Тема: Реактивное движение

Позже мы рассмотрим как в пермакультуре решается вопрос получения топлива для такой печи.

 

Реферат

Дисциплина Физика

Тема: Реактивное движение

Выполнил студент группы 1-121

Мавдутов Равиль.Х.

Проверил:

 

 

Перевоз 2011

 

Реактивное движение.

 

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Лунупо стеблю боба. Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос. Это смог осуществить русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

 

Реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие.

 

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы. К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета. Максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского.

Основной вывод состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.

Двигатели Прямой Реакции - Современная авиация с каждым годом предъявляет все более и более высокие требования к авиамоторостроению. Увеличение максимальной скорости боевых самолетов до 750 —800 км в час, повышение рабочего потолка (предельной высоты подъема) до 12—15 км и скороподъемности до 5000 м в 1,5—2 мин. — все это требует от винтомоторной группы самолета таких характеристик, осуществление которых становится чрезвычайно затруднительным: размеры мотора сильно увеличиваются, коэффициент полезного действия винта падает и т. п. Это обстоятельство заставляет искать принципиально новые пути для решения поставленной задачи. Таким новым решением и является использование принципа прямой реакции. Как известно, тяга винта во время полета самолета получается за счет противодействия столба воздуха, отбрасываемого назад вращающимся винтом. При этом винту приходится «обрабатывать» громадные массы воздуха для того, чтобы получить требуемое тяговое усилие. Так, например, для получения тяги около 450 кг для полета со скоростью около 600 км/час воздушный винт самолета, приводимый во вращение мотором в 1250 лошадиных сил, должен отбросить назад около 50 т воздуха в минуту со скоростью (относительно земли) около 5,5 м/сек1. Эта скорость может показаться на первый взгляд очень маленькой. Однако следует учесть, что в полете скорость воздушного потока, отбрасываемого винтом, относительно самого самолета складывается из скорости полета, увеличенной на скорость отброса воздуха относительно земли (т. е. 5,5 м/сек).

Как источник получения тяги, особенно при не очень высоких скоростях, ракетные двигатели весьма неэкономичны, вследствие непомерного расхода топлива. Однако за последнее время довольно широкое распространение получило применение ракетных установок в качестве вспомогательных приспособлений для облегчения взлета тяжело перегруженных самолетов и быстрого набора высоты. Подобного рода установки, состоящие из нескольких крупнокалиберных ракет, прикрепляются к нижней части фюзеляжа и вводятся в действие при взлете. После использования пустые гильзы ракет и сама установка сбрасываются (обычно на парашюте).

 

Вспомогательные ракетные установки могут сказаться весьма полезными для взлета с неприспособленных площадок малого размера. На авианосцах военно-морского флота США в последнее время удалось благодаря применению пусковых ракет: а) уменьшить разбег истребителя для взлета на 33—60% и тем самым существенно увеличить пропускную способность палубы корабля, б) значительно увеличить нагрузку самолета, так как пусковая ракета развивает значительную дополнительную тягу.

Особый интерес и развитие получили за последнее время воздушно-реактивные двигатели (ВРД), одна из простейших принципиальных схем которых показана на рис. 3.

В области ВРД имеется много и теоретических исследований и практических работ. Наибольшее распространение получила схема реактивной газовой турбины, работа которой заключается в следующем. Воздух из атмосферы поступает в компрессор, откуда с повышенным давлением идет разветвляясь в камеру сгорания и турбину, ротор которой сидит на одном валу с компрессором. В камеру сгорания В — входной насадом, КТ — агрегат компрессора с турбиной, Р — номера сгорания, С — выходное сопло вспрыскивается топливо, и, таким образом, в турбину поступает уже сильно нагретая смесь.

Рис. 3.

В — входной насадом, КТ — агрегат компрессора с турбиной, Р — номера сгорания, С — выходное сопло

 

Небольшая часть энергии смеси расходуется на

приведение во вращение ротора турбины, а, стало быть и на работу компрессора. Газообразные продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются по выходе из турбины через выходное сопло, создавая этим реактивную силу. Установка такого агрегата на самолете и позволяет получить такую скорость и скороподъемность, достижение которых с обыкновенным авиадвигателем или затруднительно или просто невозможно. Применение реактивных двигателей на самолете дает ряд ценных преимуществ: реактивный двигатель легче и дешевле обыкновенного авиадвигателя: габариты его меньше, что позволяет уменьшить вредное сопротивление самолета; вредное сопротивление уменьшается также и благодаря отсутствию винтов. Вместе с тем широкое применение ВРД ограничивается большим расходом горючего. Кроме того, постройка двигателей этого типа сопряжена с известными конструктивно-технологическими трудностями, обусловленными напряженным режимом работы отдельных деталей при высокой температуре. В настоящее время и у нас в Союзе и за границей имеются образцы самолетов с ВРД. Эти самолеты находятся уже в опытной эксплоатации. Кроме того, внимательно изучается и совершенствуется опыт применения в минувшей войне самолетов-снарядов и ракетных самолетов. О том внимании, которое уделяется во всех странах развитию реактивной техники, можно судить хотя бы по тому факту, что в Англии создан Министерством авиационной промышленности специальный объединенный комитет из представителей всех фирм, работающих над реактивными двигателями.

 

Закон сохранения импульса. Реактивное движение

 

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой. В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона. Рассмотрим какие-либо два взаимодействующих тела, входящих в состав замкнутой системы. Силы взаимодействия между этими телами обозначим через F1 и F2 По третьему закону Ньютона F1 = -F2 Если эти тела взаимодействуют в течение времени t, то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны:

Применим к этим телам второй закон Ньютона:

где

– импульсы тел в начальный момент времени

– импульсы тел в конце взаимодействия. Из этих соотношений следует:

Это равенство означает, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, т. е. векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.

 

Нецентральное соударение шаров разных масс: 1 – импульсы до соударения; 2 – импульсы после соударения; 3 – диаграмма импульсов

 

Нецентральное соударение шаров разных масс: 1 – импульсы до соударения; 2 – импульсы после соударения; 3 – диаграмма импульсов

 

Вектора импульсов шаров до и после соударения можно спроектировать на координатные оси OX и OY. Закон сохранения импульса выполняется и для проекций векторов на каждую ось. В частности, из диаграммы импульсовследует, что проекции векторов Р1 и Р2

импульсов обоих шаров после соударения на ось OY должны быть одинаковы по модулю и иметь разные знаки, чтобы их сумма равнялась нулю.Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение.

При стрельбе из орудия возникает отдача – снаряд движется вперед, а орудие – откатывается назад. Снаряд и орудие – два взаимодействующих тела. Скорость, которую приобретает орудие при отдаче, зависит только от скорости снаряда и отношения масс.Если скорости орудия и снаряда обозначить через V-v, а их массы M и m, то на основании закона сохранения импульса можно записать в проекциях на ось OX

Отдача при выстреле из орудия

 

Значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Из процесса последующего разгона ракеты исключаются массы контейнеров, в которых находилось топливо, отработавшие двигатели, системы управления и т. д. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современное ракетостроение.

 

 

Баллистическая ракета

Как выглядит в общих чертах современная ракета сверхдальнего действия? Прежде всего, это многоступенчатая ракета. В головной части её размещается боевой заряд, позади него ‑ приборы управления, баки и, наконец, двигатель. В зависимости от топлива стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз! Поэтому весит она много десятков тонн, а в длину достигает высоты десятиэтажного дома.

Схема внутреннего устройства ракеты.

 

Конструкция ракеты должна отвечать ряду требований. Например, очень важно, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. Если не выполнить этого и ещё ряда других условий, то ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращательное движение. «Подправить» курс можно с помощью рулей. Пока ракета летит в плотном воздухе, могут работать аэродинамические рули, а в разреженном воздухе - предложенные ещё Циолковским газовые рули, отклоняющие направление газовой струи. Впрочем, сейчас конструкторы начинают отказываться от применения газовых рулей, заменяя их несколькими дополнительными соплами или поворачивая само главное сопло. Например, на американской ракете, построенной по проекту «Авангард», двигатель подвешен на шарнирах, и его можно отклонять на 5-7О. Действительно, в начале полёта, когда плотность воздуха ещё велика, мала скорость ракеты, поэтому рули плохо управляют. А там, где ракета приобретает большую скорость, мала плотность воздуха. Газовые рули хрупки и ломки, потому что их приходиться делать из графита или керамики. Каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют её устройство. Мощность каждой следующей ступени и время её действия меньше, поэтому и конструкция может быть проще.В настоящее время двигатели баллистических ракет преимущественно работают на жидком топливе. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород иперекись водорода. Очень активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но из-за крайней взрывоопасности они пока находят ограниченное применение. Наиболее ответственной частью ракеты является двигатель, а в нём - камера сгорания и сопло. Здесь должны использоваться особо жаропрочные материалы и сложные методы охлаждения, так как температура сгорания топлива доходит до 2500-3500ОС. Обычные материалы таких температур не выдерживают. Достаточно сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые подавали горючее и окислитель к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2 были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду. В ряде случаев вместо баллонов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, который вытесняет горючее из баков и гонит его в камеру сгорания. Запускается баллистическая ракета со специального стартового устройства. Часто это ажурная металлическая мачта или даже башня, около которой ракету собирают по частям подъёмными кранами. Площадки на башне размещаются против смотровых люков, через которые проверяют и налаживают оборудование. Потом ракету заправляют топливом, и башня отъезжает.Стартуя вертикально, ракета затем наклоняется и описывает почти строго эллиптическую траекторию. Значительная часть траектории полёта таких ракет проходит на высоте больше 1000 км над Землёй, где сопротивление воздуха практически отсутствует, однако с приближением к цели атмосфера начинает резко тормозить движение ракеты, при этом оболочка сильно нагревается, и, если не принять меры, ракета может разрушиться, а её заряд - преждевременно взорваться.

Движения тел переменной массы.

 

Знание закона сохранения импульса во многих случаях дает возможность найти результат взаимодействия тел, когда значения действующих сил неизвестны.Рассмотрим в качестве примера действие реактивного двигателя. При сгорании топлива в камере сгорания ракеты образуются газы, нагретые до высокой температуры. При действии двигателя в течение короткого интервала времени t из сопла ракеты выбрасываются со скоростью u относительно ракеты горячие газы массой m. Ракета и выбрасываемые ее двигателем газы взаимодействуют между собой. На основании закона сохранения импульса при отсутствии внешних сил сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остается постоянной.

До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения сумма изменений векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:

где m - масса ракеты, V - изменение скорости ракеты, m - масса выброшенных газов, u - скорость истечения газов.Отсюда для векторов импульса получаем:

Разделим обе части равенства на интервал времени t, в течение которого работали двигатели ракеты:

 

или

 

 

Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения a по определению равно силе, вызывающей это ускорение:

 

 

Таким образом, мы показали, что реактивная сила тяги Fp равна произведению скорости u движения выбрасываемых газов относительно ракеты на секундный расход топлива m/t.

 

Реактивная сила тяги Fp действует со стороны газов на ракету и направлена в сторону,противоположную направлению истечения газов.

Выражение

есть уравнение динамики тела переменной массы для случая, когда внешние силы равны нулю. Если же на ракету, кроме реактивной силы Fp, действует внешняя сила F, то уравнение динамики движения примет вид:

 

Это уравнение получено профессором Петербургского университета

И. В. Мещерским и носит его имя.

 

Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы. Ускорение тела переменной массы определяется не только внешними силами F, действующими на тело, но и реактивной силой Fp, обусловленной изменением массы движущегося тела:

 

Движение искусственных спутников Земли

 

Полученные в предыдущем разделе результаты можно применять не только к планетам, но и к искусственным спутникам. Полная механическая энергия спутника в поле земного тяготения равна

где M – масса Земли, r – расстояние до ее центра, m и υ – соответственно, масса и скорость спутника. Если энергия E отрицательна, то движение будет происходить по финитной траектории – эллипсу. При круговом движении

Движение спутников Земли

 

Именно такую скорость надо придать спутнику, чтобы вывести его на околоземную круговую орбиту. Если r – радиус земного шара, то получаемая по этой формуле величина называется первой космической скоростью. Она приблизительно равна 7,9 км/с.

Минимальная скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно никогда не вернулось на Землю, называется второй космической скоростью. Она равна параболической скорости, где r – радиус Земли:

и соответствует движению по параболической траектории. Если же полная механическая энергия положительна, то спутник будет двигаться по гиперболе.Аналогичные вычисления можно провести и для Солнца. Средняя скорость Земли относительно Солнца ~29,8 км/с. Для того, чтобы при запуске с такого расстояния тело навсегда покинуло пределы Солнечной системы, ему надо сообщить скорость относительно Солнца не меньше Если бы тело не подвергалось воздействию земного притяжения, то ему достаточно было бы сообщить относительно Земли дополнительную скорость 42,1 – 29,8 = 12,3 км/с в направлении ее движения. Тогда относительно Солнца тело начнет двигаться по параболической траектории. В действительности для этого требуется большая скорость, так как тело дополнительно должно преодолеть воздействие земного притяжения. Учет этой поправки дает значение 16,7 км/с. Скорость относительно Земли, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно навсегда покинуло пределы Солнечной системы, называется третьей космической скоростью. Величина третьей космической скорости зависит от того, в каком направлении корабль выходит из зоны действия земного тяготения. Она минимальна, если это направление совпадает с направлением орбитального движения Земли вокруг Солнца, и максимальна, когда эти направления противоположны.

Величина третьей космической скорости зависит от того, в каком направлении корабль выходит из зоны действия земного тяготения.

Если спутник, например, космическая станция, движется вокруг Земли, то космонавты внутри него находятся в невесомости. Было бы неверным считать, что сила тяжести, действующая на все тела внутри станции, равна нулю. Она отличается от силы тяжести на поверхности Земли лишь в раз.Так как высота подобных спутников h над поверхностью Земли составляет обычно сотни километров, а R = 6400 км, то сила тяжести на орбите лишь на 10–20 % меньше силы тяжести возле поверхности. Состояние невесомости на орбите создается из-за того, что спутник движется по орбите лишь под действием силы тяжести. Если рассмотреть динамику спутника в неинерциальной системе отсчета, в которой он покоится, то силе тяжести будет противодействовать равная ей по величине центробежная сила, и результирующая сила будет равна нулю.

Силы, действующие на космонавтов внутри космического корабля, вращающегося

вокруг Земли.

 

Движение космических аппаратов по околоземным орбитам описываются при помощи орбитальных элементов.