Что такое сила тяги двигателя ракеты

Сила тяги

Понятие «сила тяги» часто встречается в задачах по физике, когда речь идеи о механической мощности или движении транспорта. Вообще говоря, это гипотетическая сила, которая вводится для удобства при решении задач.

Поясним эту мысль. Рассмотрим движение автобуса. Сила тяги (обозначим ее как $>_t$) в этом случае является силой трения покоя, которая действует на нижние точки колес со стороны поверхности шоссе. Для реализации движения автобуса по дороге колеса транспортного средства вращает двигатель так, чтобы сила трения была направлена в сторону перемещения (рис.1). В этом случае силу тяги определим как силу трения, которая возникает между ведущими колесами и поверхностью, по которой колеса катятся. Если сила трения отсутствует (колесо находится на льду), то автобус не двигается с места, так как колеса проскальзывают. Трение, которое появляется между колесами и поверхностью дороги создает поступательное перемещение.

Так как сила тяги зависит от силы трения, то для увеличения величины $F_t $ следует увеличить трение. Трение увеличивается при росте коэффициента трения и (или) с увеличением силы нормального давления, которое зависит от массы тела.

Возникает вопрос о необходимости введения некоей силы тяги вместо того, чтобы использовать привычную силу трения. При выделении из внешних сил, которые действуют на наш автобус силы тяги и силы сопротивления движению уравнения движения имеют универсальный вид, и, используя силу тяги, просто выражается полезная механическая мощность ($N$):

где $overline$ — скорость движения тела (у нас автобуса).

Отметим, что у силы тяги нет четко определенной формулы, как, например, у гравитационной силы или силы Архимеда и других сил. Ее часто вычисляют, используя второй закон Ньютона и рассматривая все силы, которые действуют на тело.

Формула при отсутствии внешних сил [ править ]

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

, где

— масса ракеты — её ускорение — скорость истечения газов — расход массы топлива в единицу времени

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

Доказательство [ править ]

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

— изменение скорости ракеты

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

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

Уравнение Мещерского [ править ]

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

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

Формула Циолковского [ править ]

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

Релятивистское обобщение этой формулы имеет вид:

, где — скорость света.

Описание конструкции

Главная часть комплекса «Точка-У» — ракета 9М79-1. Она 1-ступенчатая, состоит из ракетной части, включающей в себя двигатель и приборы управления, и головной части – собственно боевого заряда. Двигатель – твердотопливный, с одним составным соплом. Топливный заряд при старте поджигается пиропатронами, соединенными с воспламенителем.

В хвостовом отсеке, служащем обтекателем сопла, находится турбогенератор, обеспечивающий приборы электроэнергией во время полета. Там же размещено оперение – складывающиеся крылья, газоструйные и аэродинамические рули. По сравнению с ранними образцами, на двигателе «Точки-У» было заново спроектировано сопло и использован другой топливный заряд.

Перед двигательной установкой находится приборный отсек. В нем находится система управления с цифровым вычислителем. Используется инерциальное наведение, устойчивое к средствам противодействия, причем траектория полета корректируется не до момента отключения двигателя, а до момента достижения точки прицеливания. Из-за постоянного управления, кстати, ракета не считается баллистической. Аэродинамические рули управляются с помощью гидроприводов, газоструйные рули служат вспомогательным средством и используются только при наборе ракетой скорости.

Головные части соединяются с ракетной болтами, питание на ГЧ подается через кабель.

Основной тип боевой части – осколочно-фугасная 9Н123Ф. Она снаряжена 162 кг смеси гексогена и тротила. Для максимальной эффективности осколочного действия подрыв заряда происходит в воздухе, а ракета перед срабатыванием доворачивает на угол встречи, близкий к прямому. За счет этого основная масса осколков равномерно разлетается в стороны. Площадь, накрываемая осколками, может доходить до 3 Га. Основная часть осколков при этом имеет массу до 20 г, а самые легкие – до 5 г.

Кассетная головная часть 9Н123К содержит 50 суббоеприпасов с индексом 9Н24. Каждый такой боевой элемент снаряжен 1,5 кг гексала и дает до 316 осколков массой в среднем 7 г. Общая площадь поражения достигает 7 Га.

Ракеты с кассетной боевой частью считались более эффективными, чем осколочно-фугасные. Так, предполагалось, что уничтожить артиллерийскую батарею (в том числе самоходную) может одна ракета с БЧ 9Н123К. Для поражения такой же цели осколочно-фугасными зарядами требовалось две ракеты. Если координаты цели определялись с меньшей точностью (до 150 м), штатный расход составлял две кассетные и четыре осколочные ракеты.

Существует вариант осколочно-фугасной боевой части, оснащенной радиолокационной головкой самонаведения. Такие ракеты предполагалось применять против радарных установок, на излучение которых они бы наводились.

Ядерные боевые части для «Точки-У» имели заряд мощностью до 100 (по другим данным – до 200) килотонн.

Ракеты с химическим зарядом несли в головной части 65 суббоеприпасов снаряженных зоманом или газом VR.

Транспортно-пусковой установкой для комплекса «Точка-У» служит 6-колесный вездеход-амфибия марки БАЗ-5921. Машина оснащается 6-цилиндровым дизелем, механической 5-скоростной коробкой передач. Передвижение по воде осуществляется с помощью водометов, высокую маневренность обеспечивает наличие задней управляемой оси. Машина оснащалась средствами защиты от оружия массового поражения. Ракета приводилась в стартовое положение за 15 секунд.

Поскольку вся необходимая прицельная и пусковая аппаратура размещаются на борту автомобиля, даже одна пусковая установка может автономно произвести пуск и выполнить боевую задачу.

В состав ракетных батарей также вошли транспортно-заряжающие машины на шасси БАЗ-5922 и транспортные автопоезда, состоящие из тягача ЗиЛ-131 и активного полуприцепа. Перегрузка ракеты с заряжающей машины на пусковую занимала от 15 до 30 минут. Все машины, входящие в состав комплекса (кроме автопоедов) авиатранспортабельными, перевозились обычно тяжелыми самолетами АН-22 или Ил-76.

Ионные двигатели для космических аппаратов

А вот ионы и электроны в специальных ускорителях могут быть разогнаны до быстроты близкой к скорости света – 300 000 километров в секунду. Однако такие ускорители – это пока массивные сооружения не подходящие для летательных аппаратов. Но установки, у которых скорость истечения заряженных частиц около 100 километров в секунду, могут быть на ракетах установлены. Следовательно, они могут сообщить соединенному с ними телу быстроту перемещения большую, чем может достигнуть ракета с химическим топливом. К сожалению, у созданных к настоящему времени ионных космических двигателях сила тяги мала, и вывести на орбиту многотонную ракету с кораблем пока они не могут.
Однако их целесообразно устанавливать на корабле с тем, чтобы они работали, когда корабль уже летает по орбите. Находясь на корпусе корабля, они могут непрерывно поддерживать его ориентацию и постепенно слабым воздействием увеличивать скорость корабля выше той, которую ему сообщили с помощью химического горючего.
Разработка таких, действующих на орбите, электрореактивных двигателей ведется, используя различные физические явления. Одна из задач, стоящих перед разработчиками ионных космических двигателей, сделать их пригодными для полетов на другие планеты.

Возможность достичь с такими двигателями значительно больших скоростей ракеты в космосе, чем с химическим топливом, делает более реальным создание кораблей для полетов на ближайшие планеты.

eponim2008

Короткие истории о вещах и о людях, давших им свое имя

Как взлетает ракета?

Взлетом космической ракеты сейчас можно полюбоваться и по телевизору, и в кино. Ракета вертикально стоит на бетонном стартовом столе. По команде из пункта управления включаются двигатели, мы видим загорающееся внизу пламя, мы слышим нарастающий рев. И вот ракета в клубах дыма отрывается от Земли и сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее устремляется вверх. Через минуту она уже на такой высоте, куда не могут подняться самолеты, а еще через минуту – Космосе, в околоземном безвоздушном пространстве.

Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленную ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты – тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.

Третий закон Ньютона можно сформулировать иначе, как закон сохранения импульса. Импульсом называется произведение массы на скорость. В терминах закона сохранения импульса старт ракеты можно описать так.
Первоначально импульс космической ракеты, покоящейся на стартовой площадке, был равен нулю (Большая масса ракеты, умноженная на нулевую ее скорость). Но вот включен двигатель. Топливо сгорает, образуя огромное количество газообразных продуктов сгорания. Они имеют высокую температуру и с высокой скоростью истекают из сопла ракеты в одну сторону, вниз. Это создает вектор импульса, направленный вниз, величина которого равна массе истекающего газа, умноженного на скорость этого газа. Однако, в силу закона сохранения импульса, суммарный импульс космической ракеты относительно стартовой площадки должен быть по-прежнему равен нулю. Поэтому тут же возникает вектор импульса, направленный вверх, уравновешивающий систему «ракета – отбрасываемые газы». За счет чего возникнет этот вектор? За счет того, что стоящая до тех пор неподвижно ракета начнет движение вверх. Импульс, направленный вверх, будет равен массе ракеты, умноженной на ее скорость.

Если двигатели ракеты мощные, ракета очень быстро набирает скорость, достаточную для того, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту. Эта скорость называется первой космической скоростью и равна приблизительно 8 километрам в секунду.

Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем – азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.

Серийное производство ракеты Р-2

В сентябре 1949 года на стартовую площадку полигона (пл. № 4) была доставлена ракета нового типа Р-2Э (экспериментальная). Это был первый отечественный образец, выполненный по новой конструктивной схеме.

За два осенних месяца 1949 года было проведено 5 пусков этой ракеты, которые подтвердили работоспособность систем и агрегатов, надежность конструкции, правильность исходных теоретических предпосылок. В период 1950 – 1951 годов было проведено 30 летно-конструкторских пусков ракеты Р-2, из которых 24 были удачными. Надежность ракеты составила 80%.

27 ноября 1951 года ракетный комплекс с ракетой Р-2 был принят на вооружение. В 1952 году на полигоне были проведены 14 пусков серийных ракет Р-2, изготовленных на Днепропетровском ракетном заводе (предшественнике Южмаша). Надежность серийных ракет составила 86%. Разработка ракетного комплекса и систем ракеты Р-2, выполненной по новой конструктивной схеме, заложила основу дальнейших ракетных комплексов.

Как бы пафосно это не звучало: именно эти события были первыми шагами нашей страны на пути исследования Космоса. Что особенно приятно – шаги эти были сделаны самостоятельно.