1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое сопло в реактивном двигателе

В ракетном горниле

Температура реактивной струи ракеты, выводящей на околоземную орбиту космический спутник, составляет тысячи градусов. Материал сопла двигателя должен иметь высокую теплопроводность для эффективного отвода тепла и одновременно быть тугоплавким, чтобы выдерживать мощный огневой напор. Одним из технических решений этой проблемы является использование керамического покрытия, наносимого на металлический корпус. Но его термостабильность при многократных термических нагрузках до эры нанотехнологий была невелика

Единственный реализованный на сегодня способ преодолеть земное притяжение и вывести космический аппарат на околоземную орбиту – использование реактивной тяги. Необ­ходимая мощность достигается сжиганием высокоэнергетического вещества в жидкотопливном реактивном двигателе, причем продукты сгорания разогреваются до многих тысяч градусов. Однако в природе не существует материалов, способных выдержать такие тепловые нагрузки.

Чтобы работающий двигатель мог противостоять термическому воздействию, используется сложная инженерная конструкция сопла. Она включает в себя систему быстрого отвода тепла от стенок камеры сгорания и устройство для создания газовой завесы между стенками и центральной высокотемпературной областью плазменной струи. Кроме того, на внутреннюю поверхность стенок наносится защитное покрытие из жаропрочных материалов с низкой теплопроводностью, обычно керамическое.

Тепловая нагрузка на корпус двигателя столь высока, что термозащитная система сохраняет устойчивость в течение лишь нескольких секунд. Суть проблемы в том, что из-за большого различия в коэффициентах термического расширения керамики и металла покрытие растрескивается и затем отслаивается.

Задержать процесс разрушения покрытия – непростая задача. Чтобы ее решить, необходимо рассчитать распределение температур в двигателе, динамику полей термических напряжений на границе раздела «металл – керамика», что позволит смоделировать поведение создаваемого композиционного материала в экстремальных тепловых условиях. Наконец, требуется создать комплекс технологического оборудования для нанесения покрытий, которые будут адекватно реагировать на воздействия высокотемпературных плазменных потоков. Таким образом, даже простое перечисление требующих решения задач позволяет сделать вывод о сложнейшем, междисциплинарном характере проблемы.

Создать «умные» наноструктурные теплозащитные покрытия для сопла ракетного двигателя, которые позволят увеличить температуру плазменного потока, тягу ракеты и полезный вес выводимого на орбиту груза, запланировано в рамках Федеральной космиче­ской программы России на 2006—2015 гг. Решение этой задачи позволит многократно увеличить ресурс работы ракетных двигателей, упростить их конструкцию и резко снизить себестоимость производства. В конечном счете речь идет о создании двигателей многоразового использования.

Исполнителями этого раздела программы стали Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) и ГНЦ ФГУП «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша» (Москва).

Плоское сопло для российских боевых самолётов: от советских наработок до перспективы

Преимущества конструкции плоского сопла

Примерно с 80-х годов прошлого века авиаконструкторы обнаружили ряд преимуществ для двигателей военных самолетов, которые может принести использование сопла с плоской формой сечения.

С одной стороны, такая конструктивная особенность улучшает взлетно-посадочные характеристики (ВПХ) самолета и делает его более маневренным.

А с другой, она позволяет боевой машине стать менее заметной для РЛС противника. Это объясняется тем, что контуры осесимметричного сопла круглого сечения очень сложно согласовать с другими элементами конструкции самолета, чтобы сделать самолет не таким заметным для радаров. Гораздо легче этого добиться, если использовать плоское «реактивное» сопло. Помимо этого, чтобы еще более снизить радиозаметность, при изготовлении такого сопла задействуют материалы, способные поглощать излучение.

Дополнительно инфракрасное излучение самолета, использующего такую форму сопла, также уменьшается. Этого позволяет добиться соотношение высоты и ширины сопла, существенно снижая температуру исходящей струи.

Конечно, у такой формы сопла есть и недостатки. Во-первых, при переходе от круглого сечения двигателя к прямоугольной форме сопла происходит некоторая потеря давления. В лучшем случае, теряется около пяти процентов. Второй недостаток – это необходимость усиления жесткости и прочности сопла, так как конструкция такой формы испытывает большую нагрузку, чем сопло круглого сечения.

Но все эти недостатки с лихвой перекрываются преимуществами.

Первый российский самолет с плоским соплом

Первым в мире самолетом, где была воплощена новая идея, стал американский F-15, который выполнил первый экспериментальный полет в 1988 году. Позднее плоские сопла стали использовать в «стелс»-самолетах F-117 и F-22 Raptor. Хотя в России внедрением в военную авиацию сопла с плоским сечением занялись почти одновременно с американцами, мы в этой области отстали. И не потому, что наши специалисты хуже американских, просто в СССР начались тогда трудные времена: развал Советского Союза чуть было не привел к полному уничтожению и ОПК страны. Просто не до самолетов тогда было, откровенно.

В период своего заката Советский Союз стоял на пороге серийного производства истребителя нового поколения, оснащенного двигателем с плоским соплом. Изначально он назывался Су-27КМ. Самолет начали разрабатывать в 1988 году. Формально он считался модификацией корабельного истребителя Су-27К («М» — это «модернизированный»). Но по своей сути он был абсолютно новой разработкой. Главными его особенностями стали крылья изменяемой стреловидности и два двигателя с одним общим плоским соплом. Такая форма сопла позволяла снизить ИК-заметность и упрощала управление вектором тяги. По какой-то причине проект был в 1989 году закрыт (это отдельная история). В 1990 году прототип стал летающей лабораторией. Всё шло хорошо, самолёт отлично себя показал во время испытательных полетов, но из-за развала СССР и последовавшего за этим кризиса во всех сферах, включая ОПК, все работы пришлось свернуть. Есть и продолжение этой истории, но оно уже не касается применения в российской авиации двигателей с плоским соплом.

Двигатели с плоским соплом сегодня и завтра

Длительное время к применению плоского сопла российские авиастроители не возвращались. Скорее всего, на это были свои причины. Но совсем недавно было решено к этой идее вернуться.

Это связано с созданием первого российского истребителя пятого поколения Су-57. Не буду погружаться в долгую и драматичную историю создания самолета. Во-первых, она еще не закончилась, а во-вторых, это отдельная тема, которую в двух словах не раскрыть.

Упомяну лишь о моментах, касающихся возможного применения в этом самолете двигателей с плоским соплом.

Как известно, разработка Су-57 длится уже много лет, еще с начала 2000-х годов, причем сроки перехода к серийному производству много раз откладывались. Изначально первые самолеты планировали передать в войска еще в 2015 году. И хотя в прошлом году первый серийный Су-57 упал во время испытаний, специалисты считают эту боевую машину очень удачной. Уже есть несколько прототипов, более десятка. Это доказывает хотя бы тот факт, что в августе 2018 года ОКБ «Сухого» получило контракт от Минобороны РФ, согласно которому российские военные за период с 2020 по 2027 год должны получить 76 самолетов Су-57, не считая ещё двух, заказанных ранее.

Читать еще:  Двигатель alf тех характеристики

Партии истребителей, которые поступят на вооружение, будут оснащены уже существующими серийными двигателями АЛ-41Ф1 с круглым осесимметричным сечением сопла. Подобные силовые агрегаты устанавливают на Су-35С. Истребители Су-57 с такими двигателями будут поставляться в войска ориентировочно до середины 2020-х годов.

А затем вместо этого двигателя в Су-57 начнут устанавливать так называемое «Изделие 30». О его технических характеристиках известно немного, но по некоторым данным в нем будет использовано плоское сопло. Собственно, этого и следовало ожидать. Но с учетом того, что планы разработчиков и сроки могут еще несколько раз поменяться, трудно сказать, когда именно у российских военных появятся боевые самолеты, оборудованные двигателями с плоским соплом. При этом стоит сказать, что не так давно появились изображения модели ударного БПЛА «Охотник», сопло которого было именно плоским.

Плоское сопло для российских боевых самолётов: от советских наработок до перспективы

Преимущества конструкции плоского сопла

Примерно с 80-х годов прошлого века авиаконструкторы обнаружили ряд преимуществ для двигателей военных самолетов, которые может принести использование сопла с плоской формой сечения.

С одной стороны, такая конструктивная особенность улучшает взлетно-посадочные характеристики (ВПХ) самолета и делает его более маневренным.

А с другой, она позволяет боевой машине стать менее заметной для РЛС противника. Это объясняется тем, что контуры осесимметричного сопла круглого сечения очень сложно согласовать с другими элементами конструкции самолета, чтобы сделать самолет не таким заметным для радаров. Гораздо легче этого добиться, если использовать плоское «реактивное» сопло. Помимо этого, чтобы еще более снизить радиозаметность, при изготовлении такого сопла задействуют материалы, способные поглощать излучение.

Дополнительно инфракрасное излучение самолета, использующего такую форму сопла, также уменьшается. Этого позволяет добиться соотношение высоты и ширины сопла, существенно снижая температуру исходящей струи.

Конечно, у такой формы сопла есть и недостатки. Во-первых, при переходе от круглого сечения двигателя к прямоугольной форме сопла происходит некоторая потеря давления. В лучшем случае, теряется около пяти процентов. Второй недостаток – это необходимость усиления жесткости и прочности сопла, так как конструкция такой формы испытывает большую нагрузку, чем сопло круглого сечения.

Но все эти недостатки с лихвой перекрываются преимуществами.

Первый российский самолет с плоским соплом

Первым в мире самолетом, где была воплощена новая идея, стал американский F-15, который выполнил первый экспериментальный полет в 1988 году. Позднее плоские сопла стали использовать в «стелс»-самолетах F-117 и F-22 Raptor. Хотя в России внедрением в военную авиацию сопла с плоским сечением занялись почти одновременно с американцами, мы в этой области отстали. И не потому, что наши специалисты хуже американских, просто в СССР начались тогда трудные времена: развал Советского Союза чуть было не привел к полному уничтожению и ОПК страны. Просто не до самолетов тогда было, откровенно.

В период своего заката Советский Союз стоял на пороге серийного производства истребителя нового поколения, оснащенного двигателем с плоским соплом. Изначально он назывался Су-27КМ. Самолет начали разрабатывать в 1988 году. Формально он считался модификацией корабельного истребителя Су-27К («М» — это «модернизированный»). Но по своей сути он был абсолютно новой разработкой. Главными его особенностями стали крылья изменяемой стреловидности и два двигателя с одним общим плоским соплом. Такая форма сопла позволяла снизить ИК-заметность и упрощала управление вектором тяги. По какой-то причине проект был в 1989 году закрыт (это отдельная история). В 1990 году прототип стал летающей лабораторией. Всё шло хорошо, самолёт отлично себя показал во время испытательных полетов, но из-за развала СССР и последовавшего за этим кризиса во всех сферах, включая ОПК, все работы пришлось свернуть. Есть и продолжение этой истории, но оно уже не касается применения в российской авиации двигателей с плоским соплом.

Двигатели с плоским соплом сегодня и завтра

Длительное время к применению плоского сопла российские авиастроители не возвращались. Скорее всего, на это были свои причины. Но совсем недавно было решено к этой идее вернуться.

Это связано с созданием первого российского истребителя пятого поколения Су-57. Не буду погружаться в долгую и драматичную историю создания самолета. Во-первых, она еще не закончилась, а во-вторых, это отдельная тема, которую в двух словах не раскрыть.

Упомяну лишь о моментах, касающихся возможного применения в этом самолете двигателей с плоским соплом.

Как известно, разработка Су-57 длится уже много лет, еще с начала 2000-х годов, причем сроки перехода к серийному производству много раз откладывались. Изначально первые самолеты планировали передать в войска еще в 2015 году. И хотя в прошлом году первый серийный Су-57 упал во время испытаний, специалисты считают эту боевую машину очень удачной. Уже есть несколько прототипов, более десятка. Это доказывает хотя бы тот факт, что в августе 2018 года ОКБ «Сухого» получило контракт от Минобороны РФ, согласно которому российские военные за период с 2020 по 2027 год должны получить 76 самолетов Су-57, не считая ещё двух, заказанных ранее.

Партии истребителей, которые поступят на вооружение, будут оснащены уже существующими серийными двигателями АЛ-41Ф1 с круглым осесимметричным сечением сопла. Подобные силовые агрегаты устанавливают на Су-35С. Истребители Су-57 с такими двигателями будут поставляться в войска ориентировочно до середины 2020-х годов.

А затем вместо этого двигателя в Су-57 начнут устанавливать так называемое «Изделие 30». О его технических характеристиках известно немного, но по некоторым данным в нем будет использовано плоское сопло. Собственно, этого и следовало ожидать. Но с учетом того, что планы разработчиков и сроки могут еще несколько раз поменяться, трудно сказать, когда именно у российских военных появятся боевые самолеты, оборудованные двигателями с плоским соплом. При этом стоит сказать, что не так давно появились изображения модели ударного БПЛА «Охотник», сопло которого было именно плоским.

Закон сохранения количества движения

Как известно, с помощью законов Ньютона, записанных в силах и ускорениях, можно решить любую механическую задачу, рассчитать любое движение во всех его деталях. Однако имеется ряд причин, которые заставляют нас искать новые формы записи этих законов. Есть большая группа задач, в которых нас не интересует, как именно происходил процесс изменения состояния тел, но нам нужно знать только конечный результат их взаимодействия.

Например, человеку, играющему в бильярд, важно знать только то, как будут двигаться шары после удара, а как изменяются скорости шаров, его не интересует.

Читать еще:  Шаговые двигатели из принтера что может

Конечная скорость движения тела определяется не только самой силой, приложенной к нему, но и временем её действия. Поэтому можно попытаться найти такое уравнение второго закона Ньютона, которое содержало бы время действия силы на тело, его конечную и начальную скорости.

Уравнение второго закона Ньютона запишем так:

Здесь -вектор равнодействующей силы, приложенной к телу,— масса тела,-вектор ускорения, приобретаемый телом под действием силы. Но вектор ускорения — это вектор разности начальной и конечной скоростей материальной точки, поделённый на промежуток

времени, за которое произошло это изменение, то есть

Подставим полученный результат в записанное ранее уравнение:

Умножив обе части равенства на ,получим:

Мы связали время действия силы на материальную точку, её начальную и конечную скорости, но получили новые физические величины. В левой части полученного нами уравнения стоит физическая величина, получившая название импульса силы

Это сложная физическая величина. Она одновременно описывает значение модуля вектора действующей силы, его направление и время действия этой силы. Очевидно, что импульс силы является векторной величиной, равняясь произведению вектора силы на промежуток времени, в течение которого эта сила действовала на тело. Единица измерения импульса силы .

В правой части нашего уравнения стоит разность какой-то физической величины. Эта величина получила название импульса тела или количества движения тела, она обозначается как ,а единица измерения .Она, также как и импульс силы, является вектором, так как равна произведению вектора скорости тела на его массу, следовательно, направление вектора импульса тела всегда совпадает с направлением вектора скорости.

Теперь можно прочитать второй закон Ньютона следующим образом:

Изменение импульса тела равно импульсу суммы всех сил, действовавших на тело.

Именно в таком виде закон был сформулирован самим Ньютоном.

Рассмотрим теперь замкнутую систему, состоящую из двух тел, то есть такую систему, где тела, входящие в неё, взаимодействуют только друг с другом. Пусть тела взаимодействовали друг с другом. Это взаимодействие длилось времени. Тогда силы, с которыми взаимодействовали тела, по третьему закону Ньютона равны по модулю и направлены противоположно:.Пусть массы тел равны и .Запишем уравнение второго закона Ньютона для каждого тела:

Теперь мы можем подставить эти уравнения в уравнение третьего закона Ньютона:

Домножив обе части уравнения наи перенеся начальные импульсы тел в левую часть уравнения, а конечные импульсы тел в правую часть, получим:

Мы получили результат, показывающий, что при любых взаимодействиях тел замкнутой системы геометрическая сумма их количества движения остаётся постоянной. Это утверждение названо законом сохранения количества движения. Этот закон относится к наиболее фундаментальным законам физики и лежит в основе не только механики, но и всей современной физики.

Отметим, что закон сохранения количества движения действителен только для замкнутых(изолированных) систем тел, где тела взаимодействуют только между собой. Однако наблюдаются случаи, когда действия тел, не входящих в подобные системы, компенсируют друг друга, и их суммарное действие на систему тел можно считать равной нулю.

Например, представим такую ситуацию: два шарика находятся на горизонтальной, ровной, гладкой поверхности, где коэффициент трения равен нулю; эти шарики имеют некоторую скорость, следовательно, импульс этой системы равен сумме импульсов этих тел. Хотя шарики подвержены воздействию силы тяжести со стороны земли, не входящей в данную систему, эта сила компенсируется силой реакции опоры со стороны поверхности, на которой они перемещаются. К системе, состоящей из этих двух шариков приложены внешние силы, равнодействующая которых равна нулю. Следовательно, можно утверждать, что количество движения этой системы постоянно и не изменится при любых взаимодействиях шариков. Если же сумма импульсов внешних сил не равна нулю, то количество движения системы изменится, а это изменение будет равно сумме импульсов этих сил.

Таким образом, новая формулировка третьего закона Ньютона, полученная нами, позволяет узнать результат взаимодействия тел, даже когда неизвестны силы взаимодействия между этими телами. Запишем окончательное уравнение закона сохранения импульса :

где и -начальные импульсы тела и соответственно конечные импульсы тел.

Заметим, что закон сохранения количества движения справедлив не только для замкнутой системы, состоящей из двух тел. Он справедлив для любого количества тел, составляющих замкнутую систему.

Также как и все законы Ньютона, закон сохранения количества движения справедлив только в том случае, когда система тел рассматривается относительно инерциальной системы отсчёта, в которой если на тело не действуют никакие силы, или равнодействующая этих сил равна нулю, то тело покоится или движется равномерно и прямолинейно. В противном случае закон сохранения количества движения недействителен.

Виды импеллеров и их особенности

Различают два вида импеллеров:

  1. Толкающий, когда двигатель расположен за ротором;
  2. Тянущий — классический вариант «двигатель-ротор».

Стальные винты или лопасти изготавливают методом литья или штамповки (пресс с усилием до 40 тонн профилирует лопатки). Заготовки проходят комплекс механической обработки для снятия заусенцев, зазубрин и прочих дефектов. Применяют для этого токарно-фрезеровочные комплексы mazak и фрезеровочные машины MIKRON. После чего лопатки проходят термическую и обработку, отпуск и нормализацию. После чего проводится комплекс испытаний на прочность и твердость.

Благодаря особой конструкции импеллера удается достичь минимального шума и отсутствие потери мощности работающей турбины. Корпус импеллерного двигателя обладает меньшими размерами, чем пропеллерные, при этом полезная мощность остается та же. Крыльчатка (закреплена на роторе) представляет собой многолопастной винт в кольцевом канале. Воздух, затянутый в импеллер под большим давлением, имеет какой-то вес, поэтому в результате движения воздушных масс возникает реактивная тяга. Усилие двигает машину или перемещает рабочую среду.

Основная сфера применения импеллеров

Импеллеры применяются в самых разных направлениях. Это не только крупные промышленные двигатели турбин, градирен или компрессоров, но и небольшие механизмы, например, аквариумные фильтры, помпы, двигатели посудомоечных машин, водометы.

Импеллер — механизм для создания реактивной тяги. Принцип используется в авиационных двигателях. Поршневые механизмы давно отошли на задний план, так как реактивные двигатели более легкие, экономичные в работе, работают на более дешевом топливе. Направляющие лопатки могут регулироваться на разных механизмах. Импеллер — механизм, способный обеспечивать максимальную тягу при минимальном диаметре вентилятора, поэтому спрос на такие механизмы очень высок. В настоящее время лопастные высокооборотные электродвигатели нашли широкое применение в авиамоделировании категории F4 (модель копирует реактивный самолет).

Импеллерные двигатели также применяются для двигателей гидроциклов, катеров и прочего водного транспорта. Система придает более высокую тягу и необычайную эффективность, немыслимый разгон и максимальную производительность. Лопаточные элементы — расходный материал, при этом можно заменить только лопастной узел.

Читать еще:  Газель 3302 405 двигатель технические характеристики

Импеллеры применяют как основной механизм насосного оборудования. Такие насосы применяют в пищевой, фармацевтической, косметической, химической промышленности. Основная конструктивная особенность — ротор с резиновыми или пластиковыми лопастями, заключенные в овальный корпус. Такие машины обладают свойствами самовсасывания до 5 метров, имеют реверс (то есть перекачивают жидкость в обе стороны, легко меняется направление перекачивания), допускается перекачивать жидкости с твердыми включениями, для вязких (с пределами вязкости среды до 50000 сСт) и прочих сред. Наиболее часто это насосы-дозаторы, так как производительность жестко связано с частотой вращения. Импеллерные насосы имеют ряд недостатков: ограничение по температуре, а также ограничение по перекачиваемым средам. Оборудование относится к дорогостоящему и технически сложному, поэтому часто используют альтернативные варианты.

Действительно ли такая процедура повышает эффективность сгорания

Чтобы разобраться в данном вопросе, нужно понимать цикл сгорания топлива в ДВС.

Итак, детонация топливной смеси происходит под определённым давлением внутри каждой камеры сгорания. При этом необходимо появление искры. Именно она и высекается из свечи под действием электрического тока.

Если посмотреть на свечу сбоку, станет понятно, что искра образуется между двумя электродами и отлетает от неё под определённым углом. По заверениям некоторых автослесарей и механиков отверстие в верхней части электрода как бы концентрирует и увеличивает силу искры. Получается чуть-ли не сноп искр, проходящих через круглую дырку. Кстати, именно этим аргументом оперируют автолюбители, когда сравнивают обычные свечи с форкамерными.

Но что происходит на практике. Действительно, многие отмечают некоторый прирост мощности двигателя и приёмистость автомобиля на дороге. Кто-то даже говорит, что падает расход топлива. Обычно этот эффект проходит после 200 — 1000 км пробега. Но что же даёт такое высверливание на самом деле, и почему со временем характеристики двигателя возвращаются к прежним показателям?

Чаще всего это связывают не изготовлением отверстия в свече по секретной технологии гонщиков, а с её чисткой. Возможно дырка в электроде и даёт какой-то небольшой прирост мощности двигателя. Может быть так и делали механики прошлого, чтобы незначительно улучшить характеристики гоночных болидов. Но этот эффект очень краткосрочный и незначительный. И как у любого вмешательства в стабильно работающий механизм, у этой технологии есть свои минусы.

§ 5.4. Реактивное движение. Уравнение Мещерского. Реактивная сила

Какое движение называется реактивным?

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.

Наблюдать реактивное движение очень просто. Надуйте детский резиновый шарик и отпустите его. Шарик стремительно взовьется вверх (рис. 5.4). Движение, правда, будет кратковременным. Реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.

Главная особенность реактивной силы состоит в том, что она возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами. Происходит лишь взаимодействие между ракетой и вытекающей из нее струей вещества.

Сила же, сообщающая ускорение автомобилю или пешеходу на земле, пароходу на воде или винтовому самолету в воздухе, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.

При истечении продуктов сгорания топлива они за счет давления в камере сгорания приобретают некоторую скорость относительно ракеты и, следовательно, некоторый импульс. Поэтому в соответствии с законом сохранения импульса сама ракета получает такой же по модулю импульс, но направленный в противоположную сторону.

Масса ракеты с течением времени убывает. Ракета в полете является телом переменной массы. Для расчета ее движения удобно применить закон сохранения импульса.

Уравнение Мещерского

Выведем уравнение движения ракеты и найдем выражение для реактивной силы. Будем считать, что скорость вытекающих из ракеты газов относительно ракеты постоянна и равна . Внешние силы на ракету не действуют: она находится в космическом пространстве вдали от звезд и планет.

Пусть в некоторый момент времени скорость ракеты относительно инерциальной системы, связанной со звездами, равна (рис. 5.5, а), а масса ракеты равна М. Через малый интервал времени Δt масса ракеты станет равной

где μ — расход топлива(1).

За этот лее промежуток времени скорость ракеты изменится на Δ и станет равной 1 = + Δ. Скорость истечения газов относительно выбранной инерциальной системы отсчета равна + (рис. 5.5,б), так как до начала сгорания топливо имело ту же скорость, что и ракета.

Запишем закон сохранения импульса для системы ракета — газ:

Раскрыв скобки, получим:

Слагаемым μΔtΔ можно пренебречь по сравнению с остальными, так как оно содержит произведение двух малых величин (это величина, как говорят, второго порядка малости). После приведения подобных членов будем иметь:

Это одно из уравнений Мещерского(2) для движения тела переменной массы, полученное им в 1897 г.

Если ввести обозначение р = -μ, то уравнение (5.4.1) совпадет по форме записи со вторым законом Ньютона. Однако масса тела М здесь не постоянна, а убывает со временем из-за потери вещества.

Величина р = -μ носит название реактивной силы. Она появляется вследствие истечения газов из ракеты, приложена к ракете и направлена противоположно скорости газов относительно ракеты. Реактивная сила определяется лишь скоростью истечения газов относительно ракеты и расходом топлива. Существенно, что она не зависит от деталей устройства двигателя. Важно лишь, чтобы двигатель обеспечивал истечение газов из ракеты со скоростью при расходе топлива μ. Реактивная сила космических ракет достигает 1000 кН.

Если на ракету действуют внешние силы, то ее движение определяется реактивной силой и суммой внешних сил. В этом случае уравнение (5.4.1) запишется так:

Принцип реактивного движения основан на том, что истекающие из реактивного двигателя газы получают импульс. Такой же по модулю импульс приобретает ракета.

Вопросы для самопроверки

  1. Реактивное движение совершает кальмар (рис. 5.6). Как это ему удается?

Рис. 5.6

  • Может ли парусная лодка приводиться в движение с помощью компрессора, установленного на лодке, если струя воздуха направлена на паруса? Что произойдет, если поток воздуха будет направлен мимо парусов?
  • Будет ли увеличиваться скорость ракеты, если скорость истечения газов относительно ракеты меньше скорости самой ракеты и вытекающие из сопла газы летят вслед за ракетой?
  • (1) Расходом топлива называется отношение массы сгоревшего топлива ко времени его сгорания.

    (2) Мещерский И. В. (1859—1935) — профессор Петербургского политехнического института. Его труды по механике тел переменной массы стали теоретической основой ракетной техники.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector