Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

В чем измеряется тяга ракетного двигателя


Тяга ракетного двигателя. Ракетные двигатели

Тяга ракетного двигателя

Создание реактивной тяги есть назначение всякого ракетного двигателя; поэтому величина тяги является важнейшей характеристикой двигателя.

Тяга современных ракетных двигателей колеблется от нескольких килограммов до десятков тонн, в зависимости от назначения и размеров двигателя.

Двигатели тяжелых дальнобойных ракет развивают тягу, превышающую тягу наиболее мощных паровозов, с могучей силой увлекающих за собой железнодорожные составы в тысячи тонн.

Фиг. 7. Принципиальная схема ракетного двигателя.

Как определить величину реактивной тяги? Обратимся для этой цели к фиг. 7, на которой представлена принципиальная схема ракетного двигателя.

Тяга образуется потому, что из двигателя вытекают газы. Чтобы вытолкнуть газы, двигатель должен действовать на них с какой-то силой; обратная сила — сила воздействия газов на двигатель — и есть реактивная тяга. Поэтому направление тяги обратно скорости вытекающих газов, а величина тяги равна силе, с которой выталкиваются газы. Очевидно, что величина этой силы зависит от количества вытекающих газов и их скорости. Механика учит, что эта сила, а следовательно, и сила тяги, равна произведению массы выталкиваемых в секунду газов на скорость их истечения.

Так как масса равна весу, деленному на ускорение земного притяжения (g=9,81 м/сек2), то для определения силы тяги служит следующая простая формула:

Каждый килограмм вытекающих в секунду газов создает тягу, численно равную, очевидно, 1/10 от скорости истечения. Эта тяга, носящая название удельной тяги или удельного импульса (размерность удельной тяги кг сек/кг), является основной характеристикой любого ракетного двигателя. Чем больше удельная тяга, т. е. чем большую тягу создает каждый килограмм газа, вытекающего в секунду из двигателя, тем совершеннее двигатель.

В современных ракетных двигателях скорость истечения колеблется от 1500 до 2500 м/сек, вследствие чего удельная тяга равна 150–250 кг сек/кг.

Какими же способами можно увеличить скорость истечения и вместе с нею удельную тягу проектируемого ракетного двигателя?

Скорость истечения газов из двигателя зависит от топлива, давления газов в двигателе и его конструкции.

Влияние топлива на скорость истечения сказывается в основном в том, что скорость истечения тем больше, чем больше теплотворная способность топлива, т. е. тепло, которое выделяет при сгорании каждый килограмм топлива.

Чтобы отчетливее представить себе влияние на скорость истечения теплотворной способности топлива, попробуем повнимательнее присмотреться к явлениям, происходящим в любом ракетном двигателе, т. е. к рабочему процессу двигателя.

Пусть в двигателе произошла химическая реакция (будем считать для определенности — сгорание), в результате которой выделилось какое-то количество тепла.

Вследствие этого газообразные продукты реакции — пары углекислоты, пары воды, азот и др. — сильно нагреваются, так что температура их достигает 2500 °C и более. Мы знаем из физики, что температура газа есть мера скорости движения его молекул; когда газ очень нагрет, то молекулы его движутся с очень большими скоростями. Однако непосредственно эту скорость движения молекул газа использовать для создания реактивной тяги нельзя, потому что молекулы внутри двигателя движутся беспорядочно, неорганизованно, во всех направлениях; имеет место так называемое тепловое движение молекул. Каждая молекула, отражаясь от стенок двигателя, создает, конечно, микроскопическую реактивную силу, но суммарная равнодействующая — результат бесчисленного множества таких молекулярных ударов, равна нулю. Благодаря хаотичности движения молекул давление на все стенки двигателя одинаково и никакого реактивного эффекта не получается.

Чтобы создать реактивную силу, необходимо обеспечить упорядоченное, организованное истечение молекул газа из двигателя в одном направлении; тогда реактивный эффект всех вытекающих молекул суммируется, давая в результате нужную нам реактивную силу. Поэтому всякий ракетный двигатель по идее представляет собой машину для извержения молекул газа с максимально возможной скоростью в одном, общем для всех молекул, направлении, следовательно, машину для преобразования химической энергии топлива сначала в тепловую энергию беспорядочного движения молекул, а затем в скоростную (кинетическую) энергию их упорядоченного истечения из двигателя.

Таким образом первая часть рабочего процесса ракетного двигателя заключается в преобразовании химической энергии топлива в тепловую. Это преобразование осуществляется в ходе химической реакции внутри двигателя, в той его части, которую называют камерой сгорания, и происходит обычно при постоянном давлении.

Вторая часть рабочего процесса двигателя заключается в преобразовании тепловой энергии хаотического движения молекул в скоростную энергию их организованного истечения, т. е. в скоростную энергию реактивной струи газов, вытекающих из двигателя. Это преобразование осуществляется в процессе расширения газов от давления, имеющего место в камере сгорания двигателя, до атмосферного давления, т. е. до давления на выходе из двигателя, и обычно происходит в той его части, которая носит название сопла.

В современных ракетных двигателях указанный выше рабочий процесс происходит непрерывно, хотя возможны двигатели прерывного действия, в которых подача топлива в камеру сгорания и все последующие процессы происходят периодически.

Таким образом общим результатом рабочего процесса ракетного двигателя является преобразование химической энергии топлива в скоростную энергию струи газов, вытекающих из сопла в атмосферу. Однако при этом далеко не вся химическая энергия топлива (теплотворная способность) переходит в скоростную энергию струи, а только определенная часть ее. Чем совершеннее рабочий процесс, тем больше эта полезно используемая часть теплотворной способности топлива. В современных; ракетных двигателях в скоростную энергию струи газов переходит меньше половины тепла, заключенного в топливе[2]. Большая часть (до 2/3) этого тепла представляет собой потери рабочего процесса. Часть тепла теряется из-за неполного сгорания топлива, а другая, большая, теряется вместе с газами, выходящими из двигателя, так как их температура очень высока (1000–1500 °C). Уменьшение этих потерь рабочего процесса приводит к увеличению скорости истечения и, следовательно, увеличению тяги. Однако, как учит термодинамика — наука о преобразовании тепла в работу, — все тепло не может перейти в скоростную энергию газов. Некоторая часть этого тепла представляет собой неизбежные потери.

Теперь ясно, как теплотворная способность топлива влияет на скорость истечения. Чем больше теплотворная способность, тем больше тепловой энергии, при данной степени совершенства рабочего процесса двигателя, переходит в скоростную энергию газов, т. е. тем больше скорость истечения. И физически очевидно, что чем больше скорость теплового движения молекул после сгорания, тем больше и скорость истечения газов из двигателя.

С другой стороны, чем совершеннее рабочий процесс двигателя, тем также больше скорость истечения. Поэтому, например, более удачная конструкция двигателя, в частности, сопла, позволяющая лучше организовать истечение, т. е. добиться, чтобы скорости молекул газа на выходе из двигателя имели одинаковое направление и были большими по величине, также приводит к увеличению тяги.

Такое же влияние оказывает давление газов в камере сгорания двигателя. Чем больше это давление по сравнению с атмосферным, т. е. с давлением газов на выходе из двигателя, тем большая доля тепла переходит в скоростную энергию газов и поэтому больше скорость истечения и тяга двигателя, рассчитанного на это увеличенное давление.

Из всех внешних условий (скорость полета, состояние атмосферы и др.) только атмосферное давление оказывает некоторое, да и то небольшое, влияние на рабочий процесс ракетного двигателя. Эта независимость рабочего процесса от внешних условий является важным свойством ракетного двигателя. Благодаря этому свойству скорость истечения и секундный расход газов, а следовательно, и тяга ракетного двигателя, также остаются постоянными при изменении внешних условий.

Только при изменении атмосферного давления, например с изменением высоты полета, тяга несколько изменяется — с увеличением высоты тяга растет.

Особенно важным является то, что тяга остается постоянной при изменении скорости полета.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Как работают ракетные двигатели | HowStuffWorks

"Сила" ракетного двигателя называется его тяги . Тяга измеряется в «фунтах тяги» в США и в ньютонах в метрической системе (4.45 ньютона тяги равняется 1 фунту тяги). Фунт тяги - это величина тяги, которая потребуется, чтобы удержать 1-фунтовый объект неподвижным против силы тяжести на Земле. Так на Земле ускорение силы тяжести составляет 32 фута в секунду в секунду (21 миля в час в секунду).Если вы летите в космосе с мешком бейсбольных мячей и отбрасываете один бейсбольный мяч в секунду от вас со скоростью 21 миль в час, ваши бейсбольные мячи будут генерировать эквивалент 1 фунта тяги. Если бы вы вместо этого бросали бейсбольные мячи со скоростью 42 мили в час, вы бы получали 2 фунта тяги. Если вы выбрасываете их со скоростью 2100 миль в час (возможно, стреляя из какого-то бейсбольного ружья), то вы генерируете 100 фунтов тяги и так далее.

Одна из забавных проблем, с которыми сталкиваются ракеты, заключается в том, что объекты, которые двигатель хочет выбросить, на самом деле что-то весят, и ракета должна нести этот вес.Допустим, вы хотите создать 100 фунтов тяги за час, бросая один бейсбольный мяч каждую секунду со скоростью 2100 миль в час. Это означает, что вы должны начать с 3600 бейсбольных мячей весом в 1 фунт (в часе 3600 секунд) или 3600 фунтов бейсбольных мячей. Поскольку в скафандре вы весите всего 100 фунтов, вы можете видеть, что вес вашего «топлива» превосходит вес полезной нагрузки (вас). Фактически, топливо весит в 36 раз больше, чем полезная нагрузка. И это очень распространено. Вот почему у вас должна быть огромная ракета, чтобы доставить крошечного человека в космос прямо сейчас - вы должны нести много топлива.

Вы можете очень ясно увидеть уравнение веса на космическом челноке. Если вы когда-либо видели запуск космического челнока, вы знаете, что есть три части:

  • Orbiter
  • Большой внешний танк
  • Два твердотопливных ракетных ускорителя (SRBs)

Орбитер весит 165000 фунтов пустыми. Внешний бак весит 78 100 фунтов пустыми. Два твердых ракетных ускорителя весят по 185 000 фунтов каждый.Но тогда вы должны загрузить топливо. Каждый SRB содержит 1,1 миллиона фунтов топлива. Внешний резервуар вмещает 143 000 галлонов жидкого кислорода (1 359 000 фунтов) и 383 000 галлонов жидкого водорода (226 000 фунтов). Весь автомобиль - челнок, внешний бак, цельные кожухи ракетного ускорителя и все топливо - имеет общий вес при запуске 4,4 миллиона фунтов. 4,4 миллиона фунтов, чтобы получить 165 000 фунтов на орбите - это довольно большая разница! Справедливости ради, орбитальный аппарат может также нести полезную нагрузку весом в 65 000 фунтов (размером до 15 x 60 футов), но это все еще большая разница.Топливо весит почти в 20 раз больше, чем орбитальный аппарат [источник: руководство по эксплуатации космического челнока].

Все это топливо выбрасывается в заднюю часть космического челнока со скоростью, возможно, 6000 миль в час (типичные скорости выпуска ракет для химических ракет находятся в диапазоне от 5000 до 10000 миль в час). SRB сгорают в течение примерно двух минут и генерируют около 3,3 миллиона фунтов тяги при запуске (в среднем 2,65 миллиона фунтов за горение). Три главных двигателя (которые используют топливо во внешнем баке) сгорают в течение приблизительно восьми минут, генерируя 375 000 фунтов тяги каждый во время горения.

В следующем разделе мы рассмотрим конкретную топливную смесь в твердотопливных ракетах.

,

Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Кривая тяги для ракетного двигателя Estes A10-PT. Кривая тяги показывает, сколько тяги (в ньютонах) двигатель производит со временем (в секундах). Здесь также есть информация о импульсе, количестве топлива и удельном импульсе

Тяга - это сила или толчок. Когда система толкает или ускоряет массу в одном направлении, в противоположном направлении возникает такое же усилие (сила). В математике и физике это описывается вторым и третьим законами Исаака Ньютона.Тяга используется для описания того, насколько сильно двигатель толкает. Он может использоваться для многих видов транспортных средств и двигателей, таких как ракеты, моторные лодки, пропеллеры и реактивные двигатели.

Тяга измеряется в «фунтах тяги» в США и в ньютонах в метрической системе. 4,45 ньютона тяги равно 1 фунту тяги. Фунт тяги - это то, сколько тяги потребуется, чтобы удержать неподвижный объект весом от одного фунта против силы тяжести на земле.

Очень распространенный вопрос - как сравнить число тяги двигателя самолета с механической мощностью поршневого двигателя (тип двигателя в автомобилях и во многих самолетах с воздушными винтами).Трудно сравнить эти два. Это потому, что они не измеряют одно и то же. Поршневой двигатель не двигает самолет. Он просто поворачивает винт, который перемещает самолет. Из-за этого поршневые двигатели оцениваются по тому, сколько мощности они дают пропеллеру.

Однако у реактивного двигателя нет пропеллера - он толкает самолет, перемещая горячий воздух за ним. Полезный способ измерить мощность реактивного двигателя состоит в том, сколько энергии реактивный двигатель дает самолету через силу тяги.Это называется «движущей силой реактивного двигателя». Мощность - это сила, необходимая для перемещения чего-либо на расстояние, деленная на время, необходимое для перемещения этого расстояния: [1]

P = Fdt {\ displaystyle \ mathbf {P} = \ mathbf {F} {\ frac {d} {t}}},

Где P - сила, F - сила, d - расстояние, а t - время. Для ракетного или реактивного двигателя сила равна тяге, создаваемой двигателем. Расстояние, деленное на время, также называется скоростью. Таким образом, мощность равна скорости тяги [2]

P = Tv {\ displaystyle \ mathbf {P} = \ mathbf {T} {v}},

Где T - тяга, а v - скорость.Это мощность, передаваемая двигателем при определенной тяге или скорости. [3] Движущая сила реактивного двигателя увеличивается с его скоростью.

. Когда тягу ракеты или двигателя сравнивают с весом, это называется отношением тяги к массе . Число, полученное в результате этого сравнения, не имеет каких-либо единиц, потому что это соотношение. Соотношение в этом случае означает, что тяга двигателя (в ньютонах) делится на вес (в ньютонах). Цель этого сравнения - показать, насколько хорошо работает двигатель или транспортное средство, например, какое ускорение.Это число, которое можно использовать для сравнения различных типов двигателей, таких как двигатели самолета, реактивные двигатели, ракетные двигатели или автомобильные двигатели.

Этот сравнительный номер может измениться во время работы двигателя. Это связано с тем, что вес двигателя становится меньше при использовании топлива. Отношение тяги к весу используется для фактического сравнения двигателей - это число, найденное при первом запуске двигателя.

Тяга измеряется в «фунтах тяги» в США и в ньютонах в метрической системе.4.45 Ньютона тяги равно 1 фунту тяги. Фунт тяги - это то, сколько тяги потребуется, чтобы удержать неподвижный объект весом от одного фунта против силы тяжести на земле.

Самолет делает прямую тягу, когда воздух выталкивается в направлении, противоположном полету. Тяга создается вращающимися лопастями винта. Тяга также может создаваться вращающимся вентилятором, выталкивающим воздух из задней части реактивного двигателя. Другой способ - выброс горячих газов из ракетного двигателя.

Реверс тяги противоположен тяге вперед.Таким образом, воздух толкается так же, как и движение тела. Обратную тягу можно использовать для торможения после приземления. Это может быть сделано путем перенаправления тяги в турбовентиляторном или реактивном двигателе или путем изменения угла лопасти воздушного винта с пропеллерным приводом.

Птицы обычно достигают тяги во время полета, взмахивая крыльями.

Лодка с двигателем создает тягу или реверс тяги, когда гребные винты поворачиваются, чтобы толкать воду назад (или вперед). Тяга, которую это делает, толкает лодку в направлении, противоположном толкаемой воде.

Ракета толкается вперед силой тяги, равной силе, создаваемой выхлопным газом при выходе из сопла ракеты. Сила, которую производит выхлопной газ, называется скоростью выхлопа. Скорость измеряется по сравнению с ракетой. Чтобы вертикальный пуск ракеты работал, стартовая тяга должна быть больше силы, чем вес ракеты.

Соотношение тяги и тяги к весу для нескольких двигателей
Двигатель Тяга (Н) Соотношение тяги к весу
F-15C Eagle [4] 155,240 1.12
F-16 Fighting Falcon [5] 76 300 1,095
J-58 (реактивный двигатель SR-71 Blackbird) [6] 150 000 5,2
Боинг 747-400 (Двигатели) [7] 1 008 000 6,3
F-1 (ракетный двигатель первой ступени Saturn V) [8] 7 740 500 94,1
,

Ракеты и масса - Центр изучения науки

Масса ракеты важна по двум причинам: объект с меньшей массой ускоряется быстрее, а объект с большей массой обладает большей силой гравитации.

Чтобы понять эти идеи, полезно подумать об объектах, движущихся в горизонтальном направлении, прежде чем думать о вертикальном движении ракеты.

Горизонтальное движение ракеты

Если вы толкаете двух людей с разными массами на разные качели, человеку с меньшей массой (измеряемой в килограммах) легче двигаться.Это связано с тем, что человек с меньшей массой ускоряется быстрее, чем тяжелый человек, толкаемый с той же силой.

Второй закон движения Ньютона подводит итог этой идеи. Это часто обозначается как сила = масса х ускорение. Если к двум объектам применяется одинаковая сила, объект с меньшей массой будет иметь большее ускорение.

Для игрушечной машинки на воздушном шаре (простой ракеты в действии) более легкая машина (с меньшей массой) будет ускоряться быстрее, чем машина с большей массой.

Вертикальное движение ракеты

Ракета, запущенная вертикально, имеет тот же эффект.Ракета с большей массой будет ускоряться медленнее, как в горизонтальном примере, но есть и другой эффект. Сила тяжести теперь действует в направлении, противоположном тяге, поэтому результирующая сила, толкающая ракету вверх, также меньше.

Создание ракеты настолько легким, насколько это возможно, повлияет на скорость ее ускорения и высоту, которую она сможет достичь.

Что влияет на общий размер ракеты?

Некоторые ракеты намного крупнее других.Если ракеты с меньшей массой ускоряются быстрее, то почему некоторые ракеты такие огромные?

Три составляющих общего размера ракеты:

  • полезная нагрузка - общее количество измерительных приборов, спутников, космических аппаратов или астронавтов, которые необходимо нести в космос, на Луну или в направлении других планет
  • нагрузка ракетным топливом - топливо плюс окислитель, который необходим для запуска ракеты в космос или в ее желаемое место, и для любого дополнительного необходимого топлива также требуется топливо для обеспечения тяги для его подъема и дополнительные баки, которые также необходимы для перевозки всего этого топлива
  • ракета двигатели, топливные баки и тд.

Для идеального выхода ракеты на орбиту полезная нагрузка должна составлять 6% от общей массы. Ракетные двигатели, топливные баки и прочее должно составлять 3%. Пропелленты должны составлять 91%.

Любая экономия ненужной массы может заметно уменьшить количество необходимого топлива.

Поддержание ускорения до безопасных уровней

По мере того, как топливо реагирует и его продукты сгорания выбрасываются из ракеты, масса ракеты уменьшается. Эта меньшая масса означает, что ракета запускается

.

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.