АВТО БЛОГ YAMAHA-VOLGA.RU

Реактивная тяга: Для чего нужны реактивные тяги в автомобиле?

18 мая, 2023 by admin

Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель / Хабр

Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга — это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла.

Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг, начальная скорость пули 700 м/с, а скорострельность 10 выстр./с. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс). Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.

Выстрел из АК

Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа.

Почему ксенон?

Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.
Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т. е. когда в нём закончится рабочая масса).

И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.

Схема полёта к Марсу на ИРД

ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.

Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.

Laser Interferometer Space Antenna

И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг, ускоряющие напряжение U=50 кВ, ток нейтрализации I=0,5 А, элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл.

Напряжение — это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток — это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход — это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.

Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.

Реактивная тяга | это… Что такое Реактивная тяга?

Реактивная тяга — сила, возникающая в результате взаимодействия двигательной установки с истекающей из сопла струей расширяющихся жидкости или газа, обладающих кинетической энергией^[1].

В основу возникновения реактивной тяги положен закон сохранения импульса. Реактивная тяга обычно рассматривается как сила реакции отделяющихся частиц. Точкой приложения её считают центр истечения — центр среза сопла двигателя, а направление — противоположное вектору скорости истечения продуктов сгорания (или рабочего тела, в случае не химического двигателя) . То есть, реактивная тяга:

• приложена непосредственно к корпусу реактивного двигателя;
• обеспечивает передвижение реактивного двигателя и связанного с ним объекта в сторону, противоположную направлению реактивной струи^[2].

Реактивное движение в природе

Среди растений реактивное движение встречается у созревших плодов бешеного огурца. При созревании растения его плод отцепляется от плодоножки. Под большим давлением из плода выбрасывается жидкость с семенами, которая направлена в противоположное направление движению плода^[3].

Среди животного мира реактивное движение встречается у кальмаров, осьминогов, медуз, каракатиц, морских гребешков и других. Перечисленные животные передвигаются, выбрасывая вбираемую ими воду.

Величина реактивной тяги

Формула при отсутствии внешних сил

Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени.

, где

 — масса ракеты

 — её ускорение

 — скорость истечения газов

 — расход массы топлива в единицу времени

Поскольку скорость истечения продуктов сгорания (рабочего тела) определяется физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями двигателя, являясь постоянной величиной при не очень больших изменениях режима работы реактивного двигателя, то величина реактивной силы определяется в основном массовым секундным расходом топлива. ^[1]

Доказательство

До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения сумма изменений векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю: , где

 — изменение скорости ракеты

Разделим обе части равенства на интервал времени t, в течение которого работали двигатели ракеты:

Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения a по определению равно силе, вызывающей это ускорение:

Уравнение Мещерского

Основная статья: Уравнение Мещерского

Если же на ракету, кроме реактивной силы , действует внешняя сила , то уравнение динамики движения примет вид:

Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы. Ускорение тела переменной массы определяется не только внешними силами , действующими на тело, но и реактивной силой , обусловленной изменением массы движущегося тела:

Формула Циолковского

Основная статья: Формула Циолковского

Применив уравнение Мещерского к движению ракеты, на которую не действуют внешние силы, и проинтегрировав уравнение, получим формулу Циолковского^[4]:

Релятивистское обобщение этой формулы имеет вид:

, где  — скорость света.

См. также

• Реактивный двигатель
• Ракетный двигатель
• Ракета

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Военный энциклопедический словарь ракетных войск стратегического назначения / Министерство обороны РФ.; Гл.ред.: И. Д. Сергеев, В. Н. Яковлев, Н. Е. Соловцов. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 456,476-477. — ISBN 5-85270-315-X
2. ↑ Реактивная тяга Глоссарий.ru
3. ↑ Реактивное движение :: Классная физика
4. ↑ Двигатели — Реактивное движение ASTROLAB.ru

Ссылки

• Реактивное движение
• Реактивное движение

Тяга реактивного двигателя | Энциклопедия MDPI

Знакомое объяснение реактивной тяги — это описание «черного ящика», в котором рассматривается только то, что входит в реактивный двигатель, воздух и топливо, и то, что выходит, выхлопные газы и неуравновешенная сила. Эта сила, называемая тягой, представляет собой сумму разницы количества движения между входом и выходом и любой неуравновешенной силы давления между входом и выходом, как описано в разделе «Расчет тяги». Например, ранний турбореактивный двигатель Bristol Olympus Mk. 101, имел импульсную тягу 9300 фунтов и тяга давления 1800 фунтов, что в сумме дает 11 100 фунтов. Заглянув внутрь «черного ящика», можно увидеть, что тяга является результатом всех неуравновешенных сил импульса и давления, создаваемых внутри самого двигателя. Эти силы, некоторые из которых направлены вперед, а некоторые — назад, действуют на все внутренние детали, как неподвижные, так и вращающиеся, такие как воздуховоды, компрессоры и т. д., которые находятся в первичном газовом потоке, протекающем через двигатель спереди назад. Алгебраическая сумма всех этих сил передается на планер для движения. «Полет» дает примеры этих внутренних сил для двух ранних реактивных двигателей, Rolls-Royce Avon Ra.14 и de Havilland Goblin 9. 0003

1. Передача тяги на самолет

Тяга двигателя действует вдоль осевой линии двигателя. Самолет «держит» двигатель на внешнем кожухе двигателя на некотором расстоянии от осевой линии двигателя (у опор двигателя). Такая компоновка вызывает изгиб корпуса двигателя (известный как изгиб хребта) и деформацию круглых корпусов роторов (овализация). Деформация конструкции двигателя должна контролироваться с помощью подходящих мест установки, чтобы поддерживать приемлемые зазоры ротора и уплотнения и предотвращать трение. Широко разрекламированный пример чрезмерной деформации конструкции произошел с оригинальным Pratt & Whitney JT9.Установка двигателя D на самолет Боинг 747. ^[1] Пришлось изменить схему крепления двигателя, добавив дополнительную опорную раму, чтобы уменьшить прогиб корпуса до приемлемого уровня. ^{[2] [3]}

2. Упор ротора

Упор ротора на упорный подшипник не связан с тягой двигателя. Он может даже изменить направление на некоторых оборотах. Нагрузка на подшипник определяется исходя из соображений срока службы подшипника. Хотя аэродинамические нагрузки на лопатки компрессора и турбины вносят свой вклад в тягу ротора, они малы по сравнению с нагрузками полости внутри ротора, возникающими из-за давления в системе вторичного воздуха и диаметров уплотнений на дисках и т. д. Чтобы удерживать нагрузку в пределах спецификации подшипника, уплотнение диаметры выбраны соответственно, как и много лет назад на задней поверхности рабочего колеса ^[4] в двигателе de Havilland Ghost. Иногда внутри ротора необходимо добавить дополнительный диск, известный как уравновешивающий поршень. Ранним примером турбореактивного двигателя с уравновешивающим поршнем ^[5] был Rolls-Royce Avon.

3. Расчет тяги

Чистая тяга ( F _N ) двигателя определяется по формуле: ^{[6] :p16}

[математика]\displaystyle{ F_N =( \ точка{m}_{воздух} + \dot{m}_{топливо}) v_e — \dot{m}_{воздух} v }[/math]

Большинство типов реактивных двигателей имеют воздухозаборник, который обеспечивает основную часть жидкости, выходящей из выхлопных газов.

Если скорость струи реактивного двигателя равна скорости звука, говорят, что сопло реактивного двигателя засорено. Если сопло засорено, давление в выходной плоскости сопла превышает атмосферное давление, и к приведенному выше уравнению необходимо добавить дополнительные члены, чтобы учесть силу давления. ^[6]

Скорость потока топлива, поступающего в двигатель, часто очень мала по сравнению со скоростью потока воздуха.

[математика]\displaystyle{ F_N = \dot{m}_{воздух} (v_e — v) }[/math]

Скорость реактивной струи ( v _e ) должна превышать истинную воздушную скорость самолета ( v ), если должна быть чистая тяга самолета вперед. Скорость ( v _e ) может быть рассчитана термодинамически на основе адиабатического расширения. ^[7]

4. Увеличение тяги

Увеличение тяги принимает различные формы, чаще всего для компенсации недостаточной взлетной тяги. Некоторым ранним реактивным самолетам требовалась ракетная помощь для взлета с высотных аэродромов или при высокой дневной температуре. Более поздний самолет, сверхзвуковой бомбардировщик Туполев Ту-22, был оснащен четырьмя взлетными ускорителями СПРД-63. ^[8] Возможно, самым экстремальным требованием, требующим помощи ракеты, и которое было недолгим, был запуск с нулевой длины. Почти столь же экстремальной, но очень распространенной является помощь катапульт с авианосцев. Во время полета также использовалась ракетная помощь. Разгонный двигатель SEPR 841 использовался на Dassault Mirage для перехвата на большой высоте. ^[9]

Ранние устройства с задним вентилятором, которые добавляли обводной поток воздуха к турбореактивному двигателю, были известны как усилители тяги. ^[10] г. Кормовой вентилятор, установленный на турбореактивном двигателе General Electric CJ805-3, увеличил взлетную тягу с 11 650 фунтов до 16 100 фунтов.

Впрыск воды или другой охлаждающей жидкости, ^[11] Впрыск в компрессор или камеру сгорания и впрыск топлива в форсунку (дожигание/повторный нагрев) стали стандартными способами увеличения тяги, известными как «мокрая» тяга, чтобы различать не- усиление «сухой» тяги.

Впрыск охлаждающей жидкости (охлаждение перед компрессором) вместе с дожиганием использовался для увеличения тяги на сверхзвуковых скоростях. «Skyburner» McDonnell Douglas F-4 Phantom II установил мировой рекорд скорости, используя впрыск воды перед двигателем. ^[12]

При больших числах Маха форсажные камеры обеспечивают постепенно большую тягу двигателя по мере того, как тяга турбомашины падает до нуля, при которой степень повышения давления в двигателе (ЭПР) падает до 1,0, и вся тяга двигателя поступает от форсаж. Форсажная камера также должна компенсировать потерю давления в турбомашине, которая является элементом сопротивления на более высоких скоростях, когда ЭПР будет меньше 1,0. ^{[13] [14]}

Увеличение тяги существующих форсажных двигателей для специальных кратковременных задач было предметом исследований по выведению малых полезных грузов на низкие околоземные орбиты с использованием таких самолетов, как McDonnell Douglas F-4 Phantom II , McDonnell Douglas F-15 Eagle, Dassault Rafale и Микоян МиГ-31, ^[15] , а также для доставки экспериментальных пакетов на большие высоты с помощью Lockheed SR-71. ^[16] В первом случае требуется увеличение существующей максимальной скорости для орбитальных запусков. Во втором случае требуется увеличение тяги в пределах имеющегося скоростного потенциала. В первом случае используется охлаждение на входе компрессора. Карта компрессора показывает, что воздушный поток уменьшается с увеличением температуры на входе в компрессор, хотя компрессор по-прежнему работает на максимальных оборотах (но с уменьшенной аэродинамической скоростью). Охлаждение компрессора на входе увеличивает аэродинамическую скорость, расход и тягу. Во втором случае допускалось небольшое увеличение максимальной механической скорости и температуры турбины, впрыск закиси азота в форсажную камеру и одновременное увеличение расхода топлива на форсажной камере.

Как работает турбовентиляторный двигатель?

Жоао Карлос Медау

Когда вы садитесь в самолет, вы можете не думать о двигателях. Но это единственная причина, по которой 700 000 фунтов алюминия и пассажиров могут летать по воздуху со скоростью, равной 80% скорости звука. Так как же они работают? Давайте взглянем.

Основы

Реактивные двигатели, также называемые газовыми турбинами, работают за счет всасывания воздуха в переднюю часть двигателя с помощью вентилятора. Оттуда двигатель сжимает воздух, смешивает с ним топливо, воспламеняет топливно-воздушную смесь и выбрасывает ее из задней части двигателя, создавая тягу.

Boldmethod

Это довольно простое объяснение того, как это работает, так что давайте взглянем на каждую часть реактивного двигателя, чтобы увидеть, что происходит на самом деле.

Детали реактивного двигателя

Существует 4 основных типа газотурбинных двигателей, но в этом примере мы будем использовать турбовентиляторный двигатель, который сегодня является наиболее распространенным типом газотурбинного двигателя, используемого в реактивных самолетах.

Boldmethod

Вентилятор

Первая часть ТРД — это вентилятор. Это также та часть, которую вы можете увидеть, когда смотрите на переднюю часть самолета.

Вентилятор, который почти всегда сделан из титановых лопастей, всасывает в двигатель огромное количество воздуха.

Воздух проходит через две части двигателя. Часть воздуха направляется в сердцевину двигателя, где и происходит сгорание. Остальной воздух, называемый «байпасным воздухом», перемещается снаружи ядра двигателя по воздуховоду. Этот перепускной воздух создает дополнительную тягу, охлаждает двигатель и делает его тише, заглушая отработавший воздух, выходящий из двигателя. В современных турбовентиляторных двигателях перепускной воздух создает большую часть тяги двигателя.

Boldmethod

Компрессор

Компрессор расположен в первой части ядра двигателя. А это, как вы, наверное, догадались, сжимает воздух .

Компрессор, который называется «компрессор с осевым потоком», использует серию вращающихся лопастей аэродинамической формы для ускорения и сжатия воздуха. Это называется осевым потоком, потому что воздух проходит через двигатель в направлении, параллельном валу двигателя (в отличие от центробежного потока).

Когда воздух проходит через компрессор, каждый набор лопастей становится немного меньше, добавляя воздуху больше энергии и сжатия.

Между каждым набором лопаток компрессора находятся неподвижные лопатки аэродинамической формы, называемые «статорами». Эти статоры (которые также называются лопастями) увеличивают давление воздуха за счет преобразования энергии вращения в статическое давление. Статоры также готовят воздух для входа в следующий набор вращающихся лопастей. Другими словами, они «выпрямляют» поток воздуха.

Boldmethod

В сочетании пара вращающихся и неподвижных лопастей называется сценой.

Камера сгорания

В камере сгорания происходит возгорание. Когда воздух выходит из компрессора и поступает в камеру сгорания, он смешивается с топливом и воспламеняется.

Звучит просто, но на самом деле это очень сложный процесс. Это связано с тем, что камера сгорания должна поддерживать стабильное сгорание топливно-воздушной смеси, в то время как воздух проходит через камеру сгорания с чрезвычайно высокой скоростью.

Boldmethod

Корпус содержит все части камеры сгорания, и внутри него диффузор — это первая часть, которая работает.

Диффузор замедляет поток воздуха из компрессора, облегчая воспламенение. Купол и завихритель создают турбулентность воздуха, чтобы он легче смешивался с топливом. А топливная форсунка, как вы, наверное, догадались, распыляет топливо в воздух, создавая топливно-воздушную смесь, которая может воспламениться.

Оттуда, в гильзе происходит фактическое возгорание. Вкладыш имеет несколько впускных отверстий, что позволяет воздуху поступать в несколько точек зоны горения.

Последней основной частью является воспламенитель, который очень похож на свечи зажигания в вашем автомобиле или самолете с поршневым двигателем. Как только воспламенитель зажигает огонь, он становится самоподдерживающимся, и воспламенитель выключается (хотя его часто используют в качестве резервного в плохую погоду и в условиях обледенения).

Турбина

Когда воздух проходит через камеру сгорания, он проходит через турбину. Турбина представляет собой набор лопаток аэродинамической формы, очень похожих на лопатки компрессора. Когда горячий, высокоскоростной воздух обтекает лопасти турбины, они извлекают энергию из воздуха, вращая турбину по кругу и вращая вал двигателя, к которому она подключена.

Это тот же вал, к которому подключены вентилятор и компрессор, поэтому, вращая турбину, вентилятор и компрессор в передней части двигателя продолжают всасывать больше воздуха, который вскоре смешивается с топливом и сжигается.

Сопло

Последний этап процесса происходит в сопле. Сопло — это, по сути, выхлопной канал двигателя, и через него сзади выбрасывается высокоскоростной воздух.

Это также та часть, где вступает в действие третий закон сэра Исаака Ньютона: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Проще говоря, вытесняя воздух из задней части двигателя на высокой скорости, самолет толкается вперед.

В некоторых двигателях также есть смеситель в выхлопном сопле. Это просто смешивает часть перепускного воздуха, обтекающего двигатель, с горячим воздухом сгорания, делая двигатель тише.

Собираем все вместе

Реактивные двигатели создают невероятную тягу, втягивая воздух, сжимая его, воспламеняя и выпуская сзади.

Comments |0|