Принцип реактивного движения.
Принцип реактивного движения заключается в том, что этот вид движения возникает тогда, когда происходит отделение с некоторой скоростью, от тела его части. Классическим примером реактивного движения служит движение ракеты. К особенностям данного движения можно отнести то, что тело получает ускорение без взаимодействия с другими телами. Так, движение ракеты происходит за счет изменения ее массы. Масса ракеты уменьшается при истечении газов, которые возникают при сгорании топлива. Рассмотри движение ракеты. Допустим, что масса ракеты равна , а ее скорость в момент времени . Спустя время масса ракеты уменьшается на величину и становится равна: , скорость ракеты становится равной .
Тогда изменение импульса за время можно представить как:
где — скорость истечения газов по отношению к ракете. Если принять, что — величина малая высшего порядка в сравнении с остальными, то получим:
При действии на систему внешних сил () изменение импульса представим как:
Приравниваем правые части формул (2) и (3), получаем:
где выражение — носит название реактивной силы. При этом, если направления векторов и противоположны, то ракета ускоряется, в противном случае она тормозит. Уравнение (4) носит название уравнения движения тела переменной массы. Его часто записывают в виде (уравнение И.В. Мещерского):
Идея использования реактивной силы была предложена еще в XIX веке. Позднее К.Э. Циолковский выдвинул теорию движения ракеты и сформулировал основы теории жидкостного реактивного двигателя. Если положить, что на ракету не действуют внешние силы, то формула (4) получит вид:
Проинтегрировав уравнение (6) и выразив скорость , считая стартовой массой ракеты величину , а начальную скорость ракеты положить равной нулю, можно получить формулу, которая носит имя Циолковского:
Из формулы Циолковского видно, что чем больше конечная масса ракеты (), тем больше должна быть ее стартовая масса (). Чем больше величина скорости истечения газов (), тем больше может быть конечная масса при фиксированной стартовой массе ракеты.
Реактивное движение в технике. Реактивные двигатели
Реактивное движение в технике. Реактивные двигатели
- Подробности
- Просмотров: 677
Физические основы реактивного движения
Большое значение закон сохранения импульса имеет при рассмотрении реактивного движения.
Особенность реактивной силы заключается в том, что она возникает в результате взаимодействия между собой частей самой системы без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
В то время, как сила, сообщающая ускорение, например, пешеходу, кораблю или самолету, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.
Так движение тела можно получить в результате вытекания струи жидкости или газа.
В природе реактивное движение присуще в основном живым организмам, обитающим в водной среде.
В технике реактивное движение используется на речном транспорте (водометные двигатели), в автомобилестроении (гоночные автомобили), в военном деле, в авиации и космонавтике.
Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями, т.к. они способны обеспечить необходимую скорость полета.
В космическом пространстве использовать другие двигатели, кроме реактивных, невозможно, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой можно было бы бы получать ускорение.
История развития реактивной техники
Создателем русской боевой ракеты был ученый-артиллерист К.И. Константинов. При весе в 80 кг далььность полета ракеты Константинова достигала 4 км.
Идея применения реактивного движения в летательном аппарате, проект реактивного воздухоплавательного прибора, в 1881 году была выдвинута Н.И. Кибальчичем.
В 1903 году знаменитый ученый-физик К.Э. Циолковский доказал возможность полета в межпланетном пространстве и разработал проект первого ракетоплана с жидкостно-реактивным двигателем.
К.Э. Циолковский спроектировал космический ракетный поезд, составленный из ряда ракет, работающих поочередно и отпадающих по мере израсходования горючего.
Принципы применения реактивных двигателей
Основой любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой при сгорании топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Газы вырываются из узкого сопла ракеты с большой скоростью и создают реактивную тягу. В соответствии с законом сохранения импульса, ракета приобретает скорость в противоположном направлении.
Импульс системы (ракета-продукты сгорания) остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянной скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения.
Движение ракеты — это пример движения тела с переменной массой. Для расчета ее скорости используют закон сохранения импульса.
Реактивные двигатели делятся на ракетные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.
Ракетные двигатели бывают на твердом или на жидком топливе.
В ракетных двигателях на твердом топливе топливо, содержащее и горючее, и окислитель, помешают внутрь камеры сгорания двигателя.
В жидкостно-реактивных двигателях, предназначенных для запуска космических кораблей, горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания. В качестве горючего в них можно использовать керосин, бензин, спирт, жидкий водород и др., а в качестве окислителя, необходимого для горения, — жидкий кислород, азотную кислоту, и др.
Современные трехступенчатые космические ракеты запускаются вертикально, а после прохода плотных слоев атмосферы переводятся на полет в заданном направлении. Каждая ступень ракеты имеет свой бак с горючим и бак с окислителем, а также свой реактивный двигатель. По мере сгорания топлива отработанные ступени ракеты отбрасываются.
Воздушно-реактивные двигатели в настоящее время применяют главным образом в самолетах. Основное их отличие от ракетных двигателей состоит в том, что окислителем для горения топлива служит кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.
К воздушно-реактивным двигателям относятся турбокомпрессорные двигатели как с осевым, так и с центробежным компрессором.
При очень болььших скоростях полета сжатие газов в камере сгорания можно осуществить за счет встречного набегающего воздушного потока. Необходимость в компрессоре отпадает.
Так устроены прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Поэтому при полетах в плотных слоях атосферы для более полного использования мощности реактивного двигателя на валу турбины устанавливают воздушный винт.
Динамика — Класс!ная физика
Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона — Второй закон Ньютона — Третий закон Ньютона — Свободное падение тел — Закон всемирного тяготения — Ускорение свободного падения на Земле и других небесных телах — Криволинейное движение. Равномерное движение тела по окружности — Искусственные спутники Земли (ИСЗ) — Импульс тела. Закон сохранения импульса — Реактивное движение в природе — Реактивное движение в технике. Реактивные двигатели — Закон Гука
Приведите примеры реактивного движения и объясните его принцип
Реактивное движение основано на законе сохранения импульса, и возникает тогда, когда часть движущегося тела отделяется от него с какой-то скоростью. Само тело при этом получает импульс, направленный в противоположную сторону.Из головоногих примечателен кальмар. Механизм реактивного движения у него за миллионы лет эволюции развился до такой степени, что некоторые виды кальмаров могут перемещаться со скоростью 70 км/ч под водой, за что кальмар получил название «живой торпеды». Если гребешки двигаются , по большей части, хаотично, так как не контролируют направление выброса воды из раковины, то кальмар на выходе водяной струи имеет своеобразное «сопло», которым может регулировать вектор выброса струи по своему желанию.
Из растений можно привести пример «бешеного огурца». В момент созревания происходит отрыв плода от плодоножки и в образовавшееся отверстие выбрасывается под давлением находившаяся там жидкость. Сам же огурец отлетает в противоположную выбросу сторону на 10-12 м.
Строго говоря, именно здесь происходит в полной мере реактивное движение, так как, в отличие от кальмара, огурец не использует для своего движения окружающую среду в качестве рабочего тела.
Развитие реактивного движения. Физические основы принципа реактивного движения
Реактивное движение (с точки зрения, примеров в природе) — движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.
Принцип реактивного движения основан на законе сохранения импульса изолированной механической системы тел:
То есть суммарный импульс системы частиц есть величина постоянная. При отсутствии внешних воздействий импульс системы равен нулю и изменить его возможно изнутри за счет реактивной тяги.
Реактивная тяга (с точки зрения, примеров в природе) — сила реакции отделяющихся частиц, которая приложена в точке центра истечения (у ракеты — центр среза сопла двигателя) и направлена противоположно вектору скорости отделяющихся частиц.
Масса рабочего тела (ракеты)
Общее ускорение рабочего тела
Скорость истечения отделяющихся частиц (газов)
Ежесекундный расход топлива
Реактивное движение можно обнаружить и в мире растений. В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием «бешеный огурец».
Латинское название рода Ecballium происходит от греческого слова со значением — выбрасываю, по устройству плода, выбрасывающего семена.
Плоды бешеного огурца сизо-зелёные или зелёные, сочные, продолговатые или продолговато-яйцевидные, длиной 4—6 см, шириной 1,5—2,5, щетинистые, на обоих концах тупые, многосемянные (рис 1). Семена удлинённые, мелкие, сжатые, гладкие, узко-окаймленные, длиной около 4 мм. При созревании семян окружающая их ткань превращается в слизистую массу. При этом, в плоде образуется большое давление, в результате чего плод отделяется от плодоножки, а семена вместе со слизью с силой выбрасываются наружу через образовавшееся отверстие. Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м (рис 2).
Морские животные
Многие морские животные пользуются для передвижения пользуются реактивным движением, среди них медузы, морские гребешки, осьминоги, кальмары, каракатицы, сальпы, некоторые виды планктона. Все они используют реакцию выбрасываемой струи воды, отличие состоит в строении тела, а следовательно в способе забора и выброса воды.
Морской моллюск-гребешок (рис 3) движется за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок. Он применяет этот вид движения в случае опасности.
Каракатицы (рис 4) и осьминоги (рис 5) забирают воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны. Осьминоги, складывая щупальца над головой, придают своему телу обтекаемую форму и могут таким образом управлять своим движением, изменяя его направление.
Осьминоги даже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами.
Сальпа (рис 6) — морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается и вода через заднее отверстие выталкивается наружу.
Кальмары (рис 7). Мышечная ткань — мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. Двигатель кальмара очень экономичен и способен развивать скорость до 60 — 70 км/ч. Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту или другую сторону. Поскольку такой руль по сравнению с самим животным имеет очень большие размеры, то достаточно его незначительного движения, чтобы кальмар, даже на полном ходу, легко мог увернуться от столкновения с препятствием. Но когда нужно плыть быстро, воронка всегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед.
Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя (см. Приложение).
Лучший пилот среди моллюсков — кальмар стенотевтис. Моряки называют его — «летающий кальмар». Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. К этой уловке он прибегает и спасая свою жизнь от хищников — тунцов и макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров — не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.
Английский исследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длиной всего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упал на мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров.
Случается, что на корабль сверкающим каскадом обрушивается множество летающих кальмаров. Античный писатель Требиус Нигер поведал однажды печальную историю о корабле, который будто бы даже затонул под тяжестью летающих кальмаров, упавших на его палубу.
Насекомые
Подобным образом перемещаются и личинки стрекоз. Причём не все, а длиннобрюхие, активно плавающие личинки стоячих (сем. Коромысла) и текучих (сем. Кордулегастры) вод, а также короткобрюхие ползающие личинки стоячих вод. Реактивное движение личинка использует главным образом в минуту опасности для того, чтобы быстро переместиться на другое место. Такой способ передвижения не предусматривает точного маневрирования и не пригоден для погони за добычей. Но личинки коромысел и не гоняются ни за кем — они предпочитают охоту из засады.
Задняя кишка личинки стрекозы, помимо своей основной функции, выполняет еще и роль органа движения. Вода заполняет заднюю кишку, затем с силой выбрасывается, и личинка перемещается по принципу реактивного движения на 6-8 см.
реактивный движение природа техника
Приложение
Законы Ньютона позволяют объяснить очень важное механическое явление — реактивное движение . Так называют движение тела, возникающее при отделении от него с какой-либо скоростью некоторой его части.
Возьмем, например, детский резиновый шарик, надуем его и отпустим. Мы увидим, что, когда воздух начнет выходить из него в одну сторону, сам шарик полетит в другую. Это и есть реактивное движение.
По принципу реактивного движения передвигаются некоторые представители животного мира, например кальмары и осьминоги. Периодически выбрасывая вбираемую в себя воду, они способны развивать скорость до 60-70 км/ч. Аналогичным образом перемещаются медузы, каракатицы и некоторые другие животные.
Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Например, созревшие плоды «бешеного» огурца при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки и из отверстия, образовавшегося на месте отделившейся ножки, с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении.
Реактивное движение, возникающее при выбросе воды, можно наблюдать на следующем опыте. Нальем воду в стеклянную воронку, соединенную с резиновой трубкой, имеющей Г-образный наконечник (рис. 20). Мы увидим, что, когда вода начнет выливаться из трубки, сама трубка придет в движение и отклонится в сторону, противоположную направлению вытекания воды.
На принципе реактивного движения основаны полеты ракет . Современная космическая ракета представляет собой очень сложный летательный аппарат, состоящий из сотен тысяч и миллионов деталей. Масса ракеты огромна. Она складывается из массы рабочего тела (т. е. раскаленных газов, образующихся в результате сгорания топлива и выбрасываемых в виде реактивной струи) и конечной или, как говорят, «сухой» массы ракеты, остающейся после выброса из ракеты рабочего тела.
«Сухая» масса ракеты, в свою очередь, состоит из массы конструкции (т. е. оболочки ракеты, ее двигателей и системы управления) и массы полезной нагрузки (т.е. научной аппаратуры, корпуса выводимого на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения корабля).
По мере истечения рабочего тела освободившиеся баки, лишние части оболочки и т. д. начинают обременять ракету ненужным грузом, затрудняя ее разгон. Поэтому для достижения космических скоростей применяют составные (или многоступенчатые) ракеты (рис. 21). Сначала в таких ракетах работают лишь блоки первой ступени 1. Когда запасы топлива в них кончаются, они отделяются и включается вторая ступень 2; после исчерпания в ней топлива она также отделяется и включается третья ступень 3. Находящийся в головной части ракеты спутник или какой-либо другой космический аппарат укрыт головным обтекателем 4, обтекаемая форма которого способствует уменьшению сопротивления воздуха при полете ракеты в атмосфере Земли.
Когда реактивная газовая струя с большой скоростью выбрасывается из ракеты, сама ракета устремляется в противоположную сторону. Почему это происходит?
Согласно третьему закону Ньютона, сила F, с которой ракета действует на рабочее тело, равна по величине и противоположна по направлению силе F», с которой рабочее тело действует на корпус ракеты:
Сила F» (которую называют реактивной силой) и разгоняет ракету.
Из равенства (10.1) следует, что сообщаемый телу импульс равен произведению силы на время ее действия. Поэтому одинаковые силы, действующие в течение одного и того же времени, сообщают телам равные импульсы. В данном случае импульс m р v р, приобретаемый ракетой, должен пульсу m газ v газ выброшенных газов:
m р v р = m газ v газ
Отсюда следует, что скорость ракеты
Проанализируем полученное выражение. Мы видим, что скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и чем больше отношение массы рабочего тела (т. е. массы топлива) к конечной («сухой») массе ракеты.
Формула (12.2) является приближенной. В ней не учитывается, что по мере сгорания топлива масса летящей ракеты становится все меньше и меньше. Точная формула для скорости ракеты впервые была получена в 1897 г. К. Э. Циолковским и потому носит его имя.
Формула Циолковского позволяет рассчитать запасы топлива, необходимые для сообщения ракете заданной скорости. В таблице 3 приведены отношения начальной массы ракеты m0 к ее конечной массе m, соответствующие разным скоростям ракеты при скорости газовой струи (относительно ракеты) v = 4 км/с.
Например, для сообщения ракете скорости, превышающей скорость истечения газов в 4 раза (v р =16 км/с), необходимо, чтобы начальная масса ракеты (вместе с топливом) превосходила конечную («сухую») массу ракеты в 55 раз (m 0 /m = 55). Это означает, что львиную долю от всей массы ракеты на старте должна составлять именно масса топлива. Полезная же нагрузка по сравнению с ней должна иметь очень малую массу.
Важный вклад в развитие теории реактивного движения внес современник К. Э. Циолковского русский ученый И. В. Мещерский (1859-1935). Его именем названо уравнение движения тела с переменной массой.
1. Что такое реактивное движение? Приведите примеры. 2. В опыте, изображенном на рисунке 22, при вытекании воды через изогнутые трубки ведерко вращается в направлении, указанном стрелкой. Объясните явление. 3. От чего зависит скорость, приобретаемая ракетой после сгорания топлива?
Реактивное движение в природе и технике
РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ
Реактивное движение — движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.
Реактивная сила возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
Применение реактивного движения в природе
Многие из нас в своей жизни встречались во время купания в море с медузами. Во всяком случае, в Черном море их вполне хватает. Но мало кто задумывался, что и медузы для передвижения пользуются реактивным движением. Кроме того, именно так передвигаются и личинки стрекоз, и некоторые виды морского планктона. И зачастую КПД морских беспозвоночных животных при использовании реактивного движения гораздо выше, чем у техноизобретений.
Реактивное движение используется многими моллюсками – осьминогами, кальмарами, каракатицами. Например, морской моллюск-гребешок движется вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок.
Осьминог
Каракатица
Каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движется в воде следующим способом. Она забирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны.
Сальпа — морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед.
Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшего совершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету (или лучше сказать – ракета копирует кальмара, поскольку ему принадлежит в этом деле бесспорный приоритет). При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань – мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. Двигатель кальмара очень экономичен, он способен развивать скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром кальмара называют “живой торпедой”. Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту или другую сторону. Поскольку такой руль по сравнению с самим животным имеет очень большие размеры, то достаточно его незначительного движения, чтобы кальмар, даже на полном ходу, легко мог увернуться от столкновения с препятствием. Резкий поворот руля – и пловец мчится уже в обратную сторону. Вот изогнул он конец воронки назад и скользит теперь головой вперед. Выгнул ее вправо – и реактивный толчок отбросил его влево. Но когда нужно плыть быстро, воронка всегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед, как бежал бы рак – скороход, наделенный резвостью скакуна.
Если спешить не нужно, кальмары и каракатицы плавают, ундулируя плавниками, – миниатюрные волны пробегают по ним спереди назад, и животное грациозно скользит, изредка подталкивая себя также и струей воды, выброшенной из-под мантии. Тогда хорошо заметны отдельные толчки, которые получает моллюск в момент извержения водяных струй. Некоторые головоногие могут развивать скорость до пятидесяти пяти километров в час. Прямых измерений, кажется, никто не производил, но об этом можно судить по скорости и дальности полета летающих кальмаров. И такие, оказывается, есть таланты в родне у спрутов! Лучший пилот среди моллюсков – кальмар стенотевтис. Английские моряки называют его – флайинг-сквид («летающий кальмар»). Это небольшое животное размером с селедку. Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. К этой уловке он прибегает и спасая свою жизнь от хищников – тунцов и макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров – не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.
Английский исследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длиной всего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упал на мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров.
Случается, что на корабль сверкающим каскадом обрушивается множество летающих кальмаров. Античный писатель Требиус Нигер поведал однажды печальную историю о корабле, который будто бы даже затонул под тяжестью летающих кальмаров, упавших на его палубу. Кальмары могут взлетать и без разгона.
Осьминоги тоже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами.
Мешковатые осьминоги плавают, конечно, хуже кальмаров, но в критические минуты и они могут показать рекордный для лучших спринтеров класс. Сотрудники Калифорнийского аквариума пытались сфотографировать осьминога, атакующего краба. Спрут бросался на добычу с такой быстротой, что на пленке, даже при съемке на самых больших скоростях, всегда оказывались смазки. Значит, бросок длился сотые доли секунды! Обычно же осьминоги плавают сравнительно медленно. Джозеф Сайнл, изучавший миграции спрутов, подсчитал: осьминог размером в полметра плывет по морю со средней скоростью около пятнадцати километров в час. Каждая струя воды, выброшенная из воронки, толкает его вперед (вернее, назад, так как осьминог плывет задом наперед) на два – два с половиной метра.
Реактивное движение можно встретить и в мире растений. Например, созревшие плоды “бешеного огурца” при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки, а из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.
Зная закон сохранения импульса можно изменять собственную скорость перемещения в открытом пространстве. Если вы находитесь в лодке и у вас есть несколько тяжёлых камней, то бросая камни в определённую сторону вы будете двигаться в противоположном направлении. То же самое будет и в космическом пространстве, но там для этого используют реактивные двигатели.
Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила.
Применение реактивного движения в технике
В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты — бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону
Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881 г. за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Кибальчич писал: “Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении…Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною”.
Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. В этой работе содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формула Циолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.
Реактивный двигатель – это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении.
Идея К.Э.Циолковского была осуществлена советскими учёными под руководством академика Сергея Павловича Королёва. Первый в истории искусственный спутник Земли с помощью ракеты был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г.
Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости, поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.
Устройство ракеты
В основе движения ракеты лежит закон сохранения импульса. Если в некоторый момент времени от ракеты будет отброшено какое-либо тело, то она приобретет такой же импульс, но направленный в противоположную сторону
В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).
Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).
Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Благодаря большой разности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве, газы из камеры сгорания мощнойструей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.
Перед стартом ракеты её импульс равен нулю. В результате взаимодействия газа в камере сгорания и всех остальных частей ракеты вырывающиёся через сопло газ получает некоторый импульс. Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и её общий импульс должен и после запуска равен нулю. Поэтому и оболочка ракеты совсем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению.
Наиболее массивную часть ракеты, предназначенную для старта и разгона всей ракеты, называют первой ступенью. Когда первая массивная ступень многоступенчатой ракеты исчерпает при разгоне все запасы топлива, она отделяется. Дальнейший разгон продолжает вторая, менее массивная ступень, и к ранее достигнутой при помощи первой ступени скорости она добавляет ещё некоторую скорость, а затем отделяется. Третья ступень продолжает наращивание скорости до необходимого значения и доставляет полезный груз на орбиту.
Первым человеком, который совершил полёт в космическом пространстве, был гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 г. Он облетел земной шар на корабле-спутнике «Восток»
Советские ракеты первыми достигли Луны, облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, первыми достигли планету Венера и доставили на её поверхность научные приборы. В 1986 г. Два советских космических корабля «Вега-1» и «Вега-2» с близкого расстояния исследовали комету Галлея, приближающуюся к Солнцу один раз в 76 лет.
Реактивное движение. Движение. Теплота
Реактивное движение
Человек движется, отталкиваясь от земли; лодка плывет потому, что гребцы отталкиваются веслами от воды; теплоход также отталкивается от воды, только не веслами, а винтами. Также отталкиваются от земли и поезд, идущий по рельсам, и автомашина, – вспомните, как трудно автомашине сдвинуться с места в гололедицу.
Итак, отталкивание от опоры – как будто бы необходимое условие движения; даже самолет и тот движется, отталкиваясь винтом от воздуха.
Однако так ли это? Нет ли какого-нибудь хитрого способа двигаться, ни от чего не отталкиваясь? Если вы катаетесь на коньках, то легко можете убедиться на своем опыте, что такое движение вполне возможно. Возьмите в руки тяжелую палку и встаньте на лед. Бросьте палку вперед – что произойдет? Вы покатитесь назад, хотя и не думали отталкиваться ногой от льда.
Явление отдачи, которое мы только что изучали, дает нам в руки ключ к осуществлению движения без опоры, движения без отталкивания. Отдача дает возможность ускорять движение и в безвоздушном пространстве, где уж решительно не от чего отталкиваться.
Отдача, вызываемая выбрасываемой из сосуда струей пара (реакция струи), использовалась еще в древности для создания любопытных игрушек. На рис. 32 изображена древняя паровая турбина, изобретенная во втором веке до нашей эры. Шаровой котел опирался на вертикальную ось. Вытекая из котла через коленчатые трубки, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар вращался.
В наши дни использование реактивного движения уже вышло далеко за пределы создания игрушек и сбора интересных наблюдений. Двадцатый век называют иногда веком атомной энергии, однако с не меньшим основанием его можно назвать веком реактивного движения, так как трудно переоценить те далекие последствия, к которым приведет использование мощных реактивных двигателей. Это не только революция в самолетостроении, это начало общения человека со Вселенной.
Принцип реактивного движения позволил создать самолеты, движущиеся со скоростью в несколько тысяч километров в час, летающие снаряды, поднимающиеся на высоту в сотни километров над Землей, искусственные спутники Земли и космические ракеты, совершающие межпланетные путешествия.
Реактивный двигатель – это машина, из которой выбрасываются с большой силой образующиеся при горении топлива газы. Ракета движется в сторону, обратную направлению газового потока.
Чему равна сила тяги, уносящая ракету в пространство? Мы знаем, что сила равна изменению импульса в единицу времени. Согласно закону сохранения, импульс ракеты меняется на величину импульса mv выброшенного газа.
Этот закон природы позволяет вычислить, например, связь между силой реактивной тяги и необходимым для этого расходом топлива. При этом нужно предположить величину скорости истечения продуктов сгорания. Возьмем, например, такие цифры: газы выбрасываются со скоростью 2000 м/с в количестве 10 тонн за секунду, тогда сила тяги будет примерно равна 2·1012 дин, т.е. круглым счетом 2000 Т.
Определим изменение скорости движущейся в межпланетном пространстве ракеты.
Импульс массы газа ?M, выброшенной со скоростью u, равняется u·?M. Импульс ракеты массы M возрастет при этом на величину M·?v. Согласно закону сохранения, эти две величины равны друг другу:
Однако, если мы захотим вычислить скорость ракеты при выбрасывании масс, сравнимых с массой ракеты, то выведенная формула окажется непригодной. Ведь она предусматривает неизменную массу ракеты. Однако в силе остается следующий важный результат: при одинаковых относительных изменениях массы скорость увеличивается на одну и ту же величину. Расчет по точной формуле показывает, что при уменьшении массы ракеты вдвое скорость ее достигнет 0,7u.
Для того чтобы довести скорость ракеты до 3u, надо сжечь массу вещества m = (19/20)M. Это значит, что лишь 1/20 часть массы ракеты можно сохранить, если мы желаем довести скорость до 3u, т.е. до 6–8 км/с.
Чтобы добиться скорости в 7u, масса ракеты за время разгона должна уменьшиться в 1000 раз.
Эти расчеты предостерегают нас от погони за увеличением массы горючего, которое можно захватить в ракету. Чем больше мы возьмем горючего, тем больше придется его сжечь. При данной скорости истечения газов очень трудно добиться увеличения скорости ракеты.
Основное в задаче достижения больших скоростей у ракет – увеличение скорости истечения газов. В этом отношении существенную роль должно сыграть применение в ракетах двигателей, работающих на новом, ядерном горючем.
При неизменной скорости истечения газов выигрыш в скорости при той же массе горючего получается при использовании многоступенчатых ракет. В одноступенчатой ракете уменьшается масса топлива, а пустые баки продолжают движение с ракетой. На ускорение массы ненужных топливных баков требуется дополнительная энергия. Целесообразно с израсходованием топлива отбросить и топливные баки. В современных многоступенчатых ракетах отбрасываются не только баки и трубопроводы, но и двигатели отработавших ступеней.
Разумеется, лучше всего было бы отбрасывать ненужную массу ракеты непрерывно. Пока такой конструкции не существует. Стартовый вес трехступенчатой ракеты с таким же «потолком», как у одноступенчатой ракеты, может быть сделан в 6 раз меньшим. «Непрерывная» ракета выгоднее трехступенчатой в этом смысле еще на 15 процентов.
Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение — движение при взаимном отталкивании тел (частей тела) замкнутой системы. Примеры реактивного движения:
|
2. 5. Принцип реактивного движения. Уравнение движения тела с переменной массой. @
Особый интерес представляет применение закона сохранения импульса к явлению «непрерывной отдачи», происходящему в реактивном двигателе (ракете). Если рассматривать ракету и выбрасываемые ею продукты сгорания как единую механическую систему, то для получения уравнения ее движения можно применить закон сохранения импульса. Эта идея была высказана в 1881 г. Н.И.Кибальчичем и развита в трудах К.Э.Циолковского. Уравнение движения тела с переменной массой было выведено в 1897г. И.В.Мещерским.
При выводе уравнения необходимо учитывать, что в процессе движения ракеты изменяется ее масса, т.к. удаляются продукты сгорания. Пусть в момент времени t масса ракеты – m и ее скорость — . Через интервал времени dt масса ее уменьшится на dm и станет равной m-dm, а скорость будет равна . Образовавшиеся продукты сгорания топлива за время dt приобрели импульс , где — скорость истечения газа относительно ракеты. Изменение импульса всей системы (ракета + продукты сгорания) за время dt равно
Так как — пренебрежимо малая величина, поэтому после сокращений получим . Полагая, что на ракету в далеком космосе не действуют внешние силы, то из закона сохранения импульса следует, что .
Разделим обе части равенства на dt и после простых преобразований получим .
Выражение в правой части равенства имеет размерность силы и называется реактивной силой . Таким образом уравнение динамики движения ракеты в космосе можно записать в виде: . Интегрируя обе части этого равенства, получим . Постоянную интегрирования С находим из начальных условий : в момент времени t=0 скорость ракеты v=0 и масса m=m0, тогда и .
Эта формула называется формулой Циолковского. Скорость ракеты v будет тем больше, чем больше масса ракеты и скорость истечения продуктов сгорания топлива.
Если на систему действуют внешние силы , то и аналогичным образом плучается уравнение И.В.Мещерского в виде :
2.6. Энергия, работа, мощность. @
Одного понятия импульса оказалось недостаточно для характеристики движения. Например, два снаряда с массами m1=1кг, m2=10кг и скоростями v1=10м/c, v2=1м/c имеют одинаковые импульс р=10кгм/с, но их разрушающее действие для преграды будет совершенно разное (у первого в 10 раз больше).
Е
Рис.2.6. Прямолинейное движение тела под действием силы, направленной под углом к перемещению.
диной мерой различных форм движения и взаимодействия всех видов материи является энергия. Различным видам движения и взаимодействия материи, соответствуют различные виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электро-магнитная, атомная.Простейшей форме движения – механической, соответствует механическая энергия. Она характеризует способность тела или системы тел совершать работу и измеряется количеством работы, которую при определенных (заданных) условиях может совершить система. Например, катящийся шар, сталкиваясь с некоторым телом, перемещает его, т.е. совершает работу. Растянутая пружина, сокращаясь после устранения деформирующей силы, совершает работу по перемещению своих частей (витков). Следовательно, катящийся шар и растянутая пружина обладают механической энергией. Процесс изменения механической энергии тела под действием силы называется процессом совершения работы. Приращение энергии тела в этом процессе называется работой силы, отсюда следует общее соотношение, связывающее работу и изменение энергии
А=Е2-Е1,
где: А – совершаемая работа, Е1 и Е2 — энергии системы в начальном и конечном состояниях.
С
Рис.2.7. Криволинейное движение под действием переменной силы.
ила, приложенная к телу, совершает работу, если тело перемещается. Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная сила, направленная под углом к перемещению, то работа равна скалярному произведению векторов перемещения и силы (рис.2.6) ,где — касательная составляющая силы, т.е. проекция на . Если же сила переменна по величине и по направлению или перемещение не прямолинейно, то траекторию движения разбивают на малые участки dS — так, чтобы участок можно было бы считать прямолинейным и силу, действующей на нем — постоянной (рис.2.7). Тогда работа на этом участке , а работа на всем пути равна сумме всех элементарных работ . При . Для вычисления такого интеграла надо знать зависимость от S. Если эту зависимость представить графически (рис.2.8), тогда работа силы по перемещению из S1 в S2 численно равна площади заштрихованной фигуры, ограниченной кривой F(S), координатной осью S и двумя вертикальными прямыми S1 и S2. Сила не совершает работу (А=0), если r=0 или . Если , то А0; если , то А0. При одновременном действии на тело нескольких сил, работа равна алгебраической сумме работ составляющих сил .С
Рис. 2.8. Графическое изображение работы.
ила F называется консервативной, если совершаемая ею работа не зависит от формы траектории, а зависит от начального и конечного положений точки (тела). На рис.2.9. изображены две различные траектории движения тела под действием некоторой консервативной силы. Работа, совершаемая данной силой на пути 1а2 равна А1а2. Работа, совершаемая на пути 2а1, будет отрицательной и А1а2 = — А2а1. Поскольку совершаемая работа не зависит от формы траектории, мы можем записать: , или , где — означает интегрирование вдоль замкнутой траектории или интеграл по контуру. Отсюда следует важное свойство консервативных сил — при перемещении материальной точки (тела) вдоль замкнутой траектории работа консервативной силы тождественно равна нулю. Сила всемирного тяготения, сила упругости – консервативные силы. Силы, неудовлетворяющие этому условию называют неконсервативными или диссипативными. Примером таких сил служат силы трения.Д
Рис.2.9. Возможные траектории движения тела под действием консервативной силы.
ля характеристики скорости совершения работы вводится понятие мощности. Мощностью, развиваемой силой , называется скалярная физическая величина, численно равная работе, совершаемой этой силой за единицу времени . Если в разные моменты времени dt совершаются разные работы, то используют понятие мгновенной мощности .Для движущихся тел можно получить формулу мгновенной мощности
или ,
т.е. мощность равна скалярному произведению векторов силы и скорости.
Важное требование, предъявляемое к любому двигателю — это способность совершать большую работу за единицу времени, т.е. иметь большую мощность. Из полученной формулы следует, что для достижения этой цели необходимо либо увеличить силу тяги, развиваемую двигателем (например, автомобиля), либо увеличить его быстроходность. Первый путь связан с увеличением силовых нагрузок на все движущиеся части двигателя (поршни, коленчатый вал и т.д.), а они имеют ограниченную прочность. Чтобы детали смогли выдерживать действие больших нагрузок, нужно увеличивать их размеры, делать их более массивными. Поэтому все мощные тихоходные машины необычайно громоздкие. Второй путь позволяет получить большие мощности при малых силовых нагрузках на детали двигателя и меньших его размерах. В современное время этот путь наиболее перспективен.
Реактивный двигатель— Студенты | Britannica Kids
Существует два основных типа реактивных двигателей — воздушно-реактивные и недышащие ( см. Самолет ). Двигатели с воздушным дыханием используют кислород из атмосферы при сгорании топлива. К ним относятся турбореактивный, турбовинтовой, прямоточный и импульсный. Термин «реактивный двигатель» обычно используется только применительно к воздушно-реактивным двигателям.
Двигатели, не работающие на воздухе, имеют подачу кислорода. Их можно использовать как в атмосфере, так и в космосе.Их обычно называют ракетами, они бывают двух видов — жидкостные и твердотопливные.
Воздушные двигатели можно разделить на две группы в зависимости от способа, которым они сжимают воздух для сгорания. У турбореактивного двигателя и турбовинтового двигателя есть компрессор, обычно с турбинным приводом, для всасывания воздуха. Их называют газотурбинными двигателями. ПВРД и ПВРД компрессоров не имеют.
Турбореактивные двигатели.
Encyclopædia Britannica, Inc.Наиболее широко используемым воздушно-реактивным двигателем является турбореактивный двигатель.После того, как воздух втягивается в двигатель через впускное отверстие, его давление сначала увеличивается с помощью компонента, называемого компрессором. Затем воздух поступает в камеру сгорания, где сжигается вместе с топливом для повышения его температуры. Затем горячий газ под высоким давлением расширяется через устройство, похожее на колесо, называемое турбиной, где он производит энергию. Турбина соединена с компрессором валом, и выходная мощность турбины приводит в движение компрессор. На выходе из турбины давление горячего газа все еще выше, чем в окружающей среде, и окончательное расширение происходит через выхлопное сопло, в котором скорость выхлопного газа увеличивается.Это последняя высокоскоростная струя, которая создает тягу, продвигающую самолет в воздухе. Хотя концептуально реактивный двигатель намного проще, чем поршневой двигатель, который вращает пропеллер, реальная конструкция для эффективной работы сложна, а большие реактивные двигатели чрезвычайно дороги.
Сегодня почти все авиационные реактивные двигатели используют осевые компрессоры. В этих устройствах воздух обычно течет в одном направлении вдоль вала, соединяющего компрессор и турбину; он перемещается через чередующиеся ряды неподвижных и вращающихся лопастей, называемых статорами и роторами соответственно.Лопасти расположены так, что входящий воздух замедляется при прохождении через них, а его давление увеличивается. Современные осевые компрессоры могут увеличивать давление в 25 раз примерно за 16 «ступеней», каждая ступень состоит из набора лопаток ротора и статора.
Центробежные компрессоры, которые использовались в первых авиационных реактивных двигателях, забирают воздух в центре рабочего колеса или лопаточного колеса и сжимают его в радиальном или наружном направлении. Более низкий КПД, ограниченное повышение давления и большие диаметры, которые увеличивают сопротивление двигателя в сборе, теперь ограничивают использование центробежных компрессоров небольшими двигателями и нелетными приложениями.
Когда воздух в турбореактивном двигателе выходит из компрессора и попадает в камеру сгорания, он смешивается с мелкодисперсным керосиноподобным топливом и сгорает. Теоретически для наилучшей работы температура горения должна быть настолько высокой, насколько это может быть достигнуто при полном сгорании топлива и кислорода в воздухе. Это, однако, сделало бы температуру на входе турбины слишком высокой для работы, и в настоящее время температура на входе турбины ограничена примерно от 1 900 до 2200 ° F (от 1040 до 1200 ° C).Температура регулируется путем сжигания только части воздуха на выходе компрессора, в то время как остальная часть отводится за секцию горения и смешивается с высокотемпературными газами дальше по камере сгорания.
Камеры сгорания могут состоять из отдельных баков или цилиндров, расположенных вокруг вала турбины. Другой подход заключается в использовании кольцевой камеры, в которой хвостовик или трубчатая втулка окружает вал.
Специальные сплавы, которые одновременно являются прочными и легкими, необходимы в лопатках турбин, чтобы выдерживать там высокие температуры и нагрузки.Среди исследуемых — комбинации металлов и керамики, называемые керметами. Лопатки турбины можно охлаждать, отводя часть несгоревшего воздуха компрессора и подавая его через внутренние каналы в небольшие отверстия на передней или передней кромке лопаток турбины. Это создает пленку из холодного воздуха, которая защищает стенку лопасти от горячих газов.
Двигатели с высокой степенью сжатия имеют два вала, вращающихся друг в друге. Внешний — это высокоскоростной вал, который может работать со скоростью около 11 000 оборотов в минуту (об / мин).Он соединяет ступени турбины высокого давления и компрессора. Внутренний вал, работающий со скоростью около 3000 об / мин, соединяет турбину низкого давления и компрессорную часть двигателя.
Наибольшая тяга была бы получена, если бы выхлопное сопло могло расширять газ до давления окружающего воздуха. Однако сопло, способное делать это, было бы слишком большим и тяжелым, поэтому более короткие сопла, которые используются, вызывают небольшие потери в характеристиках двигателя.
Турбореактивный двигатель не может быть запущен непосредственно из состояния покоя.Внешний пусковой двигатель запускает вращение агрегата. Затем топливо воспламеняется нагретой свечой зажигания. Когда двигатель работает, сгорание может поддерживаться без свечи зажигания.
Полезная мощность турбореактивного двигателя — это его тяга, которая пропорциональна массовому расходу воздуха через двигатель и изменению скорости между выходом и входом. (Массовый расход — это масса жидкости в движении, которая пересекает заданную область за единицу времени.) Это делает желательным достижение высокой скорости на выходе из сопла.
Для описания турбореактивных двигателей обычно используются две характеристики: удельная тяга и удельный расход топлива. Удельная создаваемая тяга (единицы тяги на единицу расхода газа в двигателе в секунду) увеличивается с температурой на входе в турбину. По этой причине инженеры постоянно ищут более высокие температуры на входе в турбину за счет улучшенных материалов и лучшего охлаждения лопаток. Удельный расход топлива (единица тяги, производимая на единицу сжигаемого топлива в секунду), который снижается с увеличением КПД двигателя, улучшается с увеличением степени сжатия.Для этого требуется все больше и больше ступеней компрессора. В реальном реактивном двигателе должен быть компромисс между высоким давлением и высокими температурами для достижения наилучших общих характеристик.
Еще одним важным показателем эффективности турбореактивного двигателя является эффективность силовой установки в полете. В этом случае наилучшие характеристики достигаются, если скорость выхода реактивной струи (из сопла) примерно вдвое превышает скорость полета самолета. По мере увеличения тяги за счет повышения температуры на входе в турбину, скорость на выходе из турбины также увеличивается, и скорость на выходе струи становится слишком высокой.В таком случае мощность силовой установки может быть увеличена за счет добавления перепускного воздуха, как обсуждается далее в этой статье.
Максимальная тяга обычно требуется при взлете, в то время как максимальная эффективность желательна при крейсерской скорости самолета, которая составляет около 500–550 миль (800–880 км) в час для большинства коммерческих авиалайнеров. При взлете из высокогорного аэропорта жарким летним днем более низкая плотность воздуха приводит к более низкому массовому расходу воздуха через двигатель и, таким образом, снижает доступную тягу.В таком случае самолет может лететь частично пустым.
Поскольку продукты сгорания, выходящие из турбины, все еще содержат большое количество кислорода (из-за смешивания дополнительного сжатого воздуха в камере сгорания), можно установить другую камеру сгорания на выходе из турбины. Этот так называемый форсажный режим используется в некоторых военных самолетах для обеспечения экстренного увеличения скорости. Однако расход топлива в форсажной камере очень высок, поэтому такое увеличение или увеличение тяги нецелесообразно для крейсерских или коммерческих самолетов.
Впрыск воды заключается в подаче воды в компрессор. Это увеличивает тягу за счет охлаждения воздуха и, таким образом, увеличения как его плотности, так и массы, которую можно пройти при заданной скорости воздуха. Впрыск воды можно использовать для создания тяги при аварийном взлете, но вес воды, который требуется нести на самолете, не делает его желательным для работы в полете.
Предоставлено Pratt & WhitneyКак указано выше, желательно, чтобы средняя скорость выхода струи примерно вдвое превышала воздушную скорость самолета.Прямое расширение всех газов через турбину привело бы к скорости струи, которая была бы слишком высокой для эффективных летных характеристик. В большинстве современных авиалайнеров сейчас используется турбовентилятор, в котором большая часть воздуха лишь слегка сжимается винтомоподобным компрессорным устройством в передней части двигателя, а затем проходит вокруг сердечника двигателя для смешивания с выхлопными газами турбины, таким образом, в обход двигателя. главный двигатель. Двигатели с байпасом обеспечивают повышенную тягу при взлете и наборе высоты, а также снижают шум реактивной струи.Современные двигатели могут пропускать в пять или шесть раз поток, проходящий через сердечник двигателя, и в будущем ожидаются еще более высокие коэффициенты двухконтурности для двигателей, работающих при более высоких температурах на входе в турбину.
В большинстве двигателей коммерческих самолетов начальное сжатие как основного, так и байпасного потока достигается большим вентилятором, состоящим из одной или двух ступеней, подобных компрессору. После разделения потока основной поток дополнительно сжимается, и байпасный поток направляется вокруг двигателя.
Турбореактивные двигатели обычно шумят, что создает проблемы вблизи аэропортов. Слышен как высокочастотный шум, или завывание, исходящий от компрессора, так и низкочастотный шум от выходящей струи, когда она смешивается с окружающим воздухом и создает турбулентность. Шум компрессора можно уменьшить, поместив звукопоглощающий материал во впускной канал. Шум от смешивания струи снижается за счет увеличения объема перепускаемого воздуха и использования специальных смесителей в выхлопной трубе. Эти смесители гофрированы для увеличения площади контакта горячего и холодного газов при их смешивании.
Британская энциклопедия, Inc.В хвостовой части двигателя находится тормоз тяги или реверсор тяги. Это устройство типа раскладушки, активируемое пилотом после приземления. Он закрывается над соплом выхода реактивной струи, чтобы отклонить поток наружу и немного вперед, так что тяга, оказываемая на самолет, теперь направлена назад, помогая тормозить аппарат. С включенными реверсорами тяги реактивный самолет может откатиться назад по земле.
Самая серьезная проблема, с которой может столкнуться реактивный самолет, — это отлом лопатки турбины или компрессора при ударе посторонним предметом или при выходе из строя из-за внутреннего отказа двигателя.Все двигатели должны иметь достаточно прочный кожух, чтобы удерживать неисправные лопасти и предотвращать прорезание сломанной лопасти двигателя и повреждение жизненно важных частей или проникновение в пассажирское пространство.
Самая серьезная проблема компрессора связана с птицами. Все двигатели должны быть способны «проглотить» тяжелую птицу без катастрофического отказа, поскольку птицы могут быть непредсказуемо засосаны реактивными двигателями на малых высотах или на земле.
В случае отказа двигателя в полете двигатель должен быть остановлен.Все многомоторные самолеты могут безопасно приземлиться на одном двигателе, так что для пассажиров будет немного больше, чем неудобство, если самолет должен повернуть назад по соображениям безопасности.
Турбовинтовые двигатели.
Encyclopædia Britannica, Inc.В турбовинтовых двигателях обычный воздушный винт обычно устанавливается перед реактивным двигателем, а в двигателях одного типа приводится в действие второй, или свободной, турбиной. Он расположен за турбиной, приводящей в действие компрессор. В других конструкциях мощность получается за счет дополнительных ступеней главной турбины.
Поскольку частота вращения турбины намного выше частоты вращения гребного винта, между турбиной и гребным винтом требуется редуктор. Около 90 процентов энергии горячих газов поглощается турбиной, и только около 10 процентов остается для увеличения скорости выхлопной струи. Соответственно, струя создает лишь очень небольшую часть общей тяги; большая часть его исходит от пропеллера.
Турбовинтовые двигатели полезны для самолетов малого и среднего размера и при скорости полета от 300 до 400 миль (480–640 километров) в час.Они не могут конкурировать с турбореактивными двигателями на очень больших самолетах или на более высоких скоростях.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Encyclopædia Britannica, Inc.Воздух, в который на высоких скоростях полета устремляется двигатель, частично сжимается так называемым ударным эффектом. Если скорость достаточно высока, этого сжатия может быть достаточно для работы двигателя без компрессора или турбины. ПВРД был назван летающим дымоходом, потому что он открыт с обоих концов и имеет только топливные форсунки посередине.Однако прямая труба не подойдет; ПВРД должен иметь впускной диффузор правильной формы, который производит низкоскоростной воздух под высоким давлением в секции сгорания, а также должен иметь выпускное сопло правильной формы для увеличения скорости потока.
Ramjets могут работать на скоростях выше 200 миль (320 километров) в час, но они становятся практичными только на очень высоких скоростях, которые должны быть выше скорости звука. Ракеты или другие подобные устройства необходимы для создания начальной скорости, с которой может начать работать ПВРД.
Двигатели импульсные.
Импульсная струя похожа на прямоточный воздушно-реактивный двигатель, за исключением того, что перед секцией сгорания расположен ряд подпружиненных заслонок. В импульсной струе горение является прерывистым или пульсирующим, а не непрерывным, как в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Через клапаны поступает воздух, и начинается горение. Это увеличивает давление и закрывает клапаны, предотвращая обратный поток через впускное отверстие. Когда газы расширяются через заднее сопло, создавая тягу, давление в секции сгорания падает до точки, где клапаны снова открываются, чтобы впустить свежий воздух.Затем этот цикл повторяется.
Самым широко известным импульсным реактивным двигателем была немецкая ракета Фау-1, или «жужжащая бомба», которая использовалась в конце Второй мировой войны и стреляла с частотой около 40 циклов в секунду. Импульсные форсунки неэффективны, шумны и подвержены сильной вибрации. Их использование сейчас ограничено недорогими беспилотными транспортными средствами.
Невоздушные или ракетные двигатели.
Ракетные двигатели несут на борту как топливо, так и окислитель, и поэтому они не зависят от окружающей атмосферы в плане необходимого снабжения кислородом.Соответственно, они являются основным средством передвижения в космическом пространстве.
Encyclopædia Britannica, Inc.Ракеты обычно классифицируются по типу сжигаемого топлива; Твердотопливные ракеты несут твердую смесь топлива и окислителя. Эта смесь похожа на порох и полностью сгорает после возгорания. При горении образуется большой объем газа под высоким давлением в секции горения. Затем этот газ расширяется в высокоскоростную струю на выходе из выхлопного сопла. Скорость горения регулируется путем придания твердому топливу такой формы, при которой газообразные продукты сгорания выделяются с почти одинаковой скоростью.Однако управление тягой ограничено, поэтому твердотопливные ракеты подходят только для первой, или взлетной, ступени космических ракет.
Лучшее управление можно получить с жидкостными ракетами. В них и топливо, и окислитель хранятся в отдельных резервуарах, а затем тщательно дозированным образом перекачиваются в камеру сгорания. Там они распыляются, смешиваются и сжигаются. Поскольку жидкостные ракеты можно перезапускать и полностью настраивать, они стали основными двигательными установками в космических программах.
ДВИГАТЕЛЬ
ДВИГАТЕЛЬДВИГАТЕЛЬ Фред Лэндис
Ближе к концу Второй мировой войны пилоты союзников были вздрогнул от нового немецкого истребителя. У него не было пропеллера, он летел с глубоким ревом и промелькнуло в воздухе со скоростью более чем 500 миль (800 километров) в час. Этот удивительный самолет представлял собой реактивный двигатель «Мессершмитт Ме-262».
Сегодня реактивные истребители летают через стратосферу подробнее быстрее звука.Реактивные авиалайнеры летают выше, быстрее и дальше чем когда-либо.
Реактивный двигатель разносит ракеты к своим целям. Кроме того, ракеты выводят на орбиту спутники Земли.
Хотя в большинстве случаев реактивные двигатели использовались для полет, он также может применяться в гидрореактивных двигателях для малые, скоростные катера и прогулочные суда. В таких приложениях вода забирается в носовой части лодки, сжимается насосы высокого давления и нагнетание через сопло в задней части ремесла.Потребность в эффективных насосах и ограничения скорости лодки не сделали гидрореактивный двигатель привлекательным или экономичная альтернатива гребным судам.
Реактивное движение — это движение тела вперед средства струи газа или жидкости. Идея восходит к 1-му века нашей эры, когда Герой Александрии построил двигатель, названный эолипилом. Он установил полый металлический шар с выступающими трубками между ними. две трубы, чтобы он мог вращаться.Steam вошел в мир через трубы. Когда он выходил через изогнутые трубы, струи пара закрутил земной шар.
Машина героя иллюстрирует научный принцип что сэр Исаак Ньютон сформулировал в 1687 году. Третий закон Ньютона движение утверждает, что для каждого действия есть равное и противоположное реакция. В машине Героя струи пара, выходящие из трубки — это действие, вращение земного шара — реакция. Тот же принцип применяется к реактивным двигателям, и по этой причине их называют двигателями реакции.
Сам Ньютон сконструировал реактивный лафет. называется «Вагон Ньютона». Сфера, наполненная водой, нагрелась огнем, создание пара. Из сферы выступало большое сопло. Когда пар выходил из сопла, он толкал тележку вперед.
Принцип
Есть много повседневных примеров реактивного движения. Надутый воздушный шарик с закрытой горловиной не показывает тенденции двигаться, потому что воздух внутри одинаково давит во всех направлениях.Если шея внезапно открывается, воздушный шар улетает. Побег воздух снимает давление в шее, и возникает реакция от воздух напротив шеи. Это не воздух, вырывающийся из шею и толкает наружный воздух, однако, это движет воздушный шар впереди. Это воздух, давящий на внутреннюю переднюю часть стенка воздушного шара, которая толкает его вперед. Фактически, реактивный самолет работать более эффективно в вакууме, потому что не было бы воздух, чтобы препятствовать выходящим газам.
Отдача винтовки также иллюстрирует действие и реакция. Расширяющиеся газы выбивают пулю из ствола. на высокой скорости. Винтовка в ответ на силу газов «откидывается». Еще один пример реактивного движения — сад шланг, сопло которого отскакивает назад при резком повороте воды в полную силу.
Типы
Существует два основных типа реактивных двигателей с воздушным дыханием. и дизельные двигатели.В двигателях с воздушным дыханием используется кислород из атмосферы при сгорании топлива. Они включают турбореактивный, турбовинтовой, прямоточный и импульсный. Термин струя обычно используется только применительно к воздушно-реактивным двигателям.
Двигатели, не работающие на воздухе, снабжены кислородом. Их можно использовать как в атмосфере, так и в космосе. Они обычно называются ракетами и бывают двух видов жидкостного ракетного топлива. и твердотопливный.
Пневматические двигатели можно разделить на две группы, в зависимости от того, как они сжимают воздух для горения.Турбореактивный и турбовинтовой двигатель имеет компрессор, обычно с турбинным приводом. подышать воздухом. Их называют газотурбинными двигателями. ПВРД и у импульсной форсунки нет компрессоров.
Турбореактивные двигатели . В Наиболее распространенным воздушно-реактивным двигателем является турбореактивный. После воздух всасывается в двигатель через воздухозаборник, его давление составляет сначала увеличился с помощью компонента, называемого компрессором. Тогда воздух попадает в камеру сгорания, где сгорает вместе с топливом до повысить его температуру.Затем горячий газ под высоким давлением расширяется. через устройство, подобное колесу, называемое турбиной, где оно производит власть. Турбина соединена с компрессором валом, выходная мощность турбины приводит в действие компрессор. В на выходе из турбины давление горячего газа все еще выше окружение, и финальное расширение происходит через выхлопное сопло, в котором скорость выхлопных газов увеличивается. Это последняя высокоскоростная струя, которая создает тягу к толкайте самолет по воздуху.Хотя по замыслу реактивный двигатель намного проще поршневого двигателя, вращающего пропеллер, Фактическая конструкция для эффективной работы сложна и велика реактивные двигатели чрезвычайно дороги.
Сегодня почти во всех авиационных реактивных двигателях используется осевой поток. компрессоры. В этих устройствах воздух обычно течет в одном направлении. по валу, соединяющему компрессор и турбину; он перемещается через чередующиеся ряды стационарных и вращающихся наборов лопастей, называемых статорами и роторами соответственно.Лезвия расположены так, чтобы входящий воздух замедлялся при прохождении через их и его давление увеличилось. Современные осевые компрессоры может увеличить давление в 25 раз примерно за 16 «ступеней», каждая ступень состоит из набора лопаток ротора и статора.
Центробежные компрессоры, которые использовались в начале авиационные реактивные двигатели, всасывают воздух в центре крыльчатки, или лопаточное колесо и сожмите его в радиальном или наружном направлении. Более низкая эффективность, ограниченный рост давления и большие диаметры которые увеличивают сопротивление двигателя в сборе, теперь ограничивают использование от центробежных компрессоров до малых двигателей и нелетных Приложения.
Когда воздух в турбореактивном двигателе покидает компрессор и попадает в камеру сгорания, смешивается с мелкодисперсным керосиноподобное топливо и сгорело. Теоретически для лучшей производительности температура горения должна быть настолько высокой, насколько это может быть достигнуто полное сгорание топлива и кислорода в воздухе. Однако это приведет к слишком сильному увеличению температуры на входе в турбину. высокая для эксплуатации, и в настоящее время температура на входе в турбину ограничены примерно от 1900 до 2200 F (от 1040 до 1200 ° C).В температура регулируется путем сжигания только части компрессора выпускаемый воздух, а остальной отводится за горящую секцию и смешанный с высокотемпературными газами дальше по горению камера.
Камеры сгорания могут состоять из отдельных канистры или цилиндры, расположенные вокруг вала турбины. Другой подход заключается в использовании кольцевой камеры, в которой вкладыш, или трубчатая втулка, окружающая вал.
Специальные сплавы, одновременно прочные и легкие требуются в лопатках турбины, чтобы выдерживать высокие температуры и стрессы там.Среди исследуемых есть комбинации металлов и керамики, называемых керметами. Лопатки турбины могут охлаждаться отводя часть несгоревшего воздуха компрессора и подавая его через внутренние проходы к маленьким отверстиям спереди или ведущие кромка лопаток турбины. Это обеспечивает пленку прохладного воздуха. что защищает стенку лопасти от горячих газов.
Двигатели высокого давления имеют два вала. вращающиеся друг в друге. Наружный — быстроходный вал, который может работать со скоростью около 11000 оборотов в минуту (об / мин).Он соединяет ступени турбины высокого давления и компрессора. В внутренний вал, работающий со скоростью около 3000 об / мин, соединяет низконапорный турбинная и компрессорная части двигателя.
Наибольшая тяга будет получена, если выхлоп сопло могло расширять газ до давления окружающей воздух. Однако сопло, способное делать это, будет слишком большие и тяжелые, поэтому используемые более короткие сопла вызывают небольшие потери в работе двигателя.
Турбореактивный двигатель нельзя запустить непосредственно с отдыхать. Внешний пусковой двигатель запускает вращение агрегата. В затем топливо воспламеняется нагретой свечой зажигания. Как только двигатель работает, горение может поддерживаться без свечи зажигания.
Полезная мощность турбореактивного двигателя — его тяга, который пропорционален массовому расходу воздуха через двигатель и изменение скорости между выходом и входом. (Массовый расход — это масса движущейся жидкости, пересекающей заданную площадь в единицу времени.) Это делает желательным достижение высокая скорость на выходе из сопла.
Обычно используются две рабочие характеристики для описания турбореактивных двигателей: удельная тяга и конкретное топливо потребление. Удельная создаваемая тяга (единиц тяги на единица расхода газа в двигателе в секунду) увеличивается с увеличением турбины температура на входе. По этой причине инженеры постоянно ищут более высокие температуры на входе в турбину за счет улучшенных материалов и лучшее охлаждение лезвия.Удельный расход топлива (шт. тяги на единицу сжигаемого топлива в секунду), что снижается по мере увеличения КПД двигателя, улучшается с увеличение степени сжатия. Это требует все больше и больше компрессора этапы. В реальном реактивном двигателе должен быть компромисс между высокое давление и высокие температуры для наилучшей общей производительности.
Еще один важный фактор эффективности турбореактивного двигателя. двигатель — эффективность тяги в полете.В этом случае лучшая производительность достигается, если выход струи (из сопла) скорость примерно вдвое превышает скорость полета самолета. В качестве тяга увеличивается за счет повышения температуры на входе в турбину, скорость на выходе из турбины также увеличивается, а скорость на выходе из струи становится слишком высоким. В таком случае мощность силовой установки может быть снижена. увеличено за счет добавления перепускного воздуха, как обсуждается далее в этой статье.
На взлете обычно требуется максимальная тяга, в то время как желательна максимальная эффективность на крейсерской скорости самолета, что составляет от 500 до 550 миль (от 800 до 880 километров) в час для большинства коммерческих авиалайнеров.Для взлета с большой высоты аэропорту жарким летним днем, низкая плотность воздуха приводит к меньший массовый расход воздуха через двигатель и, следовательно, уменьшение доступная тяга. В таком случае самолету, возможно, придется лететь частично пусто.
Поскольку продукты сгорания, выходящие из турбины в них все еще содержится большое количество кислорода (из смешение дополнительного сжатого воздуха в камере сгорания), можно поставить на турбину еще одну камеру сгорания выход.Эта так называемая форсажная камера используется в некоторых военных самолетах. для обеспечения аварийного увеличения скорости. Расход топлива в однако форсаж очень высок, поэтому это увеличение тяги, или увеличение, непрактично для крейсерских или коммерческих самолетов.
Закачка воды состоит из введения воды в компрессор. Это увеличивает тягу за счет охлаждения воздуха и тем самым увеличивая как его плотность, так и массу, которую можно пройти для данной скорости воздуха.Впрыск воды можно использовать в экстренных случаях. взлетная тяга, но вес воды, который требуется перевозится в самолете, поэтому его нельзя использовать в полете.
Как указано выше, желательно иметь средний скорость истечения струи примерно вдвое превышает воздушную скорость самолета. Прямая расширение всех газов через турбину приведет к скорость реактивной струи, которая была бы слишком высока для эффективного полета представление. В большинстве современных самолетов теперь используется турбовентилятор, в котором большая часть воздуха лишь слегка сжимается пропеллероподобным компрессорное устройство в передней части двигателя, а затем передается вокруг сердечника двигателя для смешивания с выхлопными газами турбины, поэтому в обход главного двигателя.Байпасные двигатели обеспечивают повышенную тяга для взлета и набора высоты, и они уменьшают шум реактивного двигателя. Современный двигатели могут обходить в пять или шесть раз поток, который проходит через сердечник двигателя, и ожидаются еще более высокие коэффициенты двухконтурности в будущем для двигателей, работающих при более высоких температурах на входе в турбину.
В большинстве двигателей коммерческих самолетов начальная сжатие как для основного, так и для байпасного потока достигается за счет большого вентилятор, состоящий из одной или двух компрессорных ступеней.После поток был разделен, основной поток дополнительно сжимается, и байпасный поток направлен вокруг двигателя.
Турбореактивные двигатели обычно шумят, что создает проблема в окрестностях аэропортов. Есть как высокочастотный шум или вой, исходящий от компрессора и низкочастотный шум выходящей струи, поскольку она смешивается с окружающим воздухом и производит турбулентность. Шум компрессора можно уменьшить, разместив звукопоглощающий материал во впускной канал.Струйное перемешивание шум снижается за счет увеличения объема байпасного воздуха и специальных смесителей в выхлопной трубе. Эти смесители гофрированы для увеличения область контакта горячих и холодных газов, так как они начинаем перемешивать.
В хвостовой части двигателя находится упорный тормоз, или реверсор тяги. Это устройство типа раскладушки, активируемое пилот после приземления. Он закрывается над соплом выхода струи, чтобы отклонить поток наружу и немного вперед, чтобы тяга воздействует на самолет теперь задом наперед, помогая затормозить судно.С включенными реверсорами тяги реактивный самолет можно заставить откатиться назад. на земле.
Самая серьезная проблема, с которой может столкнуться реактивный самолет отламывается лопатка турбины или компрессора, если она ударился посторонним предметом или сломался из-за внутренний отказ двигателя. Все двигатели должны иметь кожух. достаточно прочный, чтобы удерживать неисправные лезвия и предотвратить поломку лезвие от разрезания двигателя и повреждения жизненно важных частей или от проникновения в пассажирское пространство.
Самая серьезная проблема компрессора: поставлено птицами. Все двигатели должны уметь «глотать» тяжелая птица без катастрофического отказа, так как птицы могут быть непредсказуемо всасывается в реактивные двигатели на малых высотах или на земля.
В случае отказа двигателя в полете двигатель должен быть закрыт. Все многомоторные самолеты могут безопасно приземляться на один двигатель, так что неудобства вовлеченные пассажиры, если самолет должен вернуться в целях безопасности причины.
Турбовинтовые двигатели . В турбовинтовые двигатели обычный воздушный винт обычно установлен перед реактивным двигателем и в одном типе двигателя с приводом от второй, или свободной, турбины. Он расположен за турбина, приводящая в движение компрессор. В других конструкциях мощность получается дополнительными ступенями на основной турбине.
Поскольку обороты турбины намного выше, чем у пропеллера скорости, требуется понижающий редуктор между турбиной и пропеллер.Около 90 процентов энергии горячих газов поглощается турбиной, и только около 10 процентов остается увеличить скорость выхлопной струи. Соответственно, только очень малая часть общей тяги создается реактивным двигателем; самый из него исходит от пропеллера.
Турбовинтовые двигатели выгодны для малых и средних самолеты и на воздушной скорости от 300 до 400 миль (480 до 640 километров) в час. Они не могут конкурировать с турбореактивными двигателями для очень больших самолетов. или на более высоких скоростях.
Ramjet двигатели . Воздух в которую на высоких скоростях полета устремляется двигатель, частично сжатие так называемым ударным эффектом. Если скорость достаточно высока, этого сжатия может быть достаточно для работы двигателя без компрессор и турбина. ПВРД назвали летающим дымоход, потому что он открыт с обоих концов и имеет только топливные форсунки в центре. Однако прямая труба не подойдет; ПВРД должен иметь впускной диффузор правильной формы, который производит низкоскоростной воздух высокого давления в секции сгорания, и он также должен иметь выхлопное сопло правильной формы для увеличения скорость потока.
Ramjets могут работать на скоростях выше 200 миль (320 километров) в час, но они становятся практичными только при очень высокой скорости, которые должны быть больше скорости звука. Ракеты или другое аналогичные устройства необходимы для получения начальной скорости, при которой ПВРД может начать работать.
Импульсные реактивные двигатели . Импульсно-струйный похож на ПВРД, за исключением того, что ряд подпружиненных, задвижка расположена перед секцией сгорания.В импульсной струе горение прерывистое или скорее пульсирующее. чем непрерывный, как в ПВРД. Воздух поступает через клапаны, и начинается горение. Это увеличивает давление и закрывает клапаны, предотвращающие обратный поток через впускное отверстие. Как газы расширяться через заднее сопло, создавая тягу, давление в секции сгорания опускается до точки, где клапаны снова откройте, чтобы впустить свежий воздух. Затем этот цикл повторяется.
Самым известным импульсным реактивным двигателем был немецкий Фау-1. ракета, или «жужжащая бомба», которая использовалась ближе к концу Второй мировой войны и которые стреляли с частотой около 40 циклов в секунду.Импульсные форсунки неэффективны, шумны и подвержены сильная вибрация. Их использование теперь ограничено недорогими беспилотными транспортных средств.
Безвоздушные или ракетные двигатели . Ракетные двигатели несут на борту как топливо, так и окислитель, и они поэтому не зависят от окружающей атмосферы для необходимый запас кислорода. Соответственно, они обеспечивают первичный средства передвижения в космическом пространстве.
Ракеты обычно классифицируют по типу топлива. сгорел; твердотопливные ракеты несут твердую топливную смесь и окислитель.Эта смесь похожа на порох и полностью горит. после зажигания. Горение создает большой объем высокого давления. газ в секции сгорания. Затем этот газ расширяется в высокоскоростная струя, покидающая выхлопное сопло. Сжигание скорость регулируется путем формования твердого топлива таким образом что дымовые газы выпускаются с почти одинаковой скоростью. Однако контроль тяги ограничен, что делает твердотопливное топливо ракеты, подходящие только для первого или взлетного этапа космоса ракеты.
Лучшее управление можно получить на жидком топливе. ракеты. В них и топливо, и окислитель хранятся отдельно. резервуары, а затем тщательно дозированно закачиваются в камера сгорания. Там они распыляются, смешиваются и сжигаются. Поскольку жидкостные ракеты могут быть перезапущены и полностью отрегулированы, они стали основными двигательными установками в космических программах.
История
Герой Александрии применил принцип реактивного движения. в его эолипиле в первом веке нашей эры.Китайцы наверное изобрели около 1100 ракет. Около 1400 богатый китаец разработал кресло-каталка с реактивным двигателем, но при испытании оно взорвалось.
Леонардо да Винчи в 16 веке пользовался струей принцип двигателя для создания механизма поворота обжарки плевать. В 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка построил паровую турбина, приводившая в движение камнедробильную мельницу. Джон Барбер из Англии был выдан первый патент на газовую турбину в 1791 году.
Сэнфорд А. Мосс в 1902 году был, вероятно, первым, кто разработать газовую турбину в США. Работа на генерала Electric Company, он сконструировал авиационную газовую турбину в 1918 году.
В Англии А. А. Гриффит из Королевского авиационного В 1927 году предприятие экспериментировало с газотурбинными компрессорами. В 1930 году другой англичанин, Фрэнк Уиттл, запатентовал дизайн для реактивный двигатель, и в 1937 году такой двигатель был успешно испытан и в 1941 совершил свой первый полет.
В Германии авиастроительная компания Ernst Heinkel произвела в 1939 году первый успешный газотурбинный реактивный самолет Хейнкель Не-178. В следующем году Caproni-Campini CC2 летал в Италии. Поршневой двигатель, а не газовая турбина, использовался для обеспечения выхлопной жиклер.
В 1941 году англичане запустили свой первый реактивный самолет. Gloster E28 / 39 с двигателем Whittle. В США Заявляет, что компания General Electric построила двигатель на основе двигателя Уиттла. дизайн.В 1942 году на нем был установлен Bell XP-59 Airacomet. реактивный самолет, который будет летать в США. В том же году Немцы выпустили первый успешный реактивный боевой самолет Мессершмитт. Ме-262. Германия была единственной страной, у которой в боях были самолеты. Вторая мировая война, но они были введены слишком поздно, чтобы иметь решающее значение.
После войны исследования реактивного самолета продолжились. В 1947 г. Американский ракетный Bell X-1 стал первым самолетом, который летать быстрее звука.В следующем году Британия совершила первый полет на сверхзвуковом самолете. самолет De Havilland DH-108. В 1959 г. построили американский F-106. от Convair, летел со скоростью более чем в два раза быстрее звука.
В 1952 году в Британии открылось первое обслуживание реактивных авиалиний. с De Havilland Comet, обслуживающим регулярные рейсы из Лондона в Йоханнесбург, Южная Африка. Однако эта служба была остановлена, после двух серьезных аварий в 1954 году. Первым реактивным самолетом, который прошел коммерческие испытания в 1954 году, был Boeing. 707, который начал регулярные рейсы авиалайнеров в 1958 году.С того времени были разработаны многочисленные реактивные лайнеры, как большие, так и маленькие, и сегодня большая часть всего коммерческого воздушного флота во всем мир использует реактивные самолеты.
Построенный в Великобритании и Франции Concorde, первый сверхзвуковой транспорт, сделанный в некоммунистическом мире, вошел коммерческая служба в 1976 году. Скорость полета в 2,5 раза превышает скорость звука. самолет вмещает всего около 100 пассажиров. Из-за высокого расход топлива и малая вместимость, не доказано иметь коммерческий успех.
В то время как оригинальные самолеты Boeing 707 и Douglas DC-8
использовали четыре двигателя, увеличив объем двигателя и улучшив характеристики
позволили использовать меньше двигателей. Локхид L-1011 и
McDonnell Douglas DC-10 — большие трехмоторные самолеты с
два двигателя под крылом и один по центру хвоста. Более
недавно построенные средние двухмоторные самолеты, такие как Airbus,
несколькими европейскими фирмами, и Boeing 767 были представлены
с экономичными двигателями.Они конкурируют с Боингом
727, трехмоторный самолет, ставший одним из самых распространенных
подержанные самолеты в свободном мире.
Источник: Интерактивная энциклопедия Комптона.
Анимированные двигатели — Реактивное движение
Реактивное движение
Я неохотно включил этот раздел по многочисленным просьбам. Ракета и турбореактивные двигатели — это потрясающие технологические достижения, но они такие просто что анимации надоели!
По крайней мере, мне так кажется. Ты будь судьей!
Ракета
Ракетный двигатель — самый простой из этого семейства, поэтому мы начнем с него.
Для работы в космосе ракетные двигатели должны иметь собственный запас кислорода и топлива. Смесь вводят в камера сгорания, где горит постоянно. В газ под высоким давлением выходит через сопло, вызывая тягу в противоположное направление.
Чтобы проверить этот принцип самостоятельно, надуйте воздушный шарик и отпустить, не привязывая … ракетный двигатель на своем самый простой.
Турбореактивный
Турбореактивный двигатель работает по тому же принципу, что и ракета, за исключением того, что он сжигает кислород из атмосферы вместо собственного запаса.
Обратите внимание на сходство: топливо непрерывно горит внутри горения камера прямо как ракета. Расширяющиеся газы выходят из сопла. создание тяги в обратном направлении.
Теперь отличия: На выходе из форсунки какая то газа давление используется для привода турбины .Турбина — серия роторов или вентиляторы, подключенные к одному валу. Между каждой парой роторов находится Статор , что-то вроде стационарного вентилятора. Статоры перестраиваются поток газа, чтобы более эффективно направлять его к лопастям следующего ротор.
В передней части двигателя вал турбины приводит в действие компрессор . В компрессор очень много работает как турбина только реверсом. Его цель чтобы втянуть воздух в двигатель и создать в нем давление.
Турбореактивные двигателинаиболее эффективны на больших высотах, где тонкий воздух делает пропеллеры практически бесполезными.
Турбовинтовой
Турбовинтовой двигатель аналогичен ТРД, за исключением того, что самое сопла давления газа приводит в движение турбину вал — к тому моменту, когда газ проходит мимо турбины, осталось очень мало давления для создания тяги.
Вместо этого вал приводит в движение пропеллер, который создает большинство тяги. Зубчатая передача используется для поворота винт с меньшей скоростью, чем вал турбины. Реактивные вертолеты работают так же, за исключением того, что их двигатели подключены к вал несущего винта вместо гребного винта.
Турбовинтовые двигатели более экономичны, чем турбореактивные при малой мощности. высоты, где более плотный воздух дает винту намного больше тяга. Это делает их популярными на самолетах, используемых для краткости. полеты, где время, проведенное на малых высотах, представляет собой больший процент от общего времени полета.
Турбореактивный двухконтурный двигатель
Турбореактивный двигатель — это что-то вроде компромисса между чистым турбореактивным двигателем и турбовинтовой. Работает как турбореактивный, за исключением того, что вал турбины также приводит в действие внешний вентилятор, обычно расположенный в передней части двигателя.
У вентилятора больше лопастей, чем у пропеллера, и он вращается намного быстрее. Это также имеет кожух по периметру, который помогает захватывать и фокусировать воздух, протекающий через него. Эти функции позволяют вентилятору генерировать тяга на больших высотах, где обычный винт неэффективно.
Часть тяги все еще исходит от выхлопной струи, но добавление вентилятор делает двигатель более экономичным.
Отношение воздуха, проходящего через вентилятор, к воздуху, проходящему через Ядро двигателя известно как коэффициент байпаса .Самые современные лайнеры имеют довольно высокие коэффициенты двухконтурности и, таким образом, получают большую тягу от вентилятора, чем вытяжной жиклер.
Как видите, все эти двигатели концептуально очень просты, и имеют очень мало движущихся частей, что делает их чрезвычайно надежными. Они тоже имеют отличное соотношение мощности и веса, отчасти поэтому они так популярен в авиастроении.
Как и большинство моих иллюстраций, они очень упрощены. Турбина двигатели часто используют более одного вала и имеют другие более сложные функции, которые я действительно не понимаю и, честно говоря, не хочу исследуйте дальше.
За потрясающие иллюстрации и много дополнительной информации о эти двигатели см. на веб-сайте НАСА: http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/shortp.html
А вам не кажется, что другие двигатели намного веселее?
авиамодель: ПРИНЦИПЫ РЕАКТИВНОЙ ДВИЖЕНИЯ
Рис. 1-4 Двигатель Героя — вероятно, самая ранняя форма реактивной реакции . |
7 . Тот же самый принцип противодействия присутствует во всех формах движения и успешно применяется во многих отношениях. Самый ранний известный пример реактивной реакции — двигатель Героя (рис. 1-4), созданный в виде игрушки в 120 г. до н. Э. Эта игрушка показала, как импульс пара, исходящий от нескольких струй, может вызывать равную и противоположную реакцию самим струям, заставляя двигатель вращаться.
Рис. 1-5 Садовый дождеватель, вращающийся под действием реактивных струй воды. |
являются примером «реактивной струи», поскольку часто из-за реакции водяной струи шланг не может удерживаться или контролироваться одним пожарным. Возможно, простейшую иллюстрацию этого принципа дает карнавальный воздушный шар, который, когда выходит воздух или газ, быстро уносится в направлении, противоположном струе.
9 . Реакция струи определенно является внутренним явлением и не является результатом давления струи на атмосферу, как это часто предполагается. Фактически, реактивный двигательный двигатель, будь то ракетный, базовый или турбореактивный, представляет собой часть устройства, предназначенную для ускорения потока воздуха или газа и выталкивания его с высокой скоростью. Конечно, есть несколько способов сделать это, как описано в Части 2, но во всех случаях результирующая реакция или тяга, оказываемая на двигатель, пропорциональна массе или весу воздуха, выбрасываемого двигателем, и скорости изменение передано ему.Другими словами, та же тяга может быть обеспечена либо большой массой воздуха с небольшой дополнительной скоростью, либо небольшой массой воздуха с большой дополнительной скоростью. На практике предпочтительнее первое, так как за счет снижения скорости струи относительно атмосферы достигается более высокий КПД. ДАЛЕЕ: СПОСОБЫ ДВИЖЕНИЯ СТРУЙКИ
Гидрореактивный движитель
Гидрореактивный движитель
Гидроабразивная силовая установка часто выбирается вместо обычных гребных винтов для судов, которым требуются высокие скорости, малая осадка, защищенная силовая установка, высокая маневренность на всех скоростях, низкий уровень шума для военных приложений и низкая вибрация.
Типичная водоструйная система включает впускной канал заподлицо, направляющий воду к вращающемуся рабочему колесу насоса, неподвижный пакет направляющих лопаток, выпускное сопло и механизм поворота / реверсирования. Основной принцип работы гидроабразивной силовой установки аналогичен принципу действия винтовой системы. А именно, движущая сила создается за счет добавления импульса к воде за счет ускорения определенного потока воды в кормовом направлении.
Вода из-под судна подается через впускной канал к прецизионному внутреннему насосу, обычно установленному на транце, который увеличивает напор воды.Затем этот напор применяется для увеличения скорости, когда вода проходит через выпускное сопло в окружающее атмосферное давление.
Рулевое и реверсивное усилие создается за счет отклонения жиклера с помощью редуктора с плоским ковшом, который обычно приводится в действие гидравлически. На скоростях выше 30 узлов водометные двигатели более эффективны, чем обычные гребные винты, они также обладают такими преимуществами, как улучшенная маневренность и радикальное уменьшение осадки корабля.
Компания Wärtsilä может запросить обширный список референций в секторе скоростных паромов ropax для ее широкого ассортимента гидроабразивных машин Lips.Возможности на арене большой мощности демонстрируют четыре корвета MEKO A-200 SAN, переданные ВМС ЮАР немецкими верфями Blohm + Voss и HDV. Движительная установка CODAG WARP (комбинированная дизельная и газотурбинная гидрорезка и усовершенствованные воздушные винты) включает в себя две дизельные поезда с пропеллерами CP и центральную газовую турбину мощностью 20 МВт, приводящую в движение гидрореактивный двигатель Lips 210E.
С шестилопастным рабочим колесом диаметром 2,8 м и всасывающим каналом 2,1 м водометные двигатели для этих проектов были в то время крупнейшими из когда-либо построенных и впервые применялись на военно-морских судах такого размера (длина 121 м / водоизмещение 3500 тонн. ).
Дополнительная литература: Руководство по продукции Waterjets , можно загрузить с; www.wartsila.com
% PDF-1.7 % 1 0 объект > / Метаданные 146 0 R >> эндобдж 4 0 obj > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 54 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 5 0 obj > / ExtGState> / XObject> / Pattern> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 61 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 6 0 obj > / ExtGState> / XObject> / Pattern> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 70 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 7 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 90 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 8 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 99 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 9 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 100 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 10 0 obj > / ExtGState> / XObject> / Pattern> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 105 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 11 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 109 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 12 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 114 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 13 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 118 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 14 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 122 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 15 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 127 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 16 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 131 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 17 0 объект > / ExtGState> / XObject> / Pattern> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 135 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 18 0 объект > / ExtGState> / XObject> / Pattern> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 138 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 19 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 142 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 20 0 объект > / ExtGState> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / MediaBox [0 0 612 792] / Contents 144 0 R / Group> / Tabs / S >> эндобдж 23 0 объект > поток x] x չ>} K &! @BnXl [L
.