Реактивнi двигуни
МРЖНРЖСТЕРСТВО АГРАРНОРЗ ПОЛРЖТИКИ УКРАРЗНИ
Хорольський Агропромисловий Коледж
Полтавськоi Державноi Аграрноi Академii
РЕФЕРАТ
на тему:
РЕАКТИВНРЖ ДВИГУНИ
Виконав: студент групи Г-11
Кайда Юрiй Володимирович
Хорол 2006
План
1. Визначення реактивного двигуна
2. Принципова схема будови i роботи реактивного двигуна
3. Область застосування реактивного двигуна
4. Переваги i недолiки реактивного двигуна
5. ККД реактивного двигуна i способи його пiдвищення
Джерела iнформацii
1. Визначення реактивного двигуна
Сам термiн тАЮреактивнийтАЭ походить вiд слова тАЮреакцiятАЭ. Поясню, що ж таке реакцiя взагалi з фiзичноi точки зору. Примiром, на столi чи на пiдлозi лежить предмет (маю на увазi в полi тяжiння). З силою F = mg цей предмет тисне на опору, i тiльки тому предмет не рухаiться у полi тяжiння, що iснуi реакцiя опори, рiвна за абсолютною величиною вазi предмета, тобто mg, але протилежно напрямлена (двi сили взаiмно компенсуються). Це ж саме нам говорить третiй закон Ньютона тАУ закон дii i протидii. Правда даний закон тАУ частковий випадок взаiмодii тiл i справедливий лише у випадках статичних взаiмодiй та симетричного зiштовхування цiлком однакових куль.
Розглянемо такий приклад. Установимо звичайний електровентилятор на тацi невеликоi маси, на колесиках також невеликоi маси i з невеликим коефiцiiнтом тертя в осях, на рiвнiй поверхнi. Якщо пiсля ввiмкнення вентилятора струмiнь повiтря буде спрямований тАЮна настАЭ, то реакцiя цього струменя буде спрямована тАЮвiд настАЭ. У цьому ж напрямку (за реакцiiю повiтряного потоку) вентилятор i покотиться.
РЖншим прикладом реактивного двигуна може бути ракета як система двох тiл тАУ оболонки i пального, що знаходиться в нiй. Пiд час запуску ракети пальне згоряi i перетворюiться в газ високоi температури i високого тиску. Завдяки високому тиску цей газ з великою швидкiстю вихоплюiться з сопла ракети, внаслiдок цього оболонка летить в протилежному напрямку. Саме реакцiя струменю газу, спрямована протилежно його витiканню i i рушiйною силою ракети. Причому, на вiдмiну вiд вищезгаданоi реакцii опори, яка виникаi в гравiтацiйних полях, реакцiя газового струменю маi мiсце також поза межами гравiтацiйних полiв, де з високою ступiнню точностi систему оболонка тАУ пальне можна вважати замкненою. Як ми побачимо далi, реактивний рух i цiкавим i важливим випадком використання закону збереження iмпульсу.
2. Принципова схема будови i роботи реактивного двигуна
ВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВа оболонка
Вапальне, що знаходиться в оболонцi
ВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВаВа реактивне сопло
напрямок витiкання газiв напрямок руху ракети
рис.1
Принципову схему будови i роботи реактивного двигуна показано на рис.1.
Перед стартом ракети ii загальний iмпульс (оболонки i пального) у системi координат, звтАЩязанiй iз Землею, дорiвнюi нулю, бо вся ракета перебуваi в спокоi вiдносно Землi. Внаслiдок взаiмодii газу й оболонки газ, що викидаiться, набуваi деякого iмпульсу. Для спрощення знехтуiмо впливом сили тяжiння, тодi оболонку i пальне можна вважати замкненою системою. Загальний iмпульс вказаноi замкненоi системи пiсля запуску також маi дорiвнювати нулю, тому оболонка через взаiмодiю з газом набуваi iмпульсу, рiвного за абсолютною величиною, але протилежного йому за напрямком. Ось чому починаi рухатися не тiльки газ, а й оболонка ракети.
Закон збереження iмпульсу даi можливiсть визначити швидкiсть ракети (оболонки). Припускаiмо, що газ, який утворюiться пiд час згоряння пального, вихоплюiться з ракети вiдразу, а не витiкаi поступово. Позначимо масу газу, в який перетворюiться пальне в ракетi, через mг, а швидкiсть витiкання газу через vг. Масу i швидкiсть оболонки позначимо через mоб i vоб. Тодi за законом збереження iмпульсу
mгvг + mобvоб = 0, звiдки 
Ва(1)
З даноi формули видно, що швидкiсть оболонки ракети тим бiльша, чим бiльша швидкiсть газу, що викидаiться i чим бiльше вiдношення маси пального до маси оболонки.
Бiльш точно реактивний рух характеризуi рiвняння Цiолковського, в якому вiдкинуто припущення про миттiвий викид газу (розглядаiться рух тiла змiнноi маси). Для виведення рiвняння Цiолковського запишемо диференцiальне рiвняння руху ракети:
Ва(2)
де 
Ваi m тАУ швидкiсть i маса ракети у довiльний момент часу, u2 тАУ вiдносна швидкiсть продуктiв згоряння на виходi з двигуна (вектор 
, як вiдносну швидкiсть повiтря, що поступаi до двигуна, опущено, так як вважають 
). Вектори 
Вата 
Васпрямованi в протилежнi боки, тому рiвнiсть (2) набере вигляду 
Ва(3)
РЖнтегруючи (3) при u2 = const отримаiмо рiвняння Цiолковського:
Ва(4)
де v0 i m0 тАУ початковi значення швидкостi i маси ракети в момент часу t = 0.
3. Область застосування реактивного двигуна
Нинi реактивнi двигуни застосовують у трьох областях: космонавтицi, вiйськовiй галузi та авiацii.
Ракети дають можливiсть виводити на навколоземнi орбiти та у мiжпланетний простiр космонавтiв та вантажi. Таким чином реалiзуються програми дослiдження Землi та навколоземного простору, мiжпланетного простору, Сонця, планет та iх супутникiв, передбачення погоди, визначення мiсцеположення обтАЩiктiв на Землi (GPS) та iншi. Альтернативного типу двигуна для даних цiлей поки що не iснуi.
Вiйськова галузь застосовуi ракети для доставки вiйськових зарядiв до цiлi. Мiжконтинентальнi балiстичнi ракети можуть доставляти ядернi та термоядернi заряди на великi вiдстанi. На жаль, дана галузь застосовуi реактивнi двигуни в цiлях знищення iстот, собi подiбних.
На багатьох лiтаках, в тiм числi i на цивiльних, встановлено реактивнi двигуни, що дало змогу збiльшити швидкiсть iх приблизно в 10 разiв у порiвняннi з гвинтовими лiтаками.
4. Переваги i недолiки реактивного двигуна
Одною з суттiвих переваг ракети i те, що на вiдмiну вiд усiх iнших транспортних засобiв вона може рухатися, не взаiмодiючи з жодними iншими тiлами, крiм продуктiв згоряння пального, що мiстяться в нiй самiй. У той час як звичайнi лiтаки i навiть лiтаки з повiтряно-реактивними двигунами можуть лiтати лише в межах земноi атмосфери, реактивний двигун балiстичноi ракети може працювати i в без повiтряному просторi. Саме тому ракети використовуються для запуску штучних супутникiв Землi та космiчних кораблiв i для iх перемiщення у космiчному просторi, де iм нi на що спиратись i нi вiд чого вiдштовхуватись, як це роблять наземнi види транспорту. РЖнша перевага тАУ можливiсть маневрування корабля в космiчному просторi та гальмування його, завдяки змiнi напряму викидання струменю газу.
Про недолiки. Якщо навiть припустити миттiве викидання газiв з сопла ракети i обчислювати ii швидкiсть за рiвнiстю (1), то для досягнення швидкостi ракети, наприклад, у 4 рази бiльшоi вiд швидкостi газу, який вихоплюiться, маса пального повинна бути в 4 рази бiльшою вiд маси оболонки, тобто оболонка повинна становити птАЩяту частину всiii маси ракети. Не слiд при цьому забувати, що тАЮкорисноютАЭ частиною ракети i саме ii оболонка.
Розрахунок швидкостi ракети за рiвнянням (4) показуi, що для того, щоб швидкiсть оболонки була в 4 рази бiльшою вiд швидкостi газу, маса пального на стартi повинна бути не в 4, а в кiлька десяткiв разiв бiльша за масу оболонки. Якщо при цьому додатково врахувати, що пiд час запуску iз Землi на ракету дiють i сила опору повiтря, крiзь яке вона повинна летiти, i сила тяжiння, то можна зробити висновок, що вiдношення 
маi бути ще бiльшим.
РЖншим недолiком реактивних двигунiв i вiдносно мала швидкiсть викидання газiв з сопла ракети, i, таким чином, вiдносно мала швидкiсть оболонки. Ракети, що створенi нинi, не дають змоги досягти швидкостi навiть 50 км/с. РЖ якби могли, то з такою швидкiстю подорожi до найближчих зiрок тривали б мiльйони рокiв. Все це робить навiть натяк на використання ракет з реактивними двигунами для мiжзоряних перельотiв, а тим бiльше пiлотованих перельотiв, безглуздим заняттям. Для таких перельотiв потрiбен принципово iнший тип двигуна, винайдення якого тАУ справа далекого майбутнього. Тобто, реактивнi двигуни, такi, якi вони i на теперiшнiй момент, можна використовувати для перельотiв в межах однiii планети i в межах однiii планетноi системи. Коли буде винайдено двигун для мiжзоряних перельотiв, на космiчних кораблях майбутнього (а особливо на розвiдувальних човниках) будуть встановленi реактивнi двигуни тАУ для перельотiв на близькi вiдстанi i маневрування.
5. ККД реактивного двигуна i способи його пiдвищення
Як вiдомо, коефiцiiнт корисноi дii механiзму, пристосування чи двигуна суть вiдношення корисноi роботи до всiii затраченоi роботи. Корисною частиною ракети i, як вже було сказано, ii оболонка, а маса оболонки, обчислена з рiвняння Цiолковського, (без урахування опору повiтря) повинна становити приблизно 
Вачастину маси ракети. У сучасних балiстичних ракет кiнцева маса у сотнi разiв менша стартовоi маси. Значить, i прискорення також у сотнi разiв зростаi по мiрi витрати палива. Звiдси випливаi, що прирiст швидкостi, що його отримуi ракета при витратi однiii i тiii ж кiлькостi палива, сильно залежить вiд того, у який момент часу це паливо витрачаiться: доки запас палива на борту великий i маса ракети велика, прирiст швидкостi малий; коли палива залишилось мало i маса ракети значно зменшилася, прирiст швидкостi великий. По цiй причинi навiть велике збiльшення запасу палива не може значно пiдвищити кiнцеву швидкiсть ракети: адже додаткова кiлькiсть палива буде використана тодi, коли маса ракети велика, а прискорення мале, а значить, малий i додатковий прирiст швидкостi. Крiм того, якщо ми збiльшуватимемо масу палива, ми зменшимо ККД реактивного двигуна, i без того найменший серед ККД всiх вiдомих двигунiв i машин на Землi. Зате збiльшення швидкостi реактивного струменя при незмiнному запасi палива (ККД хоча б не зменшуiться!) дозволяi значно збiльшити кiнцеву швидкiсть ракети. Так, збiльшуючи швидкiсть реактивного струменя, не змiнюючи секундноi витрати палива, ми, тим самим, збiльшуiмо прискорення у тому ж вiдношеннi. Для збiльшення швидкостi реактивного струменя соплу ракети надають спецiальноi форми. Оскiльки швидкiсть реактивного струменя збiльшуiться по мiрi росту температури газу, що утворюi струмiнь, вибирають паливо, що даi по можливостi вищу температуру згорання.
Як ми бачили, коефiцiiнт корисноi дii реактивного двигуна пiдвищити на сьогоднiшнiй день досить важко, майже неможливо.
Зрозумiло, що безглуздо говорити про пiдвищення коефiцiiнта корисноi дii шляхом зменшення маси пального, яке знаходиться в оболонцi, бо у цьому разi ракета не досягне розрахунковоi швидкостi. В досить незначнiй мiрi пiдвищити ККД реактивних двигунiв можна, використовуючи багатоступiнчатi ракети.
Джерела iнформацii
1. Элементарный учебник физики, под ред. академика Г.С. Ландсберга, том 1, М:, Наука, 1964.
2. Б.М. Яворовский, А.А. Детлаф тАУ Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов, М:, Наука, 1977.
Вместе с этим смотрят:
Aerospace industry in the Russian province
РЖсторiя ракетобудування Украiни
Авиационно-космические отрасли в российской провинции
Атомы и молекулы
Биология в школе, наука и идеология