В чем измеряется тяга авиационного двигателя

Понятие 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.

Самые мощные реактивные двигатели в мире

Памятник

Таможенные ограничения

Потребность пока невысокая, зато разговоров хватает

Амфибийная специфичность самолета стала причиной его малой востребованности. Исключение составляет только противопожарный вариант. Семь противопожарных Бе-200ЧС в 1997 году заказало Министерство по чрезвычайным ситуациям России. Сейчас у ведомства шесть машин, поскольку первая из серии была снята с эксплуатации и отправлена на ремонт в Таганрог. Многочисленные и мощные лесные пожары аномально жаркого лета 2010-го заставили министерство удвоить заказ – было принято решение о закупке еще восьми Бе-200ЧС на сумму 12 миллиардов рублей. Планировалось, что поставки будут завершены до конца 2013 года.

Бывший министр обороны Анатолий Сердюков в прошлом году принял решение о приобретении восьми таких самолетов-амфибий на 14 миллиардов рублей. По словам генерального директора ТАНТК Виктора Кобзева, первый гидросамолет Бе-200 из армейской партии будет поставлен в 2014 году, а завершить поставки планируется в течение двух лет. Две машины заказчик должен получить в противопожарном варианте, четыре – в поисково-спасательном, еще два самолета – для выполнения специальных задач ВМФ России. О подписании твердого контракта пока не сообщалось.

Единственным иностранным покупателем Бе-200 пока остается Азербайджан, купивший один самолет в 2008 году. Зарубежных заказчиков, безусловно, останавливает чрезвычайно высокая цена (1,5 миллиарда рублей в базовой комплектации) для машины такого класса, которая предлагается на международный рынок в противопожарном варианте. Ведь необходимость пожаротушения носит сезонный и весьма ограниченный характер. Поэтому иностранцы предпочитают брать Бе-200 в аренду и экономить таким образом очень серьезные деньги. Ситуация повторяется раз за разом. Начиная с 2005 года самолеты МЧС привлекались для тушения пожаров в Италии, Португалии, Индонезии, Греции, Израиле, Хорватии и Сербии.

Однако иностранных заказов нет, хотя деклараций о намерениях хватает. Как утверждают в Рособоронэкспорте, имеется около 50 запросов на получение информации о Бе-200, среди них индийский о возможной покупке шести экземпляров. В настоящее время Министерство лесного хозяйства Китая ведет консультации с российскими представителями о возможности поставок самолета в противопожарном варианте.

Желание приобрести десять российских самолетов-амфибий (в ночном варианте) высказал и Пентагон. В следующем году во Флориде Бе-200 примет участие в военно-морских учениях, по итогам которых будет принято окончательное решение. Впрочем, испытания противопожарного варианта самолета прошли в Соединенных Штатах неудачно. Эксперты Службы лесной охраны США заключили, что в Бе-200 необходимо усовершенствовать систему сброса воды.

На авиасалоне «Фарнборо-2012» ОАО «Рособоронэкспорт» и три компании, входящие в итальянский холдинг Finmeccanica – SELEX Galileo, SELEX Elsag и WASS, подписали несколько соглашений о совместной разработке и модернизации патрульного самолета для продажи в третьи страны. Базовой платформой этого авиапроекта, по некоторым сообщениям, может стать Бе-200. На российские модели будут устанавливаться итальянские системы связи, навигации и системы опознавания «свой-чужой». Кроме того, новые патрульные самолеты получат итальянские системы вооружения, включая легкие торпеды производства компании WASS.

Время проверки

Устройство ПВРД

Конструкция ПВРД, как было отмечено выше, отличается лаконичностью и минимальным количеством составляющих элементов. В упрощенном варианте он состоит из диффузора, камеры сгорания и сопла, а также вспомогательных систем подачи топлива и зажигания, которые в некоторых моделях могут и отсутствовать. На первый взгляд может показаться, что собрать такой двигатель можно и самостоятельно, ведь в нем нет ничего сложного, но на самом деле это не совсем так. Эффективность работы ПВРД зависит от множества мелких нюансов, в том числе и от формы, геометрии и размеров диффузора и сопла. Эти параметры определяют тип ПВРД, его мощность и сферу применения.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

К категории гиперзвуковых ПВРД относится ПВРД, который работает на скоростях более 5М. По состоянию на начало XXI века существование такого двигателя было только гипотетическим: не собрано ни единого образца, который бы прошел летные испытания и подтвердил целесообразность и актуальность его серийного выпуска.

На входе в устройство ГПВРД торможение воздуха выполняется только частично, и на протяжении остального такта перемещение рабочего тела является сверхзвуковым. Большая часть кинетической исходной энергии потока при этом сохраняется, после сжатия температура относительно низкая, что позволяет освободить рабочему телу значительное количество тепла. После входного устройства проточная часть двигателя по всей своей длине расширяется. За счет сгорания топлива в сверхзвуковом потоке происходит нагрев рабочего тела, оно расширяется и ускоряется.

Этот тип двигателя предназначен для проведения полетов в разреженной стратосфере. Теоретически такой двигатель можно использовать на многоразовых носителях космических аппаратов.

Одной из главных проблем конструирования ГПВРД является организация сгорания топлива в сверхзвуковом потоке.

В разных странах начаты несколько программ по созданию ГПВРД, все они находятся на стадии теоретических изысканий и предпроектных лабораторных исследований.

Где применяются ПВРД

ПВРД не работает при нулевой скорости и низких скоростях полета. Летательный аппарат с таким двигателем требует установки на нем вспомогательных приводов, в роли которых может выступать твердотопливный ракетный ускоритель или самолет-носитель, с которого производится запуск аппарата с ПВРД.

По причине неэффективности ПВРД на малых скоростях его практически неуместно использовать на пилотируемых самолетах. Такие двигатели предпочтительно использовать для беспилотных, крылатых, боевых ракет одноразового применения благодаря надежности, простоте и дешевизне. ПВРД также применяют в летающих мишенях. Конкуренцию по характеристикам ПВРД составляет только ракетный двигатель.

Принцип работы турбовентиляторного двигателя

Турбовентиляторный двигатель технологически очень сложное изделие, но работающее по довольно простому и понятному принципу. Расскажем, о его устройстве и какие процессы и как в нём протекают. Сначала разберёмся с терминами. Слово турбовентиляторный произошло от английского turbofan, причём англоязычный мир имеет под словом turbofan абсолютно любой двухконтурный турбореактивный двигатель.

При этом они разделяют их с низкой и высокой степенью двухконтурности соответственно, а степень двухконтурности – это параметр, который показывает отношение расхода массы воздуха через внешний контур к расходу во внутреннем. Итак, неотъемлемое свойство турбовентиляторного двигателя высокая степень двухконтурности – для современных изделий от 4 и выше.

Чтобы как можно больше воздуха расходовать через внешний контур используется вентилятор большого диаметра, энергия для его вращения появляется за счёт работы внутреннего контура и в этом заключается суть работы турбовентиляторного двигателя, где с помощью вентилятора создаётся около 80% всей тяги.

Рассмотрим типичное устройство и как это работает. Турбовентиляторный двигатель имеет внешний и внутренний контуры. На входе в двигатель имеется вентилятор большого диаметра, который подаёт воздух в оба контура, устройство внутреннего контура подобно обычному турбореактивному двигателю, который состоит из компрессора, турбины, камеры сгорания и реактивного сопла.

Сначала воздух, немного увеличив давление, после вентилятора попадает в компрессор низкого давления, затем он попадает в компрессор высокого давления, который вращается в несколько раз быстрее. После прохождения обоих компрессоров, воздух, сжатый более чем в 30 раз и сильно нагретый от высокого давления попадает в камеру сгорания. Здесь он смешивается с топливом, которое подаётся с помощью форсунок и поджигается. Далее раскалённый газ с температурой около 1600 градусов и выше начинает совершать полезную работу.

Сначала он попадает в турбину высокого давления, которая заставляет вращаться, находящийся с ней на одном валу компрессор высокого давления. Затем, потратив часть энергии и снизив свою температуру, раскаленный газ попадает в турбину низкого давления, которая находится на одном валу с компрессором и вентилятором. Потеряв большую часть энергии, раскалённый газ попадает в сопло и совершает последнее полезное действие – создаёт реактивную тягу. Таков принцип работы внутреннего контура, который создаёт лишь 20% всей тяги вентиляторного двигателя.

Принцип работы внешнего контура. Турбина низкого давления, находящаяся на одном валу с вентилятором, заставляет его вращаться, воздух, пройдя через лопатки вентилятора и немного увеличив своё давление, проходит через спрямляющий аппарат, его неподвижные лопатки поворачивают поток воздуха в осевом направлении, заодно повышая его давление. Затем воздушный поток попадает в сопло, где создаётся реактивная тяга.

Вот и весь принцип работы вентиляторного двигателя. Разумеется, каждый конкретный двигатель имеет свои особенности и различия, больше всего они касаются устройства внутреннего контура, но схема исполнения всегда остаётся плюс минус одинаковой. Обычно разница заключается в количестве ступеней компрессора и турбины, также помимо двухвальной схемы используется и трёхвальная, когда вентилятор и компрессор низкого давления больше не связаны, в таком случае используется промежуточная турбина, которая вращает только компрессор низкого давления на отдельном валу.

Ещё один способ увеличения эффективности конструкции – это установка редуктора на валу, который соединяет турбину низкого давления и вентилятор, такое решение позволяет им работать на оптимальных для себя режимах. Устройство внешнего контура также может иметь заметные отличия. При относительно небольшой степени двухконтурности в двигателе может использоваться смешение потоков, где газ из обоих контуров попадает в единую камеру сгорания и покидает через общее сопло.

Но, такая схема не подходит для более габаритных двигателей с высокой степенью двухконтурности, так как масса двигателя значительно вырастет, поэтому практически во всех вентиляторных двигателях потоки не смешиваются и длина внешнего контура всегда меньше внутреннего. Вот собственно и всё – таков принцип и способы повышения эффективности работы турбовентиляторного двигателя.

Источник

Тяга самолета. тяга двигателя самолета. тяга реактивного двигателя.

Тяга – сила, выработанная двигателем. Она толкает самолет через воздушный поток. Единственное, что противостоит тяге – лобовое сопротивление. В прямолинейном горизонтально установившемся полете они относительно равны. В случае если летчик увеличивает тягу методом добавления оборотов двигателя и сохраняет постоянную высоту, тяга начинает превосходить сопротивление воздуха. Летательный аппарат (ЛА) наряду с этим ускоряется. Весьма скоро сопротивление возрастает и опять уравнивает тягу.

ЛА стабилизируется на постоянной высокой скорости. Тяга – один из самых ответственных факторов для определения скороподъемности самолета, в частности как скоро ЛА может подняться на определенную высоту. Вертикальная скорость зависит не от подъемной силы, а от запаса тяги, которым владеет самолет.

Тяга реактивного двигателя самолета

Сила тяги двигателя, либо его движущая сила, равноценна всем силам давления воздуха на внутреннюю поверхность силовой установки. Тяга некоторых видов реактивных двигателей зависит от высоты и скорости полета. Для вычисления силы тяги реактивного двигателя довольно часто приходится определять тягу на конкретной высоте, у почвы, на взлете и на протяжении какой-либо скорости.

Для ЖРД сила тяги равноценна произведению массы исходящих газов на скорость, с которой они вылетают из сопла двигателя.

Для ВРД (воздушно-реактивный двигатель) сила тяги измеряется как следствие массы газов на разность скоростей, в частности скорости воздушной струи, выходящей из сопла двигателя, и скорости поступающего воздуха в двигатель. Несложнее говоря, эта скорость уравнивается к скорости полета самолета с реактивным двигателем. Тяга ВРД в большинстве случаев измеряется в тоннах либо килограммах. Серьёзным качественным показателем ВРД есть его удельная тяга.

Для турбореактивного двигателя – тяга, отнесенная к конкретной единице веса воздуха, что проходит через двигатель в секунду. Данный показатель разрешает осознать, как высока эффективность эксплуатации воздуха в двигателе для образования тяги. Удельная тяга измеряется в килограммах тяги на 1 кг воздуха, расходуемого за секунду.

В некоторых случаях используется второй показатель, что кроме этого именуется удельной тягой, показывающей отношение количества горючего, которое расходуется, к силе тяги за секунду. Конечно, что чем выше показатель удельной тяги ВРД, тем меньше размеры и поперечный вес самого двигателя.

Показатель полетной либо тяговой мощности – это сила, которая задействует реактивный двигатель при конкретной скорости полета. В большинстве случаев, измеряется в лошадиных силах. Величина лобовой тяги говорит о степени конструктивного оптимума реактивного двигателя.

Лобовая тяга – это отношение громаднейшего показателя площади поперечного сечения к тяге. Лобовая тяга равна тяге, в кг поделенной на площадь в метрах квадратных.

Во всемирной авиации самый ценится тот двигатель, что владеет высокой лобовой тягой.

Чем идеальнее ВРД в конструктивном отношении, тем меньший показатель его удельного веса, в частности неспециализированный вес двигателя вместе с обслуживающими агрегатами и приборами, поделенный на величину собственной тяги.

Реактивные двигатели, как и тепловые по большому счету, отличаются друг от друга не только по мощности, весу, другим показателям и тяге. При оценивании ВРД огромную роль играются параметры, каковые зависят от собственной экономичности, в частности от КПД (коэффициент нужного действия). Среди данных показателей главным считается удаленный расход горючего на конкретную единицу тяги.

Он выражается в килограммах горючего, которое расходуется за час на образование одного килограмма тяги.

Увлекательные записи:

Турбовинтовые двигатели употребляются в тех случаях, в то время, когда скорости полета самолета довольно малы. На громадном количестве современных…

Реактивный двигатель самолета — двигатель, создающий нужную для перемещения силу тяги при помощи преобразования внутренней энергии горючего в…

Реверс – механизм для направления части реактивной либо воздушной струи по направлению перемещения создания и воздушного судна обратной тяги. Кроме…

Известны следующие главные типы реактивных двигателей: ракетные, пороховой, жидкостной ракетный; воздушно-реактивные двигатели, прямоточный…

Реактивный двигатель – силовой агрегат, что формирует требуемое для полета самолета тяговое упрочнение посредством изменения внутренней энергии горючего…

Реактивный двигатель – устройство, создающее требуемую для перемещения силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию горючего в кинетическую энергию…

Источник

Явление отдачи

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Принцип работы реактивного двигателя

В реактивных двигателях струи воздушных потоков, которые попадают в двигатели, встречаются с обращающимися с колоссальной скоростью турбинами компрессоров, которые засасывают воздух из окружающей среды (при помощи встроенных вентиляторов). Следовательно, происходит решение двух задач:

• Первичное забирание воздуха;
• Охлаждение в целом всего двигателя.

Это могут быть, в частности, смеси воздуха и керосина, как в турбореактивных двигателях современных реактивных самолетах, либо смеси жидкого кислорода и спирта, такими обладают кое-какие жидкостные ракетные двигатели, либо еще какое-то твердое топливо в пороховых ракетах. Как только образовалась топливно-воздушная смесь, происходит ее воспламенение с выделением энергии в виде тепла. Таким образом, топливом в реактивных двигателях могут быть только такие вещества, которые в результате химических реакций в двигателях (при возгорании) выделяют тепло, при этом образуя множество газов.

При возгорании совершается существенное разогревание смеси и деталей вокруг с объемным расширением. Собственно говоря, реактивные двигатели пользуются для продвижения управляемыми взрывами. Камеры сгорания в реактивных двигателях — это одни из самых горячих элементов (температурный режим в них может достигать до 2700 °С), и они требуют постоянного интенсивного охлаждения.

Турбореактивные двигатели функционируют несколько иначе. Так, газы, после камер сгорания, вначале проходят турбинами, которым отдают свою тепловую энергию. Это делается для того, чтобы привести в движение компрессоры, которые послужат для сжатия воздуха перед камерой сгорания. В любом случае, сопла остаются последними частями двигателей, через которые протекут газы. Собственно они и формируют непосредственно реактивную струю.

В сопла направляют холодный воздух, который нагнетается при помощи компрессоров, чтобы охлаждать внутренние детали двигателей. Реактивные сопла могут обладать различными конфигурациями и конструкциями исходя из разновидностей двигателей. Так, когда скорость проистекания должна быть выше скорости звука, тогда соплам придаются формы расширяющихся труб или же вначале суживающиеся, а далее расширяющиеся (так называемые сопла Лаваля). Только с трубами такой конфигурации газы разгоняются до сверхзвуковых скоростей, при помощи чего реактивные самолеты перешагивают «звуковые барьеры».

Исходя из того, задействуется ли в процессе работы реактивных двигателей окружающая среда, они подразделяются на основные классы воздушно-реактивных двигателей (ВРД) и ракетных двигателей (РД). Все ВРД являются тепловыми двигателями, рабочие тела которых образуются тогда, когда происходит реакция окисления горючих веществ с кислородом воздушных масс. Поступающие из атмосферы воздушные потоки составляют основу рабочих тел ВРД. Таким образом, аппараты с ВРД несут на борту источники энергии (топливо), но большая часть рабочих тел черпается из окружающей среды.

К аппаратам ВРД относятся:

• Турбореактивные двигатели (ТРД);
• Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД);
• Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД);
• Гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД).

Стоимость грузовика КамАЗ-43253

Тяга двигателя

В ракетном двигателе струя истекающих газов формируется в сопловой, сначала сужающейся, а затем расширяющейся ча­сти камеры. Скорость текущих вдоль сопла газов постепенно на­растает, а давление соответственно падает. Возникает вопрос, где следует провести границу между отбрасываемыми газами и тем предметом, который мы будем называть ракетой.

Такое разделение можно произвести различными способами, но предпочтительным будет тот, который даст наибольшие удоб­ства для определения действующих сил.

Самое простое и очевидное — это отделить струю истекаю­щих газов по крайнему срезу сопла, а все то, что находится в пределах внешней поверхности корпуса и плоскости среза, и считать ракетой (рис. 1.3).

Отделяя мысленно, часть механической системы, мы, в со­ответствии с правилами механики, обязаны заменить действие отброшен­ной части на оставшуюся силами взаимодействия. По­скольку окружающая среда нами пока не рассматривается, мы заменяем ее действие на ракету невозмущенным атмосферным давлением р_h, распределенным по внешней поверхности. Отбра­сывая струю газов, мы также должны заменить ее действие на оставшуюся по другую сторону сечения массу давлением, которое возникает в струе на срезе сопла. Это давление принято обозначать через р_а(рис. 1.3). Оно не обязательно равно атмосферному и может быть как больше, так и меньше его.

Теперьостается условиться о том, что же следует понимать под тягой двигателя. Для ракеты это та движущая сила, перво­причину возникновения которой мы усматриваем в работе двигателя. Она обладает тем удобным свойством, что может быть непосредственно замерена на стенде (рис. 1.4).

Рис. 1.3. К выводу формулы тяги.

Для закре­пленной ракеты сила тяги уравновешивается реакцией связи R, равной тяге Р . Поэтому ускорение равно нулю, и уравнение движения для точки переменной массы (1.4) примет вид

где S_a — площадь выходного сечения сопла, а W_а— скорость истечения по­тока в этом сечении.

Рис. 1.4. Силы, действующие на закрепленную ракету.

Так как R = P, то тяга

Следует особо подчеркнуть, что под давлением р понимается исключительно барометрическое давление окружающей среды, но не истинное давление на поверхности ракеты, значение и закон распределения которого зависят от условий обтекания. Все добавочные силы, связанные со скоростью полета в атмосфере, относятся к категории аэродинамических и в выражение тяги не включаются.

Выражение для тяги на высоте h получим в окон­чательном виде:

Для стартующей с поверхности Земли ракеты тяга непрерывно возрастает от своего начального значения

(где р_о— давление у поверхности Земли) до наибольшего зна­чения, называемого пустотной тягой —

Отличие стартовой тяги от пустотной определяется площадью выходного сечения сопла и для реальных двигателей лежит в пределах 10 — 15%.

После того как введено понятие тяги, мы получаем возмож­ность написать уравнение для поступательного движения ра­кеты в обычной форме закона Ньютона (1.1):

Здесь М — текущее значение массы ракеты, а под знак суммы вынесены составляющие не рассмотренных нами пока сил, та­ких как аэродинамическое сопротивление и вес ракеты.

Итак, истекающую струю газов мы отделили от ракеты пло­скостью, проходящей через выходное сечение сопла. Но как было сказано ранее, это не единственное решение. В частности, раз­деление можно произвести по внутренней поверхности камеры, заменив действие отброшенных газов на стенки камеры некото­рым изменяющимся вдоль оси давлением р_г, приводящим к воз­никновению результирующей силы Р_г (рис. 1.5). Нетрудно дога­даться, что результирующая Р_г как раз и представляет собой пустотную тягу Р_п, из которой для определения тяги на высоте h следует вычесть произведение S_ap_h,т. е.

Таким образом, пустотная тяга представляет собой резуль­тирующую сил давления, распределенных по внутренней поверх­ности камеры. В дальнейшем мы увидим, что это давление не зависит ниот скорости полета, ни от условий окружающей среды, и поэтому пустотная тяга представляет собой одну из основных характеристик собственно самого двигателя, а не условий полета.

Часто выражение тяги в пустоте записывают в форме реактивной силы

где W_е — так называемая эффективная скорость истечения.

Рис.1.5. Распределение сил давления по поверхности ракеты и по внутренней поверхности камеры.

Из сопоставления выражений (1.6) и (1.8) следует, что эф­фективная скорость истечения

Основной особенностью эффективной скорости истечения яв­ляется то, что она не зависит от секундного расхода

р_аW_a

В заключение можно отметить, что при выводе выражения тяги нами были сделаны некоторые замаскированные упроще­ния. Ускорение

р_гМ,

Источник

Галерея

Основные характеристики ракетных двигателей

Разработка проекта действующей модели ракеты тесно связана с вопросом о двигателе. Какой двигатель лучше поставить на модель? Какие из его характеристик являются главными? В чем их сущность? Разбираться в этих вопросах моделисту необходимо.

В этой главе по возможности элементарно рассказывается о характеристиках двигателя, т. е. тех факторах, которые определяют его особенности. Ясное представление о значении тяги двигателя, времени его работы, суммарном и удельном импульсе и их влиянии на качество полета модели ракеты поможет модели-сту-конструктору правильно выбрать двигатель для модели ракеты, а значит, обеспечит успех в соревнованиях.

Основными характеристиками ракетного двигателя являются:

• 1. Тяга двигателя Р (кг)
• 2. Время работы t (сек)
• 3. Удельная тяга Р_уд (кг·сек/кг)
• 4. Суммарный (общий) импульс J_∑ (10 н·сек ≈ 1 кг·сек)
• 5. Вес топлива G_T (кг)
• 6. Секундный расход топлива ω (кг)
• 7. Скорость истечения газов W (м/сек)
• 8. Вес двигателя G_дв (кг)
• 9. Размеры двигателя l, d (мм)

Отличие крутящего момента и лошадиных сил

Мощность двигателя в лошадиных силах, так или иначе, связана с максимальной скоростью автомобиля. Чем она выше, тем выше максималка у конкретного авто. При этом часто нам не требуется бить рекорды скорости, да и подобное скоростное передвижение по магистралям попросту опасно и запрещено правилами дорожного движения. Куда более важны характеристики интенсивности разгона до определенной скорости.

Именно от показателя крутящего момента напрямую будет зависеть время, за которое автомобиль может ускориться в определенном диапазоне скоростей. Использование слабого и медленного автомобиля в городском потоке транспорта или на скоростной трассе может быть не слишком удобным, а зачастую попросту небезопасным.

Показатель крутящего момента зависит в первую очередь от длины шатунов поршней и характеристик сжатия топливной смеси в камере сгорания. Из-за особенностей дизельных силовых агрегатов именно они имеют максимально возможный крутящий момент, который достигается уже на низких оборотах. Тогда как у классических бензиновых моторов максимум крутящего момента достигается у красной зоны тахометра.

Формулы для определения силы тяги

Согласно второму закону Ньютона, сумма сил, воздействующих на движущееся тело, равна массе \(m\) , умноженной на ускорение \(a\) . Универсальной формулы, подходящей для любого сочетания сил, не существует. Чаще всего силу тяги находят с помощью общей формулы \( F_т-\;F_=m\;\times\;a\) , где \(F_т\) — сила тяги, \(F_\) — силы сопротивления. При решении конкретной задачи силы, воздействующие на тело, схематически изображают в виде векторов. На схеме:

• сила тяжести mg;
• сила реакции опоры \(N\) ;
• сила трения \( F_\) ;
• сила тяги \(F\) .

При нахождении тела на горизонтальной поверхности сила тяжести и сила реакции опоры уравновесят друг друга. Но если транспортное средство движется в гору или под гору, придется учесть влияние уклона. Тогда формула может выглядеть так: \(F_т-\;F_с-\;mg\;\times\;\sin\alpha=m\;\times\;a.\)

Работа A, которую должна совершить сила тяги, сдвигая тело, связана с ней соотношением \(A\;=\;F\;\times\;s\) . \(s\) здесь — расстояние, на которое тело переместилось.

Формула через мощность

Полезную механическую мощность \(N\) можно вычислить по формуле \(N=F_т\;\times\;v\) , где \(v\) — скорость. Для определения силы тяги нужно разделить мощность на скорость: \(F_т\;=\;\frac N v.\)

Удельная тяга и удельный импульс

Совершенство двигателя и эффективность его работы характеризуются удельной тягой. Удельной тягой называют отношение силы тяги к секундно-весовому расходу топлива.

Размерность удельной тяги будет (кг силы·сек/кг расхода) или кг·сек/кг. В зарубежной печати размерность Руд часто записывают в виде (сек). Но физический смысл значения при такой размерности теряется.

Современные модельные РДТТ имеют низкие значения удельной тяги: от 28 до 50 кг·сек/кг. Имеются и новые двигатели с удельной тягой 160 кг·сек/кг и выше, с нижним пределом давления не выше 3 кг/см 2 и сравнительно высоким удельным весом топлива — более 2 г/см 3 .

Удельная тяга показывает эффективность использования одного килограмма топлива в данном двигателе. Чем выше удельная тяга двигателя, тем меньше топлива затрачивается для получения одного и того же суммарного импульса двигателя. Значит, при одинаковом весе топлива и размерах двигателей предпочтительнее будет тот, у которого удельная тяга выше.

Задача 3. Определить вес топлива в каждом из четырех двигателей с суммарным импульсом 1 кг·сек, но с разными удельными тягами: а) Р_уд=28 кг-сек/кг; б) Р_уд=45,5 кг·сек/кг; в) Р_уд=70 кг·сек/кг; г) Р_уд=160 кг·сек/кг.

Решение. Вес топлива определим из формулы:

Полученные результаты наглядно показывают, что для моделей ракет выгоднее применять двигатели с более высокой удельной тягой (с целью уменьшения стартового веса модели).

Под удельным импульсом J_уд понимают отношение полного импульса тяги за время t работы двигателя к весу израсходованного за это время топлива G_T.

При постоянной тяге, т. е. при постоянном давлении в камере сгорания и работе двигателя на земле, J_уд=Р_уд.

Сила тяги реактивного (ракетного) двигателя

Бабочка из семейства павлиноглазок (Attacus Atlas)

Гусеница до превращения в бабочку.

Роскошная ночная бабочка семейства павлиноглазок.