Реактивний рух
Цікавий і важливий випадок практичного використання закону збереження імпульсу — це реактивний рух. Так називають рух тіла, який виникає під час відокремлення від тіла певної його частини з якоюсь швидкістю.
Реактивний рух здійснюють, наприклад, ракети. Усяка ракета — це система двох тіл. Вона складається з оболонки і пального, що міститься в ній. Оболонка має форму труби. Один кінець груби закритий, а другий відкритий, він має трубчасту насадку, з отвором особливої форми — реактивним соплом.
Під
час запуску ракети пальне згоряє і
перетворюється в газ високого тиску й
високої температури. Завдяки високому
тиску цей газ з великою швидкістю
викидається із сопла ракети. Внаслідок
цього оболонка ракети летить у протилежному
напрямі (мал. 176).
Перед стартом ракети II загальний імпульс (оболонки і пального) у системі координат, зв’язаній із Землею, дорівнює нулю, бо вся ракета перебуває в спокої відносно Землі. Внаслідок взаємодії газу і оболонки газ, що викидається, набуває певного імпульсу. Вважатимемо, що вплив сили тяжіння дуже малий, тоді оболонку й пальне можна вважати замкненою системою, і їхній загальний імпульс повинен після запуску також дорівнювати нулю. Тому оболонка через взаємодію з газом набуває імпульсу, що дорівнює за модулем імпульсу газу, але протилежний за напрямом. Ось чому починає рухатися не тільки газ, а й оболонка ракети. У ній можна помістити наукові прилади для досліджень, різні засоби зв’язку тощо. З ракетою може бути зв’язаний і космічний корабель з космонавтами.
Закон збереження імпульсу дає змогу визначити швидкість ракети (оболонки).
Справді, припустимо спочатку, що весь газ, який утворюється внаслідок згоряння пального, викидається з ракети відразу, а не витікає поступово.
Позначимо всю масу газу, в який перетворюється пальне в ракеті, через mr, а швидкість витікання газу — через vr. Масу і швидкість оболонки позначимо через mоб і vоб. Згідно із законом збереження імпульсу сума імпульсів оболонки й газу після запуску має бути такою самою, якою вона була до запуску ракети, тобто повинна дорівнювати нулю. Отже,
або
(координатна вісь Y напрямлена в бік руху оболонки). Звідси знаходимо швидкість оболонки
(1)
З цієї формули видно, що швидкість оболонки ракети тим більша, чим більша швидкість газу, який викидається, і чим більше відношення маси пального до маси оболонки. Тому досить великої швидкості оболонка набуде в тому разі, коли маса пального буде значно більшою від маси оболонки. Наприклад, щоб швидкість була за абсолютним значенням у 4 рази більша від швидкості газу, який викидається, маса пального має бути в стільки ж разів більшою від маси ракети на старті. Але ж «корисною» частиною ракети є саме оболонка.
Ми вважали, що весь газ викидається з ракети вмить. Насправді ж він витікає не відразу, але досить швидко. Це означає, що в міру витрачання пального і збільшення відносно Землі швидкості ракети, швидкість газу, який витікає, зменшується. Зменшується й імпульс, якого набуває ракета під час витікання газу. Внаслідок цього швидкість V ракети буде меншою, ніж обчислена за формулою (1).
Це значно збільшує масу пального, потрібну для досягнення великої швидкості. Розрахунок показує: щоб швидкість оболонки була в 4 рази більшою від швидкості газу, маса пального на старті повинна бути не в 4, а в кілька десятків разів більшою за масу оболонки. А коли врахувати, що під час запуску із Землі на ракету діють і сила опору повітря, крізь яке вона повинна летіти, і притягання до Землі, то можна зробити висновок, що це відношення має бути ще більшим.
На відміну від усіх транспортних засобів ракета може рухатись, по взаємодіючи з іншими тілами, крім як з продуктами згоряння пального, що міститься в ній самій. Саме тому ракети використо- вують для запуску штучних супутників Землі та космічних кораблів і для тих переміщення в космічному просторі, де їм ні на що спиратись і ні від чого відштовхуватись, як це роблять земні засоби транспорту.
У разі потреби ракету можна гальмувати. Саме так роблять космонавти, коли після закінчення польоту треба зменшити швидкість корабля, щоб повернутися на Землю. Зрозуміло, що ракета зменшить свою швидкість, якщо газ із її сопла вилітатиме в той самий бік, куди рухається ракета.
Ідею використання ракет для космічних польотів запропонував ще на початку нашого століття видатний російський учений К. Е. Ціолковський. Цю ідею здійснили радянські вчені й техніки під керівництвом видатного вченого Сергія Павловича Корольова.
Землі й космічних кораблів запущено в космічний простір за допомогою ракет. Завдяки застосуванню ракет люди побували й на Місяці. За допомогою ракет на Місяць доставлено космічні лабораторії, створено штучні супутники Місяця.
Перший в історії штучний супутник Землі було запущено в Радянському Союзі за допомогою ракети 4 жовтня 1957 р.
Першою людиною, яка на штучному супутнику здійснила політ у космічному просторі, був громадянин Радянського Союзу Юрій Олексійович Гагарін. 12 квітня 1961 р. він облетів земну кулю на кораблі-супутнику «Восток».
Радянські ракети першими досягли Місяця, першими облетіли Місяць і сфотографували його невидимий, «зворотний> бік, першими досягли планети Венера. СРСР посідає провідне місце в дослідженні космічного простору.
Будова реактивних двигунів
Реактивний двигун — двигун-рушій, що створює тягу (реактивну) внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння. Бувають турбореактивні, пульсуючі (безкомпресорні), прямоточні (ефективно працюють тільки при надзвукових швидкостях) та ракетні двигуни.
Різновиди
-
Ракетний двигун
-
Повітряно-реактивний двигун
-
Турбореактивний двигун
Схема реактивного авіадвигуна:
-
Впуск повітря;
-
Знижений тиск компресії;
-
Підвищений тиск компресії;
-
Горіння;
-
Вихлоп;
-
Гарячий тракт;
-
Турбіна;
-
Камера згорання;
-
Холодний тракт;
-
Повітрязабірник.
Принцип дії реактивних двигунів
Реактивні двигуни є основним видом силових установок авіаційних, ракетних і космічних літальних апаратів, що створюють прикладену до них реактивну тягу.
Реактивна тяга створюється двигуном, що викидає в навколишнє середовище визначену масу речовини (робочого тіла).
У залежності від способу одержання сили тяги всі реактивні двигуни поділяються на дві основні групи повітряно-реактивні і ракетні.
1 Повітряно-реактивний двигун — тепловий реактивний двигун, у якому як робоче тіло використовується атмосферне повітря, що нагрівається за рахунок хімічної реакції окислення пального атмосферним киснем.
У повітряно-реактивних двигунах основним компонентом робочого тіла, що здійснює термодинамічний цикл, є атмосферне повітря, кисень якого використовується як окислювач для перетворення хімічної енергії палива в теплову.
Повітряно-реактивні двигуни поділяються на двигуни прямої і непрямої реакції. У перших вся корисна робота затрачається тільки на прискорення повітря. В інших велику частину корисної роботи (чи вся) передається рушію (наприклад, гвинту), за допомогою якого утворюється тяга.
Газотурбінні двигуни (ГТД) знаходять найбільше застосування. Основні процеси в них аналогічні тим, що протікають у будь-яких газотурбінних двигунах. ГТД використовуються в основному при помірних швидкостях польоту.
Турбореактивний двигун установлюють на літаках з швидкостями близькими до швидкості звуку, польоту. Параметри робочого тіла (повітря і продуктів згоряння палива в повітрі) - тиск P, температура Т і швидкість W уздовж газоповітряного тракту ТРД змінюються так, як показаний у нижній частині. На зльоті повітря з зовнішнього середовища засмоктується через повітрозабірник. Унаслідок втрат у ньому тиск перед компресором стає трохи нижче тиску зовнішнього середовища. У польоті з великими швидкостями повітря піддається динамічному стиску у вільному струмені і надзвуковому дифузорі, потім стискується в компресорі, швидкість його трохи зменшується, а температура зростає. За камерою згоряння при визначеному коефіцієнті надлишку повітря температура Т продуктів згoрання менше температури полум'я (Тпл) і має значення, при якому забезпечується надійна робота турбіни ГТД. Тиск P продуктів згоряння в камері трохи падає, швидкість зростає.
У двоконтурному турбореактивному двигуні, вхідне у нього повітря, поділяється на два потоки. Перший контур двигуна є звичайним турбогвинтовим двигуном, однак у ньому частина потужності турбіни передається, не зростає. Отримані продукти згоряння розширюються в турбіні (перша ступінь розширення) і в реактивному соплі (друга ступінь розширення). При цьому їхня швидкість постійно зростає, температура і тиск у турбіні знижуються, а в соплі залишаються майже постійними. Турбореактивний двигун з форсажною камерою відрізняється від ТРД наявністю форсажної камери, у якій відбувається додаткове спалювання палива за турбіною.