Физика схемы реактивного двигателя

Реактивный двигатель

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (т. н. тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (см. ионный двигатель).

Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Содержание

Существует два основных класса реактивных двигателей:

• Воздушно-реактивные двигатели — тепловые двигатели, которые используют энергию окисления горючегокислородомвоздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха.
• Ракетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

Открытие

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Как работает реактивный двигатель

Рабочим телом двигателя является реактивная струя. Она с очень большой скоростью истекает из сопла. При этом образуется реактивная сила, которая толкает все устройство в противоположном направлении. Тяговое усилие создается исключительно за счет действия струи, без какой-либо опоры на другие тела. Эта особенность работы реактивного двигателя позволяет использовать его в качестве силовой установки для ракет, самолетов и космических аппаратов.

Отчасти работа реактивного двигателя сравнима с действием струи воды, вытекающей из пожарного шланга. Под огромным давлением жидкость подается по рукаву к зауженному концу шланга. Скорость воды при выходе из брандспойта выше, чем внутри шланга. При этом образуется сила обратного давления, которая позволяет пожарному удерживать шланг лишь с большим трудом.

Производство реактивных двигателей представляет собой особую отрасль техники. Поскольку температура рабочего тела здесь достигает нескольких тысяч градусов, детали двигателя изготовляют из высокопрочных металлов и тех материалов, которые устойчивы к плавлению. Отдельные части реактивных двигателей выполняют, к примеру, из специальных керамических составов.

Доклад №2

Устройство и роль ракетных двигателей в жизни людей.

Люди начали осваивать космос очень не скоро: не на чем было выбраться за пределы атмосферы Земли. Дело обстояло в том, что не хватало тяги для данной операции. Только в 1961 году удалось впервые полететь в космос. Все благодаря тому, что наконец – то удалось создать такой двигатель, который был способен вынести ракету за пределы орбиты Земли. Но как устроен ракетный двигатель? Что использовали для получения такой огромной мощи? И применяются ли где – нибудь еще подобные двигатели?

Как работает ракетный двигатель?

Создателем ракетного двигателя был А. Циолковский. Один из важных фактов про работу ракетного двигателя – это то, что его действие зависит от закона сохранения импульса. Для тех, кто не знает данный закон, я напомню: сумма импульсов до взаимодействия тел равна сумме импульсов после взаимодействия тел. Кстати говоря, ракетные двигатели работоспособны даже там, где отсутствует воздух. Главный компонент для отличной работы двигателей – это твердое топливо, которое вскоре начинает прогорать. Когда оно сгорит полностью, тогда образуется достаточная масса горючего газа. Весь этот газ образуется в мощную струю, благодаря которой ракета движется в направлении, противоположном направлению газового потока.

Роль ракетных двигателей в жизни людей.

К сожалению, у такого рода двигателей только одна задача, о которой уже было говорено ранее. Их цель – отправить ракету в космос, ведь у других двигателей не хватает мощи для этого. Больше ракетные двигатели нигде применения не находят.

Разновидности ракетных двигателей.

Да, они бывают нескольких видов. Главное их отличие – это источник энергии, он же – топливо для двигателей. Итак, вот эти самые виды:

Самый многочисленный, если подумать. Здесь топливом является реакция определенного горючего и окислителя. Затем всю «смесь» нагревают до высокой температуры, что ведет к расширению топлива, которое следом разгоняют в сопле Лаваля. В итоге, то, что получилось, выталкивает ракету. Стоит отметить, что уже в 2013 году данный вид двигателя улучшили до максимума, а значит, у ракет с химическим двигателем есть свой предел.

Нетрудно догадаться, что в данном случае будет топливом. Импульс электрических двигателей способен достичь отметки 210 километров в час.

Схож с прошлым типом двигателей, только здесь ракета будет ускоряться, когда топливо находится в плазменном состоянии. На данный момент существует только один такой двигатель.

Принцип действия реактивной силы

Если вам доводилось стрелять из огнестрельного оружия, или хотя бы наблюдать процесс со стороны, вы уже сталкивались с реактивной силой. Именно струя раскаленных газов, образовавшихся при сгорании пороха, отталкивает ствол назад. Чем больше количество заряда, тем круче отдача. А теперь представьте, что процесс воспламенения смеси постепенен и непрерывен. Получаем ракету с твердотопливным РД. Это самый простой вид двигателя, хорошо знакомый ракетомоделистам.

В качестве топлива в РДТТ сначала использовали дымный порох, более сложные варианты уже имеют основу в виде нитроцеллюлозы, растворенной в нитроглицерине. Топливом для небольших ракет выступает натриевая или калиевая селитра, смешанная с углеводами типа сахара или сорбита. Сделать такой движок можно самостоятельно, можно найти готовую модель и топливо в продаже. Большие твердотопливные двигатели использовались для запуска ракет, выводивших на орбиту шаттлы (характерный густой оранжевый дым при запуске ракеты дают именно такие двигатели), а также в военных целях для МБР. У них топливом выступает смесь полимерного горючего и перхлорат аммония как окислитель. Знаменитый «Тополь-М» основан именно на твердотопливных двигателях.

Твердотопливные двигатели относительно простые в конструкции, имеют нетоксичное топливо, надежные и пожаробезопасные, могут долго храниться, представляя собой стратегический арсенал. Однако удельный импульс у них небольшой, ими трудно управлять (включая не только направление тяги, но и запуск, а также остановку двигателя), а потому для космических полетов более предпочтительны ракетные двигатели на куда более эффективном жидком топливе.

Принцип работы реактивного двигателя самолета турбореактивного типа, который лишен недостатков прямоточного РД, позволил авиационным конструкторам создать самый совершенный летательный аппарат. Как действует это изобретение?

Основной элемент, находящийся в турбореактивном двигателе, – газовая турбина. С ее помощью приводится в действие воздушный компрессор, проходя через который, сжатый воздух направляется в специальную камеру. Полученные в результате сгорания топлива (обычно это керосин) продукты попадают на лопасти турбины, чем приводят ее в действие. Далее воздушно-газовый поток переходит в сопло, где разгоняется до больших скоростей и создает огромнейшую реактивную силу тяги.