Что такое реактивный двигатель и принцип его работы

Доклад Реактивный двигатель 8 класс сообщение

Реактивный двигатель — это машина, которая превращает богатое энергией жидкое топливо в мощную силу толкания, называемую тягой. Тяга от одного или нескольких двигателей толкает самолет вперед, заставляя воздух проходить вдоль крыльев, в результате чего создается восходящая сила, называемая подъемом.

Все реактивные двигатели работают одинаково: втягивают воздух во входное отверстие, сжимают его, сжигают вместе с топливом и выводят выхлопные газы через турбину наружу. Поэтому все реактивные двигатели имеют пять ключевых компонентов: вход, компрессор, камеру сгорания и турбину. Но различные типы двигателей могут значительно отличаться друг от друга. Они могут иметь дополнительные компоненты, управляемые турбиной, входы у них могут работать по-разному, может быть более одной камеры сгорания, два или более компрессоров и несколько турбин.

Турбореактивный двигатель — это самый простой реактивный двигатель, основанный на газовой турбине. В нем базовая «ракетная» струя двигает плоскость вперед, стреляя горячей струей выхлопа назад. Выхлоп выходит из двигателя намного быстрее, чем холодный воздух входит в него, что и создает тягу.

Турбореактивные двигатели — это базовые реактивные двигатели общего назначения, которые постоянно производят одинаковое количество энергии, поэтому они подходят для небольших малоскоростных реактивных самолетов, которые не должны делать ничего особенно примечательного, например, внезапно ускоряться или перевозить огромные, тяжелые грузы.

Турбовальный двигатель сильно отличается от турбореактивного двигателя, поскольку выхлопной газ производит относительно небольшую тягу. Турбина в турбовальном двигателе передает большую часть мощности на вращение проходящего через нее приводного вала и один или несколько редукторов, которые вращают роторы. Турбовальные двигатели используются на вертолетах, в поездах, танках и лодках.

Современный самолет с пропеллером обычно использует турбовинтовой двигатель. Он похож на турбовальный двигатель в вертолете, но вместо того, чтобы приводить в действие верхний ротор, турбина внутри него вращает пропеллер, установленный спереди, который толкает плоскость вперед. В отличие от турбовального, турбовинтовой двигатель создает прямое движение от выхлопных газов, но большая часть тяги исходит от пропеллера. Поскольку летательные аппараты, управляемые пропеллером, летают медленнее, они тратят меньше энергии на борьбу с сопротивлением воздуха, что делает их очень эффективными для использования в рабочих грузовых самолетах и других небольших легких самолетах.

Гигантские пассажирские самолеты имеют огромные вентиляторы, установленные спереди, которые действуют как сверхэффективные пропеллеры. Вентиляторы работают двумя способами:

Немного увеличивают движение воздуха, который течет через центр двигателя, создавая большую тягу с тем же топливом, что делает их более эффективными.
Передают часть воздуха на внешнюю оболочку двигателя, полностью обходя внутреннюю часть, вызывая обратный поток воздуха.

Другими словами, турбовентилятор производит тягу частично как турбореактивный двигатель и частично как турбовинтовой. Низкооборотные турбовентиляторы посылают практически весь воздух через сердечник, в то время как обходные направляют больше воздуха вокруг двигателя. Впечатляющая мощность и эффективность делают турбовинтовые двигатели самыми востребованными: от пассажирских самолетов до реактивных истребителей.

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.

Читать еще: Что такое двигатель постоянного тока с постоянными магнитами

Реактивный двигатель

Электрический реактивный двигатель (ЭРД)

В прошлой публикации – об урановых снарядах — мы вели речь о способности к ударному взрыву многих металлов.

Продолжая начатый разговор, мы узнаем, что такое электрический реактивный двигатель, каковы принципы его работы и сфера применения, и даже получим ответ на вопрос, возможен ли полет на Марс в ближайшее время…

Для начала вернемся к ударным взрывам металлов. Важнейшим условием этого физического процесса является скорость металла.

Если для урана критическая скорость 1 500 м/с, для железа она превышает 4 000 м/с.

Поэтому от некоторых метеоритов, падающих на землю с такой или даже большей скоростью, не остается и следа. Они превращаются в тончайшую пыль.

На такую особенность обратил внимание еще в 1929 году знаменитый создатель наших ракетных двигателей и ракет Валентин Петрович Глушко.

Фото 1. Академик Валентин Петрович Глушко

Он написал статью под весьма интригующим заголовком «Металл как взрывчатое вещество».

В первых же ее строках автор сказал, что речь пойдет не об использовании металла в качестве взрывчатки, а о том, что при пропускании достаточно сильного импульса электрического тока через металлическую проволоку может произойти взрыв.

Температура при этом повышается до 300 000 градусов. Энергия такого взрыва превышает во много раз энергию взрыва самого мощного взрывчатого вещества, взятого в количестве, равном массе проволоки.

При этом сама энергия превышает энергию вызвавшего его импульса тока.

Электрический реактивный двигатель

Энергия такого взрыва была использована В.П. Глушко в миниатюрном электрическом реактивном двигателе (ЭРД), разработанным в начале 1930-х годов.

Двигатель легко умещался на ладони.

В него поступала металлическая проволока и подавались электрические импульсы, превращающие ее в пар.

Фото 2. Электрический реактивный двигатель (ЭРД), созданный В.П. Глушко в 1929-1933 гг.

Этот пар выходил через специальное сопло со скоростью в несколько десятков тысяч метров в секунду.

Для космонавтики это значит очень многое.

Чтобы достичь второй космической скорости (11 км/с), вес топлива, баков и корпуса ракеты на керосине и жидком кислороде должен составлять более 99 % ее стартового веса.

Таким образом, на долю полезного груза приходится лишь сотая часть.

Это связано с недостаточно большой скоростью истечения продуктов сгорания, около 3 400 м/с.

Если же взять ЭРД со скоростью истечения 25 — 30 км/с, то вес полезной нагрузки может увеличиться в 20 раз!

ЭРД: полет на Марс возможен!

Для полета на Марс требуется скорость 30 км/с. И здесь без ЭРД не обойтись.

Тогда вопрос: почему же мы сегодня не гуляем по Марсу, коль необходимый для этого двигатель существовал еще в 1932 году? Причин много. Вот хотя бы некоторые.

ЭРД способен работать только в пустоте космического пространства.

В обычной лаборатории вытекающая из него струя испарившегося металла смешивалась с воздухом и теряла скорость. Так, что даже тягу двигателя нельзя было достоверно измерить.

Лет через 20 подобные двигатели стали испытывать в специальных, очень дорогих вакуумных камерах.

Фото 3. Использования ЭРД делает возможным полет на Марс

Оказалось, что тяга подобных двигателей очень мала. Ее недостаточно даже для отрыва (только лишь двигателя!) от земли.

Тогда зачем же они нужны?

Они нужны для «неторопливого», длительного разгона в невесомости.

Смотрите. Если на тело массой 1 кг длительно действует сила 0,01 н (1 г), то через 28 часов оно приобретет скорость артиллерийского снаряда — 1 км/с, через 32 дня — 8 км/с (это первая космическая скорость), через 4 месяца — 30 км/с (третья космическая скорость), позволяющую лететь на Марс или вообще покинуть Солнечную систему.

Чтобы за 4 месяца набрать скорость 30 км/с, двигатель должен потреблять мощность. 300 Вт.

Не так много, в 3 раза меньше мощности утюга! Но у утюга есть розетка, а где взять розетку в космосе?

В качестве источника энергии для ракеты, оснащенной ЭРД, В.П. Глушко предложил использовать фотоэлементы.

Ракета, оснащенная такими двигателями, самостоятельно выйти в космос не может. Для старта должен применяться другой двигатель.

Но после выхода в космическое пространство «солнечная» ракета, оснащенная ЭРД, могла бы за несколько суток набрать такую скорость, которая недоступна для ракет любых других типов.

Подобная схема полета на Марс ныне рассматривается в российском проекте высадки космонавтов на Красную планету.

Ресторан-кафе Ментано

Что такое азбука Морзе?

Какой орган у человека самый большой?

Что такое космос?

Приключения для сильных духом с игровым автоматом «Slot-o-pol»

Что такое реактивный двигатель и принцип его работы

Ракетные двигатели по своей конструкции очень просты. На рис. 4.23 приведены принципиальная схема (а) и общий вид (б) одного из таких двигателей. Здесь: 1 и 2 — баки с горючим и окислителем; 3 — камера сгорания, в которой производится сжигание топлива; 4 — форсунки для подачи смеси горючего с окислителем; 5 — выходная дюза для выброса продуктов сгорания наружу. С помощью такого двигателя при выбросе продуктов сгорания и образуется реактивная сила тяги, приводящая в движение ракету. Найденная нами формула для реактивной силы позволяет полностью определить все требования, которым должно удовлетворять топливо и конструкция двигателя для получения наибольшей силя тяги, и найти все особые качества таких двигателей.

Читать еще: Время работы двигателя града

Рассмотрим сначала требования к топливу. Формула говорит, что для достижения наибольшей силы тяги нужно обеспечить выброс больших масс газов за одну секунду.

Значит, вещество топлива должно быть достаточно тяжелым, т. е. иметь достаточно большую плотность. Поэтому, например, керосин оказывается более пригодным топливом для таких двигателей, чем бензин.

Кроме того, топливо с выбранным окислителем должно обладать способностью быстро сгорать, или, как говорят физики, должно обладать большой скоростью горения. Поэтому, например, керосин с жидким кислородом оказывается намного выгоднее, чем соляровое масло. Скорость горения масла мала. Несмотря на большую плотность масла, малая скорость горения не позволяет получить большую массу выбрасываемых за секунду газов.

Формула далее говорит, что для получения большой силы тяги необходимо обеспечить большую скорость выброса газов относительно ракеты. Для этого нужно, чтобы на них действовали в момент выброса достаточно большие силы. Большие силы возникают только тогда, когда в камере сгорания создаются высокие давления. Но при определенной массе сгоревшего топлива давление становится большим только при очень высоких температурах газа в камере. Следовательно, условие получения больших скоростей выброса газов предъявляет новые требования к качествам топлива и окислителя: горючее должно обладать высокой температурой горения и выделять во время горения большое количество тепла.

Всем этим требованиям и стараются удовлетворить создатели двигателей при выборе топлива. Отыскание топлива с такими качествами было одной из труднейших задач, которую первыми решили советские ученые.

Требования к конструкции двигателя также ясно видны из формулы реактивной силы и из найденных нами требований к качеству топлива. Механизмы подачи топлива и окислителя должны подавать в камеру сгорания большие количества горючего каждую секунду. Материал стенок камеры сгорания и выходных дюз должен длительное время выдерживать действие больших сил при температурах много более 1000°С, т. е. необходимо, чтобы он обладал большой жаростойкостью и большой прочностью при высоких температурах.

Создание таких новых материалов также было одной из труднейших задач, которую успешно решили ученые, занимающиеся физикой твердого тела.

Наконец, формы камеры сгорания и дюз должны быть такими, чтобы возникающая реактивная сила была направлена в нужную сторону. Необходимо, чтобы дюзы свободно пропускали большие массы газа так, чтобы внутри струи не возникало ненужных движений.

Однако самое замечательное следствие из формулы реактивной силы — это определение особых качеств ракетных двигателей, отличающих их от всех других двигателей.

Сила тяги обычных двигателей уменьшается обратно пропорционально скорости того корабля, на котором они установлены. При некоторой скорости эта сила становится равной тормозящим силам, действующим со стороны других тел. После этого корабль перестает

разгоняться и начинает двигаться равномерно. Для каждого тела, приводимого в движение обычным двигателем, существует предельная скорость, которую превысить невозможно.

В том, что такая зависимость силы тяги от скорости есть, вы легко можете убедиться сами. Мышцы вашего тела являются своеобразными двигателями обычного типа. Вы начинаете бег. На старте напрягаете полностью мышцы и можете развить очень большую силу начального толчка. Но во время бега при большой скорости при самом большом напряжении мышц вы никогда не сможете развить такой силы толчка. Поэтому для каждого бегуна есть своя предельная скорость.

Как видно из формулы реактивная сила совершенно не зависит от скорости корабля, на котором установлен ракетный двигатель. В этом и состоит важнейшее отличие ракетных двигателей от обычных.

На это свойство ракетных двигателей впервые обратил внимание выдающийся русский ученый К. Э. Циолковский. Он первый указал на то, что возможность сообщать ракете ускорения с помощью только реактивных сил без участия других тел и независимость этих сил от скорости корабля открывают для человека единственную возможность выйти в космическое пространство. К. Э. Циолковский по праву стал родоначальником всей современной космонавтики.

Мы рассмотрели особенности ракетного двигателя. Реактивные двигатели, установленные на самолетах, устроены и работают так же и отличаются от ракетных только тем, что для сжигания топлива они используют атмосферный воздух. Поэтому такие двигатели снабжаются дополнительными устройствами для подачи воздуха в камеру сгорания.

На рис. 4.24 приведена схема самолетного турбореактивного двигателя. Здесь: 1 — выходная дюза для выброса продуктов сгорания топлива и воздуха; 2 — газовая турбина, приводящая в движение компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — форсунка; 5 — компрессор; 6 — стартер.

Такой реактивный двигатель обладает всеми главными достоинствами ракетных двигателей. Возможность получать большие силы тяги и независимость этих сил от скорости самолета позволили достичь сверхзвуковых скоростей, измеряемых тысячами километров в час. Таким образом, простое уравнение реактивной силы, с которым мы познакомились, послужило отправной точкой для освоения космоса и для технической революции в авиации.

Открытие Мещерского, прозорливость К. Э. Циолковского, инженерный и организаторский талант академика Королева, мастерство и мужество Юрия Гагарина, умелые руки советских рабочих и техников открыли человечеству дорогу к другим планетам, новую эпоху в освоении воздушного пространства.

1.1.Принцип создания реактивной силы

Возьмем замкнутый сосуд и создадим в нем избыточное давление Рк. Насосуд будет также действовать сила атмосферного давления Рн окружаю-шея среды, рис. 1.

Читать еще: Электробензонасос 406 двигатель характеристики

Если силы давления Рк и Рн уравновешены жесткостью стенок сосуда, то оностанется в покое.

Выполним в сосуде отверстие, рис.2, при этом равновесие сил Рк и Рн

нарушится и сосуд придет в движение (трение между наружной поверхностью

в и окружающей средой не учитывается). В результате этого возникнет

реактивная сила R, величина которой пропорциональна скорости и массе рабо-

чего тела истекающего потока.

Потенциальная энергия избыточного давления будет преобразована в кинетическую энергию (Е_к) истекающей струи. Реактивная сила R направлена в сторону, противоположную истечению реактивной струи.

На поверхность сосуда также действует сила, зависящая от величины давлений, воздействующих на его внутреннюю и наружную поверхности, т.е.

Тяга двигателяявляется результирующей реактивной силыR и сил давлений Р’, воздействующих на поверхность сосуда без учета сил внешнего аэродинамического сопротивления

Для создания реактивной силы необходимо наличие 3 х элементов:

первичного источника энергии;

собственно двигателя, в котором происходят преобразования.

Реактивный двигатель — устройство, обеспечивающее перемещение летательного аппарата ЛА в пространстве, путем преобразования первичного источника энергии в кинетическую энергию реактивной струи.

Различают реактивные двигатели прямой инепрямой реакции.

Для двигателя непрямой реакции характерно наличие движителя -устройства, обеспечивающего реактивную силу, например, винт в турбовинтовом двигателе.

Для создания реактивной силы движитель и двигатель используют разные рабочие тела. В качестве рабочего тела могут использоваться:

жидкая или газообразная окружающая среда;

окружающая среда и топливо.

1.2. Классификация ракетных двигателей (РД) На рис. 3 представлена классификация ракетных двигателей.

Если в качестве первичного источника энергии используется химическая реакция, то такой двигатель называется химическим.

Термическим РД называется двигатель, у которого энергия первичного источника преобразуется в тепло, а затем в кинетическую энергию истекающей струи. Химические РД являются термическими.

Структурные схемы ХРД и НХРД приведены на рис. 4

(химический ракетный двигатель)

(нехимический ракетный двигатель)

совмещённый источник первичной энергии и рабочего тела;

источник первичной энергии;

источник рабочего тела.

1.3. Тяга ракетного двигателя

Вывод формулы тяги ракетного двигателя базируется на Ш-м законе Ньютона, при условии, что поток рабочего тела по тракту рассматривается стадион арным.

Стационарным называется движение, при котором расход газа во всех поперечных сечениях канала одинаков и не зависит от времени, а параметры газа в указанных сечениях, включая входное, постоянны и также не являются функцией времени.

Тяга реактивного двигателя является равнодействующей сил давления газов на внутренние и наружные поверхности камеры двигателя. Она возникает в результате преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию, истекающих из камеры, продуктов сгорания.

Тяга в пустоте —=0, рис.5

Определим результирующую силу, воздействующую на стенки

где F_a — площадь среза сопла, м 2 .

Воспользуемся теоремой импульсов — импульс силы равен изменению количества движения:

где: — масса израсходованного топлива, т_н— начальная масса

двигательной установки, т_к— конечная масса двигательной установки; — время работы двигательной установки;AW_c, W_a — скорости газового потока на входе в сопло и на его срезе, соответственно, так какW_a>>W_с.

где т — массовый секундный расход, кг/с;

где:— тяга ракетного двигателя в пустоте, Н;

W_э.п.— эффективная скорость истечения в пустоте, м/с;

Тяга в условиях атмосферыР_нФ 0; рис.6

где:Wэн — эффективная скорость истечения при наличии давления окружающей среды, м/с.

1.4. Мощностные параметры ракетных двигателей 1.Мощность реактивной струи, Вт.

2.Мощность первичного источника энергии, Вт.

где:— коэффициент полезного действия двигательной установки.

1.5. Удельные параметры ракетных двигателей 1) Удельный импульс,(Н • с)/ кг

Удельный импульс является основным параметром, характеризующим совершенство конструкции и эффективность преобразования энергии в нём. Величина удельного импульса не зависит от тяги, создаваемой двигателем. Для химических ракетных двигателей величина удельного импульса лежит в диапазоне 2000/4000

Вышеприведённый вывод формулы тяги осуществлялся при условии её постоянства во время работы двигательной установки. Однако на практике это не соответствует действительности. На рис.7 приведена зависимость тяги двигательной установки от времени её полёта. (Iвзл, Iпол, Iпд — значения импульса ДУ на режимах взлёта, полёта и выключения, Iпд- импульс последействия).

Суммарный импульс двигательной установки 1^, н ■ с] можно оп-ршишь по следующим зависимостям:

Величину I_ПД стараются уменьшить, т.к. это обеспечивает точность доставки полезного груза к цели.

2) Удельный расход топлива, кг/Н • с .

Для химических ракетных двигателей величина удельного расхода топлива, существенно выше аналогичного параметра для воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Поэтому время работы ВРД существенно больше, чем ХРД.

3) Удельная мощность реактивной струи, Вт/Н.

4) Удельная масса ДУ, кг/Н, кг/Т.

где: М — масса ДУ без учёта топлива.

Величины удельной массы двигателей различных типов приведены

1т=10 4 Н.

Дополнительные параметры, характеризующие работу ракетного двигателя

Тип рабочего тела — выбирается в зависимости от области применения.

Время работы двигателя.

ЖРД — 1000с РДТТ — 200 — 300с Если двигатель обладает системой многократного включения, то задаётся количество включений и интервал времени между ними.

Отклонение величины тяги от её номинального значенияном-