Как работает реактивный двигатель самолета
Содержание:
Особенности синхронного реактивного электродвигателя
Преимущества:
Простая и надежная конструкция ротора:ротор имеет простую конструкцию, состоящую из тонколистовой электротехнической стали, без магнитов и короткозамкнутой обмотки.
Низкий нагрев:так как в роторе отсутствуют токи, он не нагревается во время работы, увеличивая срок службы электродвигателя.
Нет магнитов:снижается конечная цена электродвигателя, так как при производстве не используются редко земельные металлы. При отсутствии магнитных сил упрощается содержание и техническое обслуживание электродвигателя.
Низкий момент инерции ротора:так как на роторе отсутствует обмотка и магниты, ниже, что позволяет электродвигателю быстрее набирать обороты и экономить электроэнергию.
Возможность регулирования скорости: в виду того, что синхронный реактивный электродвигатель для своей работы требует частотный преобразователь, имеется возможность управления скоростью вращения реактивного двигателя в широком диапазоне скоростей.
Недостатки:
Частотное управление:для работы требуется частотный преобразователь.
Низкий коэффициент мощности:из-за того, что магнитный поток создается только за счет реактивного тока. Решается за счет использования частотного преобразователя с коррекцией мощности.
Сравнение двигательных установок
Ниже приведена сравнительная таблица различных типов двигательных установок, включающая как проверенные, так и гипотетические варианты.
В первой колонке указан удельный импульс (равный скорости истечения рабочего тела), или эквивалентная ему величина для нереактивных двигателей, во второй колонке — тяга двигателя, в третьей — время работы двигателя, в четвёртой — максимальное приращение скорости (для одноступенчатой системы), при этом:
- если приращение скорости много больше удельного импульса, требуется огромное количество топлива;
- если приращение скорости много меньше удельного импульса, требуется пропорционально большее количество энергии, а при её отсутствии — времени.
В пятой колонке указан уровень готовности технологии:
- 1 — известны только основные физические принципы;
- 2 — сформулирована теория;
- 3 — теория подтверждена экспериментально;
- 4 — компоненты испытаны в лаборатории;
- 5 — компоненты испытаны в вакууме;
- 6 — проведены наземные испытания / компоненты испытаны в космосе;
- 7 — проведены испытания в космосе;
- 8 — допущено к лётным испытаниям;
- 9 — проведены лётные испытания.
| Тип | Эквивалентныйудельныйимпульс (км/с) | Тяга(Н) | Времяработы | Макс.приращениескорости (км/с) | Уровеньготовности |
|---|---|---|---|---|---|
| Твердотопливный ракетный двигатель | 1—4 | 103 — 107 | минуты | ~ 7 | 9 |
| Гибридный ракетный двигатель | 1,5—4,2 | <0,1 — 107 | минуты | > 3 | 9 |
| Однокомпонентный ракетный двигатель | 1—3 | 0,1 — 100 | миллисекунды/минуты | ~ 3 | 9 |
| Жидкостный ракетный двигатель | 1,0—4,7 | 0,1 — 107 | минуты | ~ 9 | 9 |
| Ионный двигатель | 15 — 210 | 10−3 — 10 | месяцы/годы | > 100 | 9 |
| Двигатель на эффекте Холла | 8—50 | 10−3 — 10 | месяцы/годы | > 100 | 9 |
| 2—6 | 10−2 — 10 | минуты | ? | 8 | |
| Электрический ракетный двигатель термический | 4—16 | 10−2 — 10 | минуты | ? | 8[источник не указан 3837 дней] |
| Электростатический ракетный двигатель | 100 — 130 | 10−6 — 10−3 | месяцы/годы | ? | 8 |
| Пульсирующий плазменный двигатель | ~ 20 | ~ 0.1 | ~2 000-10 000 ч | ? | 7 |
| Двухрежимный ракетный двигатель | 1—4,7 | 0.1 — 107 | миллисекунды/минуты | ~ 3 — 9 | 7 |
| Солнечный парус | 300 000 (давление света)145—750 (солнечный ветер) | 9 на 1 а. е.230 на 0,2 а. е.10−10 на 4 св. годах(для паруса площадью 1 км²) | неограниченно | > 40 | 9, 6, 5 |
| Трехкомпонентный ракетный двигатель | 2,5—5,3 | 0,1 — 107 | минуты | ~ 9 | 6 |
| Магнитоплазмодинамический двигатель | 20—100 | 100 | недели | ? | 6 |
| Ядерный ракетный двигатель | 9 | 107 | минуты | > ~ 20 | 6 |
| Электромагнитный ускоритель | 0 — ~30 | 104 — 108 | месяцы | ? | 6 |
| Тросовая система | — | 1—1012 | минуты | ~ 7 | 7 |
| Прямоточный воздушно-реактивный двигатель | 5—6 | 0.1 — 107 | секунды/минуты | > 7? | 6 |
| Двигатель с ожижением атмосферного воздуха | 4,5 | 103 — 107 | секунды/минуты | ? | 6 |
| Пульсирующий индуктивный двигатель | 10—80 | 20 | месяцы | ? | 5 |
| Электромагнитный ракетный ускоритель | 10—300 | 40 — 1,200 | дни/месяцы | > 100 | 5 |
| Плазменный двигатель | 10—130 | 0,1—1 | дни/месяцы | > 100 | 5 |
| Солнечный ракетный двигатель | 7—12 | 1 — 100 | недели | > ~ 20 | 4 |
| Радиоизотопный ракетный двигатель | 7—8 | 1.3 — 1.5 | месяцы | ? | 4 |
| Ядерный электрический ракетный двигатель | переменная | переменная | переменная | ? | 4 |
| Проект «Орион» (ядерный «взрыволёт») | 20—100 | 109 — 1012 | несколько дней | ~ 30—60 | 3 |
| Космический лифт | — | — | неограниченно | > 12 | 3 |
| 30/4,5 | 0.1 — 107 | минуты | 9,4 | 3 | |
| Магнитный парус | 145—750 | 70/40 тонн | неограниченно | ? | 3 |
| 200 | ~1 Н/кВт | месяцы | ? | 3 | |
| Лучевой (лазерный) двигатель | переменная | переменная | переменная | ? | 3 |
| Пусковая петля/космический мост | — | ~104 | минуты | ≫ 11 — 30 | 2 |
| Проект «Дедал» | 20—1000 | 109 — 1012 | годы | ~ 15 000 | 2 |
| Газофазный ядерный реактивный двигатель | 10—20 | 103 — 106 | ? | ? | 2 |
| Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива | 100 | 103 — 107 | полчаса | ? | 2 |
| Парус на частицах ядерного распада | ? | ? | ? | ? | 2 |
| Ракетный двигатель на частицах ядерного распада | 15 000 | ? | ? | ? | 2 |
| Фотонный двигатель | 300 000 | 10−5 — 1 | годы/десятилетия | ? | 2 |
| Термоядерный ракетный двигатель | 100—1000 | ? | ? | ? | 2 |
| Каталитический ядерный импульсный ракетный двигатель на антиматерии | 200—4000 | ? | дни/недели | ? | 2 |
| Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда | 2,2—20 000 | ? | неограниченно | ~30 000 | 2 |
| Двигатель Алькубьерре | > 300 000 | ? | ? | неограниченно | 2 |
| Варп-двигатель | > 300 000 | ? | ? | неограниченно | 1 |
Принцип — действие — ракета
|
Фейерверочная ракета. |
Принцип действия ракеты заключается в следующем.
Принцип действия ракеты прост: ракета с большой скоростью выбрасывает вещество ( газообразные продукты сгорания топлива), которое с силой воздействует на ракету и сообщает ей ускорение. Предположим, что на ракету действует внешняя сила F. Это может быть сила тяготения, сила сопротивления среды, в которой движется ракета, и пр.
Принцип действия ракет известен хорошо. Ракета движется за счет выбрасывания назад части ее массы в виде газа.
В чем заключается принцип действия ракеты.
|
Устройство пороховой ракеты. |
На рис. 331 показана механическая модель, иллюстрирующая принцип действия ракеты. Пружина, стянутая ниткой, вложена в рамку. Пружина играет роль порохового заряда.
|
Устройство пороховой ракеты.| Пружинная модель ракеты. |
На рис. 336 показана простая механическая модель, иллюстрирующая принцип действия ракеты.
На рис. 336 показана простая механическая модель, иллюстрирующая принцип действия ракеты. Пружина, стянутая ниткой, вложена в рамку. Пружина играет роль порохового заряда. Пережжем нитку; это соответствует сгоранию пороха. Пружина, распрямляясь, окажет давление на рамку ( реакция пороховыхгазов) и вылетит из рамки подобно тому, как вылетают пороховые газы из отверстия ракеты.
|
Пружинная модель ракеты. |
На рис. 336 показана простая механическая модель, иллюстрирующая принцип действия ракеты. Пружина, стянутая ниткой, вложена в рамку. Пружина играет роль порохового заряда. Пережжем нитку; это соответствует сгоранию пороха. Пружина, распрямляясь, окажет давление на рамку ( реакция пороховых газов) и вылетит из рамки подобно тому, как вылетают пороховые газы из отверстия ракеты.
Проиллюстрировать использование закона сохранения количества движения путем рассмотрения одного приложения, приобретшего особый интерес в последнее время, а именно — принципа действия ракет.
Принцип действия ракеты очень прост. Ракета с большой скоростью выбрасывает вещество ( газы), воздействуя на него с большой силой. Выбрасываемое вещество с той же, но противоположно направленной силой в свою очередь действует на ракету и сообщает ей ускорение в противоположном направлении. Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени. На этом положении и основана теория движения ракет. Целесообразно, однако, обобщить задачу, предположив, что на ракету действуют внешние силы. Такими силами могут быть сила земной тяжести, гравитационное притяжение Солнца и планет, а также сила сопротивления среды, в которой движется ракета.
Принцип действия ракеты очень прост. Ракета с большой скоростью выбрасывает вещество ( газы), воздействуя на него с большой силой. Выбрасываемое вещество с той же, но противоположно направленной силой в свою очередь действует на ракету и сообщает ей ускорение в противоположном направлении. Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени. На этом положении и основана теория движения ракет. Целесообразно, однако, обобщить задачу, предположив, что на ракету действуют внешние силы. Такими силами могут быть сила земной тяжести, гравитационное притяжение Солнца и планет, а также сила сопротивления среды / в которой движется ракета.
Исторические факты
Идею использования реактивной тяги, которая позволила бы преодолеть силу притяжения Земли, выдвинул в 1903 году феномен российской науки – Циолковский. Он опубликовал целое исследование на данную тему, но оно не было воспринято серьезно. Константин Эдуардович, пережив смену политического строя, потратил годы трудов, чтобы доказать всем свою правоту.
Сегодня очень много слухов о том, что первым в данном вопросе был революционер Кибальчич. Но завещание этого человека к моменту публикации трудов Циолковского было погребено вместе с Кибальчичем. Кроме того, это был не полноценный труд, а лишь эскизы и наброски – революционер не смог подвести надежную базу под теоретические выкладки в своих работах.
Плазменные ракетные двигатели
Плазменный двигатель — электрический ракетный двигатель, рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы.
Плазменные двигатели различной конструкции строились и тестировались начиная с 60-х годов, однако на начало XXI века существует лишь один проект плазменного двигателя — VASIMR, который реализуется на коммерческой основе: пока двигатель прошел лишь стендовые испытания, разработка продолжается.
Другие типы плазменных двигателей, в частности СПД и ДАС (двигатели с анодным слоем), очень к ним близкие, имеют совершенно другие принципы работы.
Потенциал плазменных двигателей высок, однако, в ближайшем будущем единственным его применением будет корректировка орбиты МКС и других околоземных спутников.
Всё сказанное конкретное о ракетных двигателях можно свести к одной цели — придать хаотичному характеру кинетической энергии необходимое общее направление.
Как работает турбореактивный двигатель?
Реактивные двигатели применяются повсеместно, а турбореактивные устанавливаются больших пассажирских лайнерах. Отличие их в том, что первый несет с собой запас топлива и окислителя, а конструкция обеспечивает их подачу из баков.
Одна из самых важных деталей у них — это лопасть турбины. От нее зависит мощность двигателя.
Схема турбореактивного двигателя.
Именно они вырабатывают тяговые усилия, необходимые для ускорения самолета. Каждый из лопастей производит в 10 раз больше энергии, чем самый обычный, автомобильный двигатель. Они устанавливаются позади камеры сгорания, в той части двигателя, где самое высокое давление, а температура доходит до 1400 градусов по Цельсию.
В процессе производства лопастей они проходят через процесс монокристаллизации, что придает им твердости и прочности.
Перед тем, как установить на самолет, каждый двигатель проверяется на полное тяговое усилие. Он должен пройти сертификацию Европейского совета по безопасности и компанией, которая его произвела. Одной из самых крупных фирм по их производству является Роллс-Ройс.
