Физические принципы работы ракетных двигателей

Содержание:

Ракета в простейшем виде представляет собой камеру, в которой находится газ под давлением. Небольшое отверстие на одном конце камеры позволяет газу выходить, и при этом создается тяга, которая продвигает ракету в противоположном направлении. Хорошим примером этого является воздушный шар. Воздух внутри воздушного шара сжимается резиновыми стенками воздушного шара. Когда сопло открыто, через него выходит воздух, и баллон движется в противоположном направлении.

Когда мы думаем о ракетах, мы редко думаем о воздушных шарах. Вместо этого наше внимание обращается на гигантские транспортные средства, которые выводят спутники на орбиту, а космические корабли на Луну и планеты. Тем не менее, между ними существует сильное сходство. Единственное существенное отличие заключается в способе получения сжатого газа. В космических ракетах газ производится путем сжигания ракетного топлива, которое может быть твердым или жидким по форме или их комбинации.

Одним из интересных фактов исторического развития ракет является то, что хотя ракеты и ракетные устройства использовались более двух тысяч лет, только в последние триста лет экспериментаторы имели научную основу для понимание того, как они работают.

Наука ракетостроения началась с публикации книги в 1687 году великого английского ученого сэра Исаака Ньютона. Его книга под названием Philosophiae Naturalis Principia Mathematica описывает физические принципы в природе. Сегодня работу Ньютона обычно называют Принципами. В «Принципах» Ньютон сформулировал три важных научных принципа, которые регулируют движение всех объектов, будь то на Земле или в космосе. Зная эти принципы, которые теперь называются законами движения Ньютона, мы смогли построить современные гигантские ракеты, такие как Сатурн V и космический челнок. Здесь и сейчас в простой форме представлены законы движения Ньютона.

1. Объекты в состоянии покоя будут оставаться в состоянии покоя, а объекты в движении будут оставаться в движении по прямой линии, если на них не действует несбалансированная сила.

2. Сила равна массе, умноженной на ускорение.

3. На каждое действие всегда есть противодействие.

Как будет объяснено ниже, все три закона - это действительно простые заявления о том, как все движется. Но с их помощью можно сделать точные определения характеристик ракеты.

Первый закон Ньютона

Этот закон движения является просто очевидным констатацией факта, но чтобы знать, что он означает, необходимо понимать термины покой, движение и неуравновешенная сила.

Покой и движение можно рассматривать как противоположность друг другу. Покой - это состояние объекта, когда он не меняет своего положения относительно своего окружения. Если вы сидите в кресле, вы можете сказать, что вы отдыхаете. Этот термин, однако, является относительным. Ваше кресло на самом деле может быть одним из многих мест в ускоряющемся самолете. Здесь важно помнить, что вы не двигаетесь относительно своего непосредственного окружения. Если бы покой определяли как полное отсутствие движения, его бы не было в природе. Даже если бы вы сидели дома на своем стуле, вы все равно бы двигались, потому что ваш стул на самом деле сидит на поверхности вращающейся планеты, которая вращается вокруг звезды. Звезда движется сквозь вращающуюся галактику, которая сама движется по вселенной. Сидя «неподвижно», вы на самом деле путешествуете со скоростью сотен километров в секунду.

Движение также является относительным термином. Вся материя во вселенной все время движется, но по первому закону движение здесь означает изменение положения по отношению к окружающей среде. Мяч находится в состоянии покоя, если он лежит на земле. Мяч находится в движении, если он катится. Катящийся шар меняет свое положение по отношению к окружающей среде. Когда вы сидите на стуле в самолете, вы находитесь в состоянии покоя, но если вы встаете и идете по проходу, вы находитесь в движении. Ракета, стартующая со стартовой площадки, переходит из состояния покоя в состояние движения.

Третий термин, важный для понимания этого закона - это несбалансированная сила. Если вы держите мяч в руке и держите его неподвижно, мяч находится в покое. Хотя мяч все время там удерживается, на него действуют силы. Сила гравитации пытается вытянуть шар вниз, в то же время ваша рука толкает мяч, чтобы удержать его. Силы, действующие на мяч, сбалансированы. Отпустите мяч или поднимите руку вверх, и силы станут неуравновешенными. Затем мяч переходит из состояния покоя в состояние движения.

В полете ракеты силы становятся все время сбалансированными и неуравновешенными. Ракета на стартовой площадке сбалансирована. Поверхность колодки толкает ракету вверх, а гравитация пытается ее опустить. Когда двигатели запускаются, тяга ракеты уравновешивает силы, и ракета движется вверх. Позже, когда у ракеты заканчивается топливо, она замедляется, останавливается в самой высокой точке своего полета, а затем падает на Землю.

Объекты в космосе также реагируют на силы. Космический корабль, движущийся через солнечную систему, находится в постоянном движении. Космический корабль будет путешествовать по прямой линии, если силы на нем находятся в равновесии. Это происходит только тогда, когда космический корабль находится очень далеко от любого большого источника гравитации, такого как Земля или другие планеты и их спутники. Если космический корабль приближается к массивному телу в космосе, гравитация этого тела выведет из равновесия силы и изогнет путь космического корабля. Это происходит, в частности, когда спутник посылается ракетой по траектории, параллельной поверхности Земли.

Теперь, когда три основных условия этого первого закона были объяснены, можно переформулировать этот закон. Если объект, такой как ракета, находится в состоянии покоя, требуется неуравновешенная сила, чтобы заставить его двигаться. Если объект уже движется, ему требуется неуравновешенная сила, чтобы остановить его, изменить его направление с прямой линии или изменить его скорость.

Третий закон Ньютона

В настоящее время мы пропустим второй закон и перейдем непосредственно к третьему. Этот закон гласит, что каждое действие имеет равную и противоположную реакцию. Если вы когда-либо сходили с маленькой лодки, которая не была должным образом привязана к пирсу, вы будете точно знать, что означает этот закон.

Ракета может стартовать со стартовой площадки только тогда, когда она выпускает газ из своего двигателя. Ракета давит на газ, а газ в свою очередь давит на ракету. Весь процесс очень похож на катание на скейтборде. Представьте, что скейтборд и гонщик находятся в состоянии покоя (не двигаются). Райдер спрыгивает с скейтборда. В третьем законе прыжок называется действием. Скейтборд реагирует на это действие, преодолевая некоторое расстояние в противоположном направлении. Противоположное движение скейтборда называется реакцией. Если сравнить расстояние, пройденное гонщиком и скейтбордом, может показаться, что у скейтборда была гораздо более сильная реакция, чем у гонщика. Это не вариант. Причина, по которой скейтборд прошел дальше, состоит в том, что он имеет меньшую массу, чем наездник. Эта концепция будет лучше объяснена при обсуждении второго закона.

В случае с ракетами действие заключается в вытеснении газа из двигателя. Реакция - движение ракеты в обратном направлении. Чтобы ракета взлетела со стартовой площадки, действие или тяга двигателя должны быть больше, чем масса ракеты. Однако в космосе даже крошечные толчки заставят ракету изменить направление.

Один из наиболее часто задаваемых вопросов о ракетах - как они могут работать в космосе, где нет воздуха, на который они могут давить. Ответ на этот вопрос приходит из третьего закона. Представьте себе скейтборд снова. На земле единственная роль, которую играет воздух в движениях - это замедлять их. Движение по воздуху вызывает трение, или, как его называют ученые, сопротивление. Окружающий воздух препятствует действию-реакции.

В результате ракеты действительно работают лучше в космосе, чем в воздухе. Когда отработавший газ покидает ракетный двигатель, он должен отталкивать окружающий воздух; это расходует часть энергии ракеты. В космосе выхлопные газы могут свободно выходить.

Второй закон Ньютона

Этот закон движения по сути является утверждением математического уравнения. Три части уравнения: масса (м), ускорение (а) и сила (f). Используя буквы для обозначения каждой части, уравнение можно записать следующим образом:

F = ma

Используя простую алгебру, мы также можем написать уравнение двумя другими способами:

a = f / m
m = f / a

Первая версия уравнения является наиболее часто упоминаемой, когда речь идет о втором законе Ньютона. Он гласит: сила равна ускорению массы. Чтобы объяснить этот закон, мы будем использовать пушку старого стиля в качестве примера.

Когда пушка выстреливает, взрыв выбрасывает пушечное ядро ??из открытого конца ствола. Он летит километр или два к своей цели. В то же время сама пушка отталкивается на метр или два назад. Это действие и реакция на действие (третий закон). Сила, действующая на пушку и мяч, одинакова. Что происходит с пушкой и мячом, определяется по второму закону. Посмотрите на два уравнения ниже.

f = m (пушка) * a (пушка)
f = m (шар) * a (шар)

Первое уравнение относится к пушке, а второе к пушечному ядру. В первом уравнении масса - это сама пушка, а ускорение - это движение пушки. Во втором уравнении масса - это пушечное ядро, а ускорение - это его движение. Поскольку сила (взрывающаяся пороховая пушка) одинакова для двух уравнений, уравнения можно объединить и переписать ниже.

м (пушка) * а (пушка) = м (шар) * а (шар)

Чтобы обе стороны уравнений были равны, ускорения меняются в зависимости от массы. Другими словами, пушка имеет большую массу и небольшое ускорение. Пушечное ядро имеет небольшую массу и большое ускорение.

Давайте применим этот принцип к ракете. Замените массу пушечного ядра на массу газов, выбрасываемых из ракетного двигателя. Замените массу пушки массой ракеты, движущейся в другом направлении. Сила - это давление, создаваемое контролируемым взрывом внутри двигателей ракеты. Это давление ускоряет газ в одну сторону, а ракета - в другую.

Некоторые интересные вещи случаются с ракетами, которые не случаются с пушкой и мячом в этом примере. С пушкой и пушечным ядром тяга длится всего мгновение. Тяга для ракеты продолжается до тех пор, пока ее двигатели работают. Кроме того, масса ракеты изменяется во время полета. Его масса является суммой всех его частей. Части ракеты включают двигатели, топливные баки, полезную нагрузку, систему управления и ракетные топлива. Безусловно, самая большая часть массы ракеты - это топливо. Но эта сумма постоянно меняется по мере запуска двигателей. Это означает, что масса ракеты уменьшается во время полета. Чтобы левая часть нашего уравнения оставалась в равновесии с правой стороной, ускорение ракеты должно увеличиваться с уменьшением ее массы. Вот почему ракета начинает медленно двигаться и идет быстрее и быстрее, когда она поднимается в космос.

Второй закон движения Ньютона особенно полезен при разработке эффективных ракет. Чтобы ракета могла подняться на низкую околоземную орбиту, необходимо достичь скорости, превышающей 28 000 км в час. Скорость свыше 40 250 км в час, называемая второй космической, позволяет ракете покинуть Землю и улететь в глубокий космос. Достижение скоростей космического полета требует от ракетного двигателя максимально возможной силы действия в кратчайшие сроки. Другими словами, двигатель должен сжигать большую массу топлива и выталкивать полученный газ из двигателя как можно быстрее.

Второй закон движения Ньютона можно переформулировать следующим образом: чем больше масса сгоревшего ракетного топлива, и чем быстрее произведенный газ может покинуть двигатель, тем больше тяга ракеты.

Объединяя законы движения Ньютона

Неуравновешенная сила должна быть приложена для того, чтобы ракета взлетела со стартовой площадки или для космического корабля, чтобы изменить скорость или направление (первый закон). Величина тяги (силы), создаваемой ракетным двигателем, будет определяться массой сжигаемого ракетного топлива и скоростью, с которой газ выходит из ракеты (второй закон). Реакция или движение ракеты равно и противоположно направлению действия или тяги двигателя (третий закон).

Всё о Ракетных двигателях. Часть 1 - видео

ВСЁ о ракетных двигателях. ЧАСТЬ 2 - видео

Прямоточный твердотопливный реактивный двигатель - видео