Двигатель реакции

редактировать

A Двигатель реакции - это двигатель или двигатель, который производит тягу путем удаления реакционной массы в соответствии с третьим законом движения Ньютона. Этот закон движения чаще всего перефразируют так: «Для каждой действующей силы существует равная, но противоположная сила противодействия».

Примеры включают реактивные двигатели, ракетные двигатели, струйные двигатели и более необычные варианты, такие как двигатели на эффекте Холла, ионные приводы, массовые приводы и ядерные импульсные двигатели.

Содержание

1 Энергопотребление
- 1.1 Тяговая эффективность
- 1.2 Цикловая эффективность
- 1.3 Эффект Оберта
2 Типы реактивных двигателей
3 См. Также
4 Примечания
5 Ссылки
6 Внешние ссылки

Энергопотребление

Тяговая эффективность

Для всех реактивных двигателей, которые несут на борту ракетное топливо (таких как ракетные двигатели и электрические силовые установки приводы), некоторая энергия должна идти на ускорение реактивной массы. Каждый двигатель расходует некоторую энергию, но даже при 100% КПД двигателю требуется энергия в размере

1 2 МВ e 2 {\ displaystyle {\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ end {matrix }} MV_ {e} ^ {2}}

{\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ end {matrix}} MV_ {e} ^ {2}

(где M - масса израсходованного топлива, а $V e {\ displaystyle V_ {e}}$ $V_{e}$ - скорость истечения), что это просто энергия для ускорения выхлопа.

Из-за энергии, уносимой в выхлопе, энергоэффективность реактивного двигателя изменяется в зависимости от скорости выхлопа относительно скорости транспортного средства, это называется тяговая эффективность, синяя - кривая для реактивные двигатели, похожие на ракету, красный - для реактивных двигателей с воздушным движением (воздуховодов)

Сравнение уравнения ракеты (которое показывает, сколько энергии заканчивается в конечном транспортном средстве) и приведенного выше уравнения (которое показывает общую требуемую энергию) показывает что даже при 100% -ном КПД двигателя, конечно, не вся подаваемая энергия попадает в транспортное средство - некоторая ее часть, а на самом деле обычно большая ее часть, оказывается в виде кинетической энергии выхлопных газов.

Если удельный импульс ( $I sp {\ displaystyle I_ {sp}}$ $I_{sp}$ ) зафиксирован, для миссии delta-v существует конкретный $I sp {\ displaystyle I_ {sp}}$ $I_{sp}$ , который сводит к минимуму общую энергию, используемую ракетой. Это приводит к тому, что скорость истечения составляет около ⅔ дельта-v миссии (см. энергию, вычисленную по уравнению ракеты ). Приводы с удельным импульсом, который является как высоким, так и фиксированным, например ионные двигатели, имеют скорость выхлопа, которая может быть значительно выше, чем этот идеальный, и, таким образом, в конечном итоге ограничивают источник мощности и дают очень низкую тягу. Если характеристики автомобиля ограничены мощностью, например если используется солнечная энергия или ядерная энергия, то в случае большого $v e {\ displaystyle v_ {e}}$ $v_ {e}$ максимальное ускорение обратно пропорционально ему. Следовательно, время для достижения требуемой дельта-v пропорционально $v e {\ displaystyle v_ {e}}$ $v_ {e}$ . При этом последний не должен быть слишком большим.

С другой стороны, если скорость выхлопа может изменяться так, чтобы в каждый момент времени она была равна скорости транспортного средства и была противоположна ей, то достигается абсолютный минимум потребления энергии. Когда это достигается, выхлоп останавливается в пространстве ^и не имеет кинетической энергии; и КПД двигателя составляет 100%, вся энергия попадает в транспортное средство (в принципе такой привод будет иметь 100% КПД, на практике будут тепловые потери внутри системы привода и остаточное тепло в выхлопе). Однако в большинстве случаев при этом используется непрактичное количество топлива, но это полезное теоретическое рассмотрение.

Некоторые приводы (такие как VASIMR или безэлектродный плазменный двигатель ) действительно могут значительно изменять скорость своего истечения. Это может помочь снизить расход топлива и улучшить ускорение на разных этапах полета. Однако наилучшие энергетические характеристики и ускорение по-прежнему достигаются, когда скорость выхлопа близка к скорости автомобиля. Предлагаемые ионные и плазменные двигатели обычно имеют скорость истечения, значительно превышающую идеальную (в случае VASIMR наименьшая заявленная скорость составляет около 15 км / с по сравнению с дельта-v миссии с высокой околоземной орбиты на Марс примерно 4 км. / с ).

Для миссии, например, при запуске или приземлении на планете, эффекты гравитационного притяжения и любое атмосферное сопротивление должны быть преодолены с помощью топлива. Типично объединить эффекты этих и других эффектов в эффективную миссию delta-v. Например, для запуска миссии на низкую околоземную орбиту требуется дельта-v около 9,3–10 км / с. Эти дельта-против миссии обычно численно интегрируются в компьютер.

КПД цикла

Все реакционные двигатели теряют часть энергии, в основном в виде тепла.

Различные реактивные двигатели имеют разную эффективность и потери. Например, ракетные двигатели могут иметь до 60–70% энергоэффективности с точки зрения ускорения топлива. Остальное теряется в виде тепла и теплового излучения, прежде всего в выхлопных газах.

Эффект Оберта

Реакционные двигатели более энергоэффективны, когда они выделяют свою реактивную массу, когда транспортное средство движется с высокой скоростью.

Это связано с тем, что генерируемая полезная механическая энергия - это просто сила, умноженная на расстояние, и когда сила тяги создается во время движения транспортного средства, тогда: