіни турбонасосного агрегату (ТНА). Сгенератор, що спрацював на турбіні, потім подається в камеру згоряння двигуна, куди. Камера згоряння - об'єм, утворений сукупністю деталей двигуна або печі (в останньому випадку камера згоряння називається топкою), в якому відбувається спалювання горючої суміші або твердого палива. Конструкція камери згоряння визначається умовами роботи та призначенням механізму чи печі в цілому; як правило використовуються жароміцні матеріали. Рідкий водень (ЖВ, жH2, жH2, LH2, LH2) — рідкий агрегатний стан водню, з низькою щільністю − 0,07 г/см³, та кріогенними властивостями з точкою замерзання 14,01 K (−259,14 °C) та точкою кипіння 20,28 K (-252,87 ° C). Є безбарвною рідиною без запаху, яка при змішуванні з повітрям відноситься до вибухонебезпечних речовин з діапазоном коефіцієнта займання 4-75%. Спинове співвідношення ізомерів у рідкому водні складає: 99,79% - параводень; 0,21% - ортоводород. Коефіцієнт розширення. Сопло Лаваля - газовий канал особливого профілю, що розганяє газовий потік, що проходить по ньому, до надзвукових швидкостей. Широко використовується на деяких типах парових турбін і є важливою частиною сучасних ракетних двигунів та надзвукових реактивних авіаційних двигунів. Рідкий кисню (ЖК, жO2, LOX) - рідина блідо-синього кольору, яка відноситься до сильних парамагнетиків. Є одним із чотирьох агрегатних станів кисню. Рідкий кисень має щільність 1,141 г/см³ та має помірно кріогенні властивості з точкою замерзання 50,5 K (−222,65 °C) та точкою кипіння 90,188 K (−182,96 °C). Гіперзвукова швидкість (ГС) в аеродинаміці - швидкості, які значно перевершують швидкість звуку в атмосфері. Робоче тіло — у теплотехніці та термодинаміці умовне незмінне матеріальне тіло, що розширюється при підведенні до нього теплоти і стискається при охолодженні та виконує роботу з переміщення робочого органу теплової машини. У теоретичних розробках робоче тіло зазвичай має властивості ідеального газу. Надзвукова швидкість - швидкість частинок речовини вище швидкості звуку або поширення хвилі стиснення (ударної хвилі), для даної речовини, або швидкість тіла, що рухається в речовині з більш високою швидкістю, ніж швидкість звуку для даного середовища. Іонний двигун — тип електричного ракетного двигуна, принцип роботи якого ґрунтується на створенні реактивної тяги на базі іонізованого газу, розігнаного до високих швидкостей в електричному полі. Перевагою цього типу двигунів є мала витрата палива і тривалий час функціонування (максимальний термін безперервної роботи найсучасніших зразків іонних двигунів становить понад три роки). «Сопловий насадок» («СН») — частина сопла реактивного або ракетного двигуна, що висувається, призначена для збільшення його ефективності в розріджених шарах атмосфери або у вакуумі. Соплові насадки можуть використовуватися як на рідинних ракетних двигунах (ЖРД), так і на твердопаливних та гібридних. "Цикл з фазовим переходом" (ЦФП, англ. Expander cycle) - безгенераторна схема роботи рідинного ракетного двигуна (ЖРД), яка призначена для підвищення ефективності паливного циклу. При схемі ЦФП паливо нагрівається до його спалювання, зазвичай використовуючи ту частину тепла, що втрачається головної камери згоряння, яке йде на обігрів стінок камери, і зазнає фазовий перехід. Отримана за рахунок перетворення палива на газ різниця тиску використовується для подачі паливних компонентів, збереження. Гіперзвуковий літальний апарат (ГЛА, ГЗЛА) - літальний апарат (ЛА), здатний здійснювати політ в атмосфері з гіперзвуковою швидкістю (більшою або рівною 5 М) і маневрувати з використанням аеродинамічних сил. Сопло - це канал змінного або постійного поперечного перерізу круглої, прямокутної або іншої форми, призначений для подачі рідин або газів з певною швидкістю та в потрібному напрямку. Конструювання сопла засноване на розрахунку розмірів каналу, що забезпечують задану вихідну швидкість рідини або газу. Принцип дії сопла заснований на витіканні рідини чи газу рахунок перепаду їх тисків по довжині каналу сопла. Тетраоксид діазоту (азотний тетраоксид, АТ, «аміл») - речовина з формулою N2O4, що переважає в рідині, одержаній охолодженням діоксиду азоту нижче точки кипіння. Це теоретично безбарвна, але практично забарвлена в жовто-коричневий колір (обумовлений домішкою мономерного діоксиду азоту) летюча отруйна рідина з їдким запахом. Температура кипіння при атмосферному тиску +21,15 °C, кристалізації -11 °C. У кристалічному вигляді при температурах нижче -12 ° C безбарвний. Головний обтічник - передня частина ракети чи літака. Має форму, що забезпечує найменший аеродинамічний опір. Головні обтічники можуть розроблятися для підводного або дуже швидкого наземного руху. Активна частина польоту (активна ділянка траєкторії) - ділянка польоту літального апарату, на якій працює маршовий двигун апарату, як правило - ракетний. Ракетне паливо - речовини, що використовуються в ракетних двигунах різних конструкцій для отримання тяги та прискорення ракети за допомогою енергії хімічної реакції (горіння). Питома теплота згоряння ракетного палива повинна бути не нижчою за 43 МДж/кг. Клиноповітряний ракетний двигун (англ.Aerospike engine, Aerospike, КВРД) - тип рідинного ракетного двигуна (ЖРД) з клиноподібним соплом, що підтримує аеродинамічну ефективність у широкому діапазоні висот над поверхнею Землі з різним тиском атмосфери. КВРД відноситься до класу ракетних двигунів, сопла яких здатні змінювати тиск газового струменя, що минає, в залежності від зміни атмосферного тиску зі збільшенням висоти польоту (англ. Altitude compensating nozzle). Двигун. Кілограм-сила (російське позначення: кгс або кг; міжнародне: kgf або kgF) - одиниця сили в системі одиниць МКГСС; поряд з метром та секундою є основною одиницею цієї системи. III Генеральна конференція з мір і ваг (1901) дала цій одиниці таке визначення: «кілограм-сила дорівнює силі, яка повідомляє масі, що спокою, рівної масі міжнародного прототипу кілограма, прискорення, що дорівнює нормальному прискоренню вільного падіння (9,80665 м/с2)» . Система управління ракети - система управління (СУ), невід'ємна частина ракети, поряд з двигуном, баками компонентів та конструкцією, що несе. Ракета не може виконувати свої функції без системи управління. Система орієнтації космічного апарату - одна з бортових систем космічного апарату, що забезпечує певне положення осей апарату щодо деяких заданих напрямків. Необхідність цієї системи обумовлена такими завданнями. Дозвукова швидкість - швидкість руху тіла (транспортного засобу, в окремому випадку), менша ніж швидкість поширення звукових коливань при заданих умовах у заданому середовищі. Ядерний ракетний двигун (ЯРД) - різновид ракетного двигуна, що використовує енергію поділу або синтезу ядер для створення реактивної тяги. Абляційний захист (від лат. ablatio - відібрання; винесення маси) - технологія захисту космічних кораблів, теплозахист на основі абляційних матеріалів, конструктивно складається з силового набору елементів (асбестотекстолітові кільця) і «обмазки», що складається з фенолформальдегідних смол або схожі. Багатоступінчаста ракета - літальний апарат, що складається з двох або більше механічно з'єднаних ракет, званих сходами, що поділяються в польоті. Багатоступінчаста ракета дозволяє досягти швидкості більшої, ніж кожна з її щаблів окремо. Стартовий двигун (англійська мова — launch motor, скорочено — launcher, можливі варіанти назви залежно від конкретного різновиду, див. різновиди) — елемент силової (рухової) установки ракети, літального апарату, реактивного снаряда або бойового запасу, що використовує реактивний принцип руху (далі - Ракета), призначений для приведення ракети в рух зі стану готовності до пуску, надання їй необхідного прискорення і розгону до необхідної швидкості, разом з іншими. Реактивна система управління (англ. Reaction Control System, RCS) - система двигунів орієнтації, встановлена на орбітерах "Спейс шаттл" і призначена для точного управління просторовим положенням корабля та виконання маневрів у космічному просторі. Тягоозброєність - відношення тяги до ваги, точніше - до тяжкості. Розрізняють тягозброєність як двигуна, так і літального апарату, у другому випадку співвідносять тягу від усіх двигунів. Для транспортних засобів, відмінних від літального апарату і не використовують реактивні рушії, коректніше застосовувати термін енергоозброєність, який носить більш загальну природу. Тверде ракетне паливо - тверда речовина або суміш окремих речовин, здатна горіти без доступу повітря, виділяючи при цьому велику кількість газоподібного робочого тіла, нагрітого до високої температури. Використовується у твердопаливних ракетних двигунах для створення реактивної тяги. Корисна навантаження (англ. payload) - термін, який застосовується в багатьох галузях науки і техніки. Крейсерська швидкість (круїзна швидкість) - швидкість тривалого руху живої істоти або транспортного засобу з максимальною швидкістю, незначне перевищення якої досягається значним збільшенням витрати енергії на одиницю колії. Раке́та (від італ. rocchetta — маленьке веретено, через нього. Rakete або нідерл. raket) — літальний апарат, що рухається в просторі за рахунок дії реактивної тяги, що виникає тільки внаслідок відкидання частини власної маси (робочого тіла) апарату і без використання речовини з навколишнього середовища. середовища. Оскільки політ ракети не вимагає обов'язкової наявності навколишнього повітряного чи газового середовища, то він можливий не тільки в атмосфері, а й у вакуумі. Словом ракета позначають широкий спектр літаючих. Аеродинамічна якість літального апарату - відношення підйомної сили до лобового опору (або відношення їх коефіцієнтів) в потоковій системі координат при цьому куті атаки. Перша космічна швидкість (кругова швидкість) - мінімальна (для заданої висоти над поверхнею планети) швидкість, яку необхідно надати об'єкту, щоб він здійснював рух по круговій орбіті навколо планети. Перша космічна швидкість для орбіти, розташованої поблизу Землі, становить 7,91 км/с. Вперше було досягнуто космічним апаратом СРСР 4 жовтня 1957 р.(Перший штучний супутник). Не секрет, що всі реактивні двигуни працюють за рахунок закону збереження імпульсу. Саме з нього випливає, що реактивна тяга - це добуток масової витрати на швидкість виходу робочого тіла із сопла. Цю швидкість прийнято називати питомим імпульсом реактивного двигуна. Давайте, наприклад, знайдемо реактивну тягу при стрільбі з автомата Калашнікова, яка є основною складовою віддачі. Нехай маса кулі буде 0,016 кг, початкова швидкість кулі 700 м/с, а скорострільність 10 вистр./с. Тоді віддача F=700∙0,016∙10=112 Н (або 11 кгс). Велика віддача, але тут наведена технічна скорострільність 600 вистр./хв. Насправді стрілянина ведеться чергами чи одиночними і становить ≈50 вистр./хв. Повернемося до реальних реактивних двигунів, в яких замість куль зазвичай використовуються потоки газу, що виходить з гіперзвуковою швидкістю. Хімічні реактивні двигуни є найпоширенішими, але не єдиними. Зазвичай в ІРД як робоче тіло використовується газ ксенон, оскільки він має найменшу енергію іонізації серед інертних газів. Питомий імпульс іонних реактивних двигунів досягає 50 км/с, що у 150 разів перевищує швидкість звуку! На жаль, тяга таких двигунів становить близько 0,2 Н. Чому ж так? Адже питомий імпульс дуже великий. Справа в тому, що маса іонів дуже маленька і масова витрата виходить невеликою. Навіщо тоді такі двигуни потрібні, якщо вони нічого не зможуть зрушити з місця? На Землі може бути не зможуть, а от у космосі, де немає сил опору, вони є досить ефективними. Існує таке поняття як повний імпульс - добуток тяги на час або добуток імпульсу на масу палива, що у ІРД є досить великим. Розв'яжемо наступне завдання. Нехай рідинний ракетний двигун має питомий імпульс 5 км/сек, а в нашого ІРД він буде 50 км/сек. І давайте маса робочого тіла (в ЗРД вона дорівнює масі палива) у обох двигунів буде 50 кг. Приймемо масу космічного апарату, що дорівнює 100 кг. І що виходить, якщо іонний та хімічний реактивні двигуни матимуть однакову масу палива, то ІРД зможе розігнати космічний апарат до більших швидкостей, ніж хімічний РД. Щоправда, на ІРД космічний апарат буде розганятися довше до кінцевої швидкості, ніж на ЖРД.Але в подорожах до далеких планет, висока кінцева (розгінна) швидкість компенсуватиме цей недолік. ІРД використовують і в наш час. Наприклад, апарат Deep Space 1 зблизився з астероїдом Брайль та кометою Бореллі, передав на Землю значний обсяг цінних наукових даних та зображень. Також космічна антена LISA, яка зараз перебуває на стадії проектування, використовуватиме ІРД для коригування орбіти.
І насамкінець, давайте визначимо тягу ІРД, знаючи масу іона М=6,5∙10^-26 кг, що прискорюють напругу U=50 кВ, Струм нейтралізації I = 0,5 А, елементарний заряд е=1,6∙10^-16 Кл. Напруга — це з перенесення заряду, тобто. на виході з сопла іон матиме кінетичну енергію рівну добутку напруги на заряд іона. З кінетичної енергії виражаємо швидкість (питомий імпульс). Знайдемо масову витрату з визначення струму, електричний струм — це заряд у часі, що проходить. Виходить, що масова витрата - це добуток маси іона і струму, поділений на заряд іона. Перемножуючи питому імпульс і масову витрату, отримуємо тягу рівну 0,1 Н. Підсумовуючи, хочу сказати, що існують плазмові реактивні двигуни, у яких подібний пристрій, але які мають набагато більшу масову витрату робочого тіла. Хто знає, можливо вже завтра на таких двигунах людство літатиме на Марс та Місяць.Реактивна тяга
Реактивний рух у природі
Величина реактивної тяги
Формула за відсутності зовнішніх сил
Доказ
Рівняння Мещерського
Формула Ціолковського
також
Примітки
Посилання
Корисне
Дивитись що таке "Реактивна тяга" в інших словниках:
Реактивна тяга
Пов'язані поняття
Реактивна тяга або як влаштований іонний реактивний двигун
У цій статті, з великою передмовою, я хочу розповісти про іонні реактивні двигуни (далі ІРД). ІРД використовують як робоче тіло заряджені частинки — іони. Іони мають масу, і якщо їх розігнати електричним полем, можна створити реактивну тягу. Це все теоретично, а тепер докладніше. ІРД має деякий запас газу, який іонізують (тобто нейтрально-заряджені атоми газу розбивають на негативні електрони та позитивні іони) за допомогою газового розряду. Далі іони розганяються електричним полем за допомогою спеціальної системи сіток, і ця система сіток блокує рух електронів.Після того, як позитивні іони вилетіли з сопла, їх нейтралізують негативними електронами (у результаті відбувається рекомбінація і газ починає світитися), щоб іони не притягувалися назад до двигуна, і тим самим не знижували його тяги.
Знайдемо за формулою Ціолковського кінцеву швидкість апарату (тобто. коли у ньому закінчиться робоча маса).
Laser Interferometer Space Antenna