Что такое сила тяги двигателя ракеты

Что такое сила тяги двигателя ракеты

Одно из важнейших практических применений закон сохранения количества движения нашел при решении задачи о движении тел переменной массы. Это решение становится особенно простым в том случае, когда присоединение (или отделение) частиц к движущемуся телу происходит так же, как при неупругом ударе,— силы

Рис. 4.22 (см. скан)

действуют только во время контакта между частицами или телами. Именно так взаимодействуют продукты сгорания топлива с ракетой. Решим задачу для Ллучая движения ракеты.

Сначала обратим внимание на некоторые особенности выброса продуктов сгорания из двигателя ракеты.

Если в некоторый момент времени ракета движется со скоростью относительно Земли (рис. 4.22, а), то вместе с ней с такой же скоростью движется и та часть топлива, которая должна будет сгореть в ближайшую секунду. Во время горения продукты сгорания этой части топлива получают дополнительную скорость и относительно самой ракеты (рис. 4.22, б). Относительно Земли они имеют скорость Сама ракета при этом получает тоже некоторое приращение скорости. После выброса продукты сгорания перестают взаимодействовать с ракетой. Это дает право рассматривать выброшенные продукты сгорания и ракету как систему из двух тел, взаимодействующих между собой вовремя горения так же, как при неупругом ударе.

Применим к расчету движения этой системы закон сохранения количества движения.

Допустим, что реактивный двигатель ракеты каждую секунду выбрасывает массу продуктов сгораниятоплива. Продукты сгорания во время выброса получают дополнительную скорость и относительно ракеты. Скорость ракеты до сгорания очередной порции топлива Масса ракеты после сгорания этой порции Определим скорость ракеты после сгорания этой порции топлива и рассчитаем силу тяги двигателя ракеты. При этом будем считать, что сопротивление воздуха и сила тяжести отсутствуют, т. е. наша система тел изолирована.

Для составления уравнения закона сохранения количества движения в качестве первого выберем момент времени до выбрасывания очередной порции газа. В качестве второго — момент времени после выбрасывания этой порции. За положительное направление векторов выберем направление движения ракеты. Так как направления скоростей известны, то в алгебраических уравнениях их знаки запишем открыто, т. е. будем понимать под обозначениями только их модули.

До выброса газов ракета и топливо по условию имеют одинаковую скорость Количество движения ракеты в этот момент будет Количество движения топлива, которое должно сгореть в ближайшую секунду, будет Полное количество движения системы для этого момента времени равно

После сгорания очередной порции топлива ракета будет иметь какую-то неизвестную пока скорость относительно Земли. Количество движения ракеты станет равным Выброшенные газы, получившие скорость и относительно ракеты, будут иметь относительно Земли скорость Количество движения этих газов станет равным Полное количество движения системы для этого момента времени равно

Можно написать уравнение закона сохранения количества движения, так как по условию наша система изолирована:

Раскроем скобки и приведем подобные члены:

Отсюда для скорости ракеты после сгорания очередной порции топлива получаем выражение:

Для расчета силы тяги двигателя перепишем второе уравнение в следующем виде:

В правой части этого уравнения стоит изменение количества движения ракеты за одну секунду. Но по второму закону Ньютона изменение количества движения тела возникает только в результате действия импульсов каких-то сил. Следовательно, уравнение говорит о том, что выбрасывание газов из двигателя сопровождается появлением некоторых сил, действующих на ракету. Эти силы возникают при изменении массы движущегося тела и получили название реактивных сил.

Для определения реактивных сил, действующих на ракету, сопоставим последнее выражение с уравнением второго закона Ньютона, записанным для массы ракеты Обозначим реактивную силу тяги буквой и положим время Из сопоставления формул видно, что правые части сравниваемых уравнений одинаковы. Следовательно, и левые части этих уравнений должны быть равны, т. е.

Это значит, что модуль реактивной силы тяги двигателя будет равен

Другими словами, реактивная сила, действующая на тело переменной массы, всегда пропорциональна массе ежесекундно отделяющихся частиц и их скорости относительно тела.

Уравнения движения тел переменной массы и выражение для реактивной силы были впервые найдены петербургским профессором И. В. Мещерским в 1897 г. Уравнения Мещерского принадлежат к числу важнейших открытий в механике, сделанных на рубеже XIX и XX вв. С особой силой значение этих открытий выявилось в наши дни, когда уравнения Мещерского стали широко использоваться в ракетной технике. Формула для реактивной силы, с которой мы познакомились, сейчас является основной для расчета силы тяги ракетных и турбореактивных двигателей всех систем.

Сила тяги реактивного (ракетного) двигателя

Тяга – равнодействующая всех реактивных сил, создаваемых агрегатами двигателя, определяется по формуле:

где – массовый секундный расход топлива реактивного двигателя;W_a – скорость газовой струи на срезе сопла; F_a – площадь среза сопла; р_а – давление на срезе сопла; р_{h –} давление окружающей среды.

Первый член данного уравнения характеризует тягу, создаваемую за счет отбрасывания от сопла газов и эта часть – реактивная сила (статическая составляющая).

Второй член характеризует тягу, которая определяется разностью давлений на срезе сопла и давления окружающей среды и эта часть – переменная составляющая реактивной тяги (зависит от высоты полета).

Реактивный момент

Пусть есть ракета с однокамерной двигательной установкой (ДУ) рис.29:

а) Если вектор тяги двигателя Р направлена вдоль оси, то реактивный момент отсутствует (рис. 29,а).

б) Если вектор тяги (и результирующий вектор тяги для многокамерной ДУ) действует с некоторым эксцентриситетом относительно центра тяжести (рис. 29,б), то в этом случае действует реактивный момент .

Аэродинамические схемы ла

Планером называется конструкция, объединяющая корпус, крылья, органы управления и стабилизации в единую аэродинамическую схему. Он предназначен для создания управляющих сил и размещения всей аппаратуры ракеты. Корпус планера обычно цилиндрической формы, за исключением ракеты типа «несущий конус», с конической (сферической) головной частью. Форма корпуса и головной части выбирается в целях получения наименьшей силы лобового сопротивления ракеты при полете. Материалом для корпуса служат легкие прочные металлы и сплавы

Аэродинамические поверхности планера служат для создания подъемной и управляющих сил. Подъемная сила, которая возникает при взаимодействии ракеты с воздухом во время ее полета, обеспечивает удержание ЛА в воздухе. Управляющие силы необходимы для изменения направления полета ракеты.

Различают подвижные и неподвижные аэродинамические поверхности (АП). Подвижные АП, предназначенные для управления полетом и стабилизацией ЛА, называются рулями, поворотными крыльями. Свои функции они выполняют путем поворота вокруг осей, перпендикулярных продольной оси корпуса ракеты, либо при выдвижении из корпуса на определенное время и в определенной последовательности.

Неподвижные АП служат для стабилизации полета ЛА (стабилизаторы) и для создания подъемной силы (несущие крылья, поверхности). По взаимному расположению рулей и неподвижных аэродинамических поверхностей можно выделить следующие аэродинамические схемы ракет (рис.30):

— нормальная или обычная;

В нормальной схеме рули и стабилизатор располагаются позади крыльев в хвостовой части ракеты.

Схема «бесхвостка». Данная схема является разновидностью нормальной схемы. Здесь крылья выполняют одновременно функции крыльев и стабилизаторов и отличаются большей стреловидностью и малым размахом. С целью увеличения подъемной силы в этой схеме увеличена площадь крыльев. При этом рули оказываются расположенными непосредственно за крыльями и связываются с ними конструктивно.

В аэродинамической схеме «утка» рули находятся в головной части ракеты (впереди центра масс), а крылья, выполняющие и функцию стабилизатора, расположены в хвостовой части корпуса ракеты. Эта схема удобна с точки зре­ния компоновки ракеты, так как рулевые машинки могут быть расположены близко к рулям. При такой компоновке ракеты подъемная сила рулей совпадает по направлению с подъемной силой крыльев и корпуса. Однако расположение рулей в носовой части ракеты и возникновение скоса воздушного потока при отклонении рулей приводит к потере подъемной силы на крыльях и возникновению значительных моментов крена. Чтобы избежать «момента косой обдувки» крыльевой блок делается вращающимся вокруг оси ракеты, что позволяет избежать воздействия скоса воздушного потока на них.

В схеме «поворотное крыло» подвижные поверхности (поворотные крылья) располагаются в районе центра тяжести и наряду с функцией крыла выполняют функцию рулей, а неподвижные стабилизаторы расположены в хвостовой части корпуса.

Рис. 30 Аэродинамические схемы: а)Нормальная; б)»Бесхвостка»; в)»Утка»; г)»Поворотное крыло».

Принципиально не существует наилучшей аэродинамической схемы. Выбор схемы аэродинамической компоновки определяется требуемыми высотами и дальностями полета ракеты, маневренностью и составом бортовой аппаратуры.

Сила тяги

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.

Реактивная сила тяги

Уравнения движения тел переменной массы и формулу для вычисления реактивной силы получил первым И.В. Мещерский в 1897 г. Формула реактивной силы является основой для расчета силы тяги ракетных и турборакетных двигателей всех систем.

Пусть ракета перемещается со скоростью $overline$ относительно Земли. Вместе с ней с такой же скоростью движется часть топлива, которая сгорает в ближайшую секунду. При сгорании продукты горения этой части топлива получают дополнительную скорость $overline$ относительно ракеты. Относительно Земли они имеют скорость $overline-overline$. При этом сама ракета увеличивает скорость. После выброса продукты горения не взаимодействуют с ракетой. Поэтому систему ракета плюс продукты горения топлива рассматривают как систему из двух тел, которые взаимодействуют при горении по законам неупругого удара. Пусть реактивный двигатель ракеты каждую секунду выбрасывает массу $mu $ продуктов горения топлива. Используя закон сохранения импульса и второй закон Ньютона получают, что модуль реактивной силы тяги двигателя ($R$) ракеты равен:

Формула (2) показывает, что реактивная сила, которая действует на тело переменной массы, пропорциональна массе отделяющихся частиц за единицу времени и скорости движения этих частиц относительно тела.

Примеры задач с решением

Задание. Сила тяги, действующая на тело, находящееся на наклонной плоскости (рис.2) направлена вдоль этой плоскости вверх (рис.2). Какова ее величина, если масса тела равна $m$, угол наклона плоскости $alpha , $ускорение движения тела $a$? Коэффициент трения тела о плоскость равен $mu $. Тело движется с постоянной скоростью в гору.

Решение. Запишем второй закон Ньютона для сил, действующих на тело, учтем, что тело движется равномерно:

Запишем проекции уравнения (1.1) на оси X и Y:

Сила трения связана с силой нормального давления как:

Выразим из (1.3) $N$, используем выражение (1.4), получим из (1.2) силу тяги:

Задание. Ракету, массой (в начальный момент времени) равной $M,$ запустили вертикально вверх. Относительная скорость выброса продуктов горения равна $u$, расход горючего составляет $mu $. Каким будет ускорение ракеты через время $t$ после старта, если сопротивление воздуха не учитывать, поле силы тяжести считать однородным.

Решение. Сделаем рисунок.

На ракету (из условий задачи) будут действовать две силы: сила тяжести и реактивная сила тяги. Запишем уравнение движения ракеты:

В проекции на ось Y уравнение (2.1) запишем как:

Реактивная сила тяги может быть найдена как:

Учитывая равенство (2.3) уравнение преобразуем к виду:

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Сила — тяга — двигатель

Сила тяги двигателя на ободе колеса иногда выражается в несколько другом виде. [2]

Найти силу тяги двигателей , если их мощность равна 2000кВт и КПД двигателей 80 % ( отв. [3]

Итак, сила тяги двигателя ракеты пропорциональна массе топлива, сгорающего за единицу времени, и скорости его истечения; направлена она, как мы учли при выводе, противоположно скорости истечения газов. [4]

Как изменяются ток и сила тяги двигателя при изменении скорости, если напряжение на его зажимах постоянно. [6]

Как изменяются, ток, сила тяги двигателя и скорость движения при включении; ослабления поля. [7]

Тяговые характеристики представляют собой зависимости силы тяги двигателя от скорости движения локомотива. [8]

Во сколько раз нужно увеличить силу тяги двигателей самолета для увеличения скорости его движения в два раза, если сила сопротивления при движении в воздухе возрастает пропорционально квадрату скорости. [9]

Горизонтальная составляющая этой силы уравновешивается силой тяги двигателя . Благодаря силам трения оба вихря должны были бы исчезнуть. Но на месте вихря, образовавшегося за крылом и унесенного воздушным потоком, возникает новый вихрь, вызывающий усиление циркуляции вокруг крыла. [10]

Рассмотрим прямолинейное движение ракеты под действием силы тяги двигателей . [11]

Формула N-Fv указывает на возможность преобразования силы тяги двигателя с помощью передаточных механизмов. Примером такого механизма, изменяющего силу тяги, является коробка скоростей автомобиля. Мощный современный быстроходный мотор создает на валу не слишком большие усилия, вращая вал с большой скоростью. Коробка скоростей уменьшает эти скорости и передает на колеса машины большие силы. [12]

Динамометры общего назначения применяются для измерения силы тяги двигателей паровозов , тракторов, буксирных судов, самолетов, а также для определения растягивающих усилий, возникающих в конструкциях и отдельных узлах и деталях при приложении к ним внешних статических сил. [13]

Если мотоциклист движется с постоянной скоростью, то сила тяги двигателя и сила трения, направленные по касательной к траектории, взаимно компенсируют друг друга. Сила тяжести приложена к центру масс, сила нормальной реакции и радиальная сила трения покоя fTp приложены к нижней точке каждого из колес и создают вращающий момент относительно воображаемой горизонтальной оси, проходящей через центр масс мотоциклиста. Ось эта вместе с центром масс движется относительно Земли по криволинейной траектории ( окружности) и обладает нормальным ускорением. [14]

Когда автомобиль движется с постоянной скоростью и, сила тяги двигателя становится равной силе трения. Вся работа силы тяги в это время расходуется против силы трения и зависит от скорости движения автомобиля. Действительно, при скорости v автомобиль проходит в единицу времени расстояние, численно равное этой скорости. Поэтому сила тяги двигателя F на этом пути за единицу времени совершает работу Fv. Если скорость v увеличить, то двигатель также должен увеличить ежесекундно совершаемую работу. [15]