Как определить тягу двигателя самолета

3. Эффективная тяга силовой установки

Под эффективной тягой силовой установки Рэфпонимают ту часть силы тяги двигателя, которая непосредственно используется для движения самолета, т.е. идет на совершение полезной работы по преодолению лобового сопротивления и инерции летательного аппарата.

По физическому смыслу Рэфявляется равнодействующей всех сил давления и трения, действующих на элементы проточной части со стороны газового потока, протекающего через силовую установку изнутри, и внешнего потока воздуха, обтекающего силовую установку снаружи.

Внутренние силы представляют собой сумму сил давления и трения, действующих на рабочие поверхности силовой установки изнутри. Величина равнодействующей внутренних сил зависит от термодинамического совершенства рабочего процесса двигателя и практически не зависит от способа установки двигателя на летательном аппарате.

Наружные силы представляют собой совокупность сил давления и трения, действующих на силовую установку со стороны обтекающего ее внешнего потока. Эти силы существенно зависят от способа размещения силовой установки на летательном аппарате.

Рассмотрим наиболее простой с точки зрения учета условий внешнего обтекания случай — изолированная силовая установка в отдельной мотогондоле.

Наружная поверхность силовой установки здесь условно разделена на три части: лобовую часть вхМ, центральную часть МКак определить тягу двигателя самолета

и кормовую часть

Как определить тягу двигателя самолетаc

Набегающий поток воздуха разделяется поверхностью тока Н–1–2–вх на внутренний, проходящий через двигатель, и внешний, обтекающий силовую установку снаружи. Сечения в невозмущенном потоке перед силовой установкой, на входе в воздухозаборник и на выходе из сопла двигателя обозначим Н–Н, вх–вх и с–с.

Главной причиной возникновения внешнего сопротивления силовой установки при сверхзвуковых скоростях полета является повышение давления на головном участке гондолы вх–М и наличие разрежения на ее кормовом участке Как определить тягу двигателя самолета–c

. К этому прибавляется сопротивление от сил трения по всей поверхности гондолы от сечения

вх–вх

до сечения

с–с

Эффективная тяга силовой установки, согласно определению, равна

, (2.4)

где Rвн– равнодействующая сил давления и трения, действующих на внутренние поверхности силовой установки;

Rнар– равнодействующая сил давления и трения, действующих на всю наружную поверхность гондолывхМКак определить тягу двигателя самолетаc

Зная характер распределения давлений по наружной поверхности гондолы, величину силы Rнар можно определить непосредственным интегрированием сил давления и трения по этой поверхности. Тогда

, (2.5)

где Как определить тягу двигателя самолетаXтр

– равнодействующие сил давления и трения, приложенные к наружной поверхности гондолы;

dFdS

cos – проекция элемента поверхности гондолы на плоскость, перпендикулярную направлению полета ( – угол между нормалью к элементу поверхности и этой плоскостью).

Величину Rвнопределим, пользуясь уравнением сохранения количества движения для некоторого контрольного объема, включающего все внутренние поверхности силовой установки. В качестве такого контрольного объема выберем объем внутренней струи, заключенный между сечениямиН–Нис–с.

, (2.6)

где pНFНиpсFс– силы давления, приложенные к торцевым поверхностям выделенного участка струи;Как определить тягу двигателя самолета

– равнодействующая сил давления, приложенных к боковой поверхности струи тока

Н–1–2–вхRвн

– равнодействующая сил давления и трения, действующих на внутренние поверхности силовой установки (равная по модулю силе

Как определить тягу двигателя самолета

, действующей со стороны СУ на выделенный контрольный объем газа).

. (2.7)

Подставляя выражения Rнариз (2.6) иRвниз (2.8) в уравнение (2.5), получим

. (2.8)

Для перехода от абсолютных давлений к избыточным воспользуемся следующим очевидным тождеством:

Оно позволяет выражение (2.9) привести к виду

(2.9)

Эта формула является общим выражением эффективной тяги для силовой установки рассмотренной схемы. При этом необходимо иметь в виду, что тяга реактивного двигателя является векторной величиной. Если формулу (2.9) представить в векторной форме, то вектор тяги необязательно будет направлен вдоль оси двигателя, как было принято при выводе, а может отклоняться от нее, например, при полетах со значительными углами атаки или при повороте сопла.

Второе крыло — энергетическая установка

Немалые электрические «аппетиты» ионных и особенно плазменных двигателей наглядно можно показать на примере VASIMR. Достаточно небольшой плазменный двигатель VX-200SS давно хотят отправить для испытаний на МКС. Если установить его на станцию, то можно радикально сократить расходы на постоянные усилия по поддержанию орбиты МКС.

Но установить VASIMR на МКС оказалось отнюдь не просто. Вся доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, хотя станция сегодня обладает самой внушительной площадью солнечных батарей и является самым энергетически мощным объектом человечества в космосе.

Следующий, напрашивающийся шаг после испытаний на МКС — это использование VASIMR для целей орбитального буксира. Например, если мы хотели бы достичь Луны за короткий промежуток времени, сопоставимый с временем полёта миссии «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы 5 двигателей VХ-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии.

Чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна-5», сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, такой буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Однако получить 1,5 МВт электроэнергии за счёт солнечных батарей — это пока что очень сложная задача.

Для получения 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной в 71 метр, гораздо больше любых существующих конструкций, включая МКС.

Сейчас читают:  Как пользоваться зимой кондиционером в логане

И вот здесь как раз и может сыграть роль опыт России в создании космических ядерных энергетических установок. Ещё в 2009 году Роскосмосом была начата программа создания транспортно-энергетического модуля, ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) которого должна была обеспечивать около 1 МВт электрической мощности, чего бы хватило не только для околоземного, но и в перспективе — для лунного буксира.

При мощности в 32-35 кВт российские двигатели ИД-500 обеспечили тягу в 375-750 мН и удельный импульс в 71 км/с.

Пока что дальнейшая судьба уникальных российских разработок неизвестна, хотя ещё в январе 2020 года транспортно-энергетический модуль с ЯЭДУ фигурировал в презентации первого заместителя генерального директора Роскосмоса, Юрия Урличича. Представленный на «Королёвских чтениях» доклад сообщал о планах запустить в 2030 году на орбиту космический ядерный буксир для проведения его летных испытаний.

Насколько декларации Урличича и Блошенко соотносятся с реальными действиями представляемого ими Роскосмоса — вопрос открытый. Да, человечеству нужна новая космическая скорость.

Да, у России есть уникальные наработки. И только от руководителей космической отрасли России зависит, насколько быстро все эти разработки воплотятся в новую реальность. В ту самую «птицу-феникс», которая домчит людей и до Луны, и до Марса, и даже дальше.

Магия удельного импульса

Удельный импульс двигателя — это, можно сказать «святой Грааль» космического двигателестроения. Измеряется удельный импульс в метрах в секунду и его физический смысл прост — это скорость истечения рабочего тела. От чего, в свою очередь, прямо зависит и скорость космического корабля.

Фраза о «рабочем теле» вместо «продуктов сгорания» химического двигателя взялась неслучайно — во многих космических двигателях ничего не горит, а кинетическая энергия и импульс «закачиваются» в рабочее тело иными способами. Например, в ионном или плазменном двигателе рабочее тело разгоняется в электромагнитном поле.

А в солнечном парусе импульс и вовсе передаётся в обратную сторону — от фотонов солнечного ветра на конструкции паруса, закреплённого на космическом корабле.

Чем выше удельный импульс двигателя — тем большее приращение скорости можно получить за счёт эквивалентного количества рабочего тела. А рабочее тело, напомним, нам надо каким-то образом ещё вывести на околоземную орбиту вместе с космическим кораблём.

Ну — или добыть на какой-нибудь негостеприимной Луне, Марсе или астероидах, тоже с немалыми затратами. Приращение космических скоростей обозначают символом Dv и считают в его балансе как ускорения, так и торможения — ведь на каждое из таких действий в космосе требуется расходы рабочего тела.

Удельный импульс лучших кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей, которые пригодны для старта с Земли, составляет около 4500 м/с. Кажущаяся громадной цифра скорости истечения (без малого в 4,5 километра в секунду) оказывается предельно скромной для обеспечения выхода гравитационного колодца Земли — ракета буквально «выползает» на орбиту, да ещё и сбрасывая ступени.

Ещё печальнее становилась ситуация, если на химических двигателях просчитывали полёт куда-то дальше, чем Луна, например, к Марсу. Когда американцы в 1960 годах посчитали стоимость полёта на Марс на химическом топливе, они ужаснулись. Получалось, что от Земли надо стартовать кораблём массой в 4 000 тонн, для вывода которого на околоземную орбиту потребуется минимум 40 ракет, эквивалентных «Сатурну-5».

Немного улучшить ситуацию могли ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Разработки, проведенные в СССР и США в 1960 годах показали, что ЯРД могут иметь удельный импульс в пределе 8500-9500 м/с — вдвое больше, чем у лучших ЖРД. Но даже уникальный ЯРД не обеспечивал настоящего освоения Марса — на орбите Земли пришлось бы всё равно собирать громадного «марсианского монстра» весом больше 1200 тонн, а результатом бы была двухлетняя экспедиция на Марс трёх космонавтов, причём на Марсе они бы провели всего 30 суток.

Так что, всё, Марс недостижим? Нет, не так. Ведь ЯРД — отнюдь не рекордсмен в части величины удельного импульса, а разгонятся к Марсу или другим планетам можно медленно и не спеша. Но в итоге получить впечатляющую скорость перелёта и прилететь даже быстрее корабля с ЯРД.

Тяга к звездам

Освоение космоса – возможно, самая сложная из технологических задач, когда-либо стоявших перед человечеством. Проблем с ней не перечесть, но первая из них, конечно, проблема запуска космических аппаратов с Земли и их передвижения в космосе. И хотя современные реактивные двигатели являются настоящими шедеврами технологий, соединяющими самые последние достижения в области химии, физики, материаловедения и множества других областей, их эффективность, тяга и расход топлива, увы, не позволяют всерьез говорить об освоении даже Солнечной системы, не говоря уж об огромных пространствах Вселенной. Будущее требует принципиально новых решений.

Реактивно!

Принцип работы реактивного двигателя настолько прост, что в элементарном виде его собирают даже школьники в кружках юных техников. Однако настоящий, мощный ракетный реактивный двигатель – продукт колоссальной сложности, в полной мере производство которого до сих пор освоили лишь три страны мира – СССР (Россия), США и Китай.

В отличие от привычных всем двигателей внутреннего сгорания, в реактивных нет ни цилиндров, ни поршней, создающих вращательное движение. В основе их действия лежит закон сохранения импульса, который вытекает из Третьего закона Ньютона: «Сила действия равна силе противодействия».

Тяга создается мощным потоком частиц, выбрасываемых в ходе сгорания топлива. Вылетая в одну сторону, эти частицы придают ракете или космическому аппарату ускорение, направленное в противоположную сторону. Чем больше масса и ускорение потока частиц – тем больше создаваемая ими реактивная тяга.

В традиционном реактивном двигателе, первые из которых были разработаны еще до Второй мировой войны, поток частиц представляет собой раскаленный газ, продукт реакции топлива и окислителя. Эта плазма, вырывающаяся из сопел реактивного двигателя, может образовываться из твердого или жидкого топлива – соответственно, химические двигатели различают твердотопливные и жидкостные.

Сейчас читают:  Влияние температуры на вязкость газов

Вначале было твердое топливо

В современных твердотопливных двигателях, разумеется, смеси используются намного более эффективные – например, такая: перхлорат аммония (окислитель, около 70% по весу), алюминий (основное топливо, 16%), оксид железа (катализатор, 0,4%), полимеры и эпоксиды (обеспечивают контакт топлива и окислителя и равномерность горения, около 14%).

Твердотопливные двигатели дешевы, просты и безопасны, однако однажды запущенный процесс горения уже невозможно ни остановить, ни контролировать. Поэтому сегодня их чаще используют не для космических, а, скажем, для межконтинентальных баллистических ракет (МБР), работающих по принципу «выстрелил – и забыл». В космических же носителях обычно устанавливаются двигатели жидкостные.

Жидкое топливо: старт космической эры

Первые жидкостные реактивные двигатели (ЖРД) стали появляться в 1920-х годах, благодаря работам знаменитого физика Роберта Годдарда, в честь которого сегодня назван один из крупнейших исследовательских центров NASA. Годдарду удалось решить целый ряд проблем, связанных с конструированием и использованием таких двигателей, включая накачку топлива и охлаждение, а главное – создать принципиальную схему такого двигателя.

Схема проста до гениальности: жидкое топливо (Годдард использовал бензин) и жидкий окислитель (кислород) помещаются в раздельные баки, откуда с помощью специальных насосов по раздельным каналам подаются в камеру сгорания. Здесь происходит реакция, раскаленные продукты которой на большой скорости вылетают из сопла, создавая тягу.

Конечно, в реальности современный ЖРД – система куда более сложная, нежели эта принципиальная схема Годдарда. Достаточно сказать, что в качестве топлива и окислителя в них используются сжиженные газы, которые необходимо держать при низкой температуре и моментально нагревать перед подачей в камеру сгорания.

Для этого найдены весьма изощренные технические решения – например, в соплах некоторых двигателей высверливаются каналы, по которым топливо течет, нагреваясь от раскаленного сопла. Такая технология настолько сложна, что ни американские, ни китайские двигателестроители ее до сих пор не освоили.

Математика шаттлов

Сами американские космические корабли Space Shuttle, недавно «списанные в запас», весили около 75 тонн. Внешний топливный бак для каждого из них (пустой) добавлял еще 35 тонн. Приплюсуем сюда еще пару твердотопливных ускорителей по 83 тонны каждый. Это только вес нетто – теперь нам понадобится топливо:

около 100 тонн жидкого водорода и 616 тонн окислителя – жидкого кислорода. Итого мы получим порядка 2000 тонн веса – все для того, чтобы вывести на орбиту 75-тонный корабль, а точнее – полезный груз, масса которого может достигать около 25 тонн. При этом вся колоссальная масса топлива сгорает в считанные минуты: при запуске твердотопливные двигатели работают около 2 минут, а включающиеся затем три основных двигателя корабля – еще 8 минут. Выглядит не слишком эффективно.

Многим хороши химические реактивные двигатели: тяга их остается непревзойденной и уже позволила человечеству высадить своих представителей на Луне, а также отправить космические аппараты к дальним пределам Солнечной системы. Однако есть у них одно существенное ограничение.

Разумеется, химики непрерывно бьются над созданием все более эффективно сгорающего топлива и все более агрессивных окислителей, но процесс это сложный и уже практически достиг потолка своих возможностей. Увеличивать же массу еще сложнее: для разгона дополнительного топлива требуется еще больше топлива – количество его растет логарифмически. Для свободного космического полета требуются новые решения.

Ядерные-термоядерные

Первые ядерные двигатели появились в космосе достаточно давно – в виде РИТЭ­Гов, радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Суть их работы проста: распад радиоактивного топлива конвертируется в тепловую и/или электрическую энергию. Плутониевые РИТЭГи питают многие космические аппараты – дальние зонды, не требующие огромной тяги и добирающиеся до своей цели годами.

Тяга«Сила» реактивного двигателя, с которой он толкает аппарат сквозь пространство, называется его тягой и измеряется в Ньютонах. Точкой приложения реактивной тяги считается центр истечения продуктов сгорания – центр среза сопла двигателя, а направление – противоположно вектору скорости этого истечения.

Работы по созданию космических двигателей с ядерной силовой установкой продолжаются сегодня и в России, и в США. Простейшие расчеты показывают, что лишь они сделают по-настоящему доступными ближайшие планеты и тела Солнечной системы. А когда человечество, наконец, обуздает термоядерную энергию, реакторы станут еще в несколько раз более эффективны.

ИОНЫ: ТОПЛИВО ПО ГРАММАМ

Однако и этим спектр возможных решений не исчерпывается. Создавать реактивную тягу можно с помощью, фактически, любого источника энергии – РИТЭГа, солнечной батареи или просто аккумулятора. Создаваемое им электростатическое поле ионизирует газ, разгоняя полученные ионы до очень высоких скоростей, недоступных для классических реактивных двигателей.

Рабочим телом такого электрического двигателя может служить водород или легкий инертный газ, обычно ксенон или аргон, – с подобными решениями экспериментировал еще Роберт Годдард. И хотя для создания серьезной тяги мощности их недостаточно, они могут работать буквально годами, расходуя топливо считанными граммами, и за большие промежутки времени разгоняют не слишком большие аппараты до очень приличных скоростей.

Сейчас читают:  Двигатель Рено Логан - 1.4 или 1.6 и какой двигатель лучше 8 или 16 клапанный

Скажем, ионный двигатель используется в качестве основного на дальнем зонде Dawn, который ведет исследования Главного пояса астероидов, и на японском аппарате Hayabusa, который доставил на Землю образцы вещества с астероида Итокава. Впрочем, как правило, их используют в качестве двигателей коррекции и ориентации для поддержания орбиты спутников – а вскоре ионный двигатель VASIMR может заработать и на МКС.

Суперсила антивещества

И теоретические расчеты, и практические эксперименты показывают, что античастицы, встречаясь с частицами обычной материи, аннигилируют, высвобождая неслыханную энергию. Килограмм антивещества и килограмм вещества выделят энергии на 43 мегатонны в тротиловом эквиваленте – почти столько же, сколько при взрыве легендарной 26-тонной «Царь-бомбы».

Перспективы это сулит огромные – ра­счеты показывают, что перелет к Марсу благодаря подобным двигателям может занять уже не год, а всего месяц – так что ученые достаточно серьезно рассматривают возможности их использования в будущем, когда они позволят нам передвигаться не только в пределах Солнечной системы, но и добраться до соседних звезд.

Межзвездный прямоточный двигатель Бассарда – концепция ракетного двигателя для межзвездных полетов, предложенная в 1960 году физиком Робертом Бассардом. Основой концепции является захват вещества межзвездной среды (водорода и пыли) идущим на высокой скорости космическим кораблем и использование этого вещества в качестве рабочего тела (либо непосредственно топлива) в термоядерном ракетном двигателе корабля.

Казалось бы, можно заняться разработкой? К сожалению, прежде придется решить целый ряд технологических задач, которые пока выглядят совершенно неподъемными. Первая из них – крошечные количества антивещества, доступные нам. Пока его получают лишь считанными античастицами и при огромных затратах.

По счастью, перспективы в этой области достаточно радужные: по оценке некоторых специалистов, от создания настоящего двигателя на антивеществе нас отделяют буквально десятилетия. В 2000 году в NАSA объявили о проекте по разработке пока небольшого двигателя, для работы которого требуется совсем крошечное количество античастиц – для перелета к тому же Марсу достаточно будет 10 граммов антипротонов.

Проектируемый двигатель на антивеществе будет включать три ключевых компонента. Электромагнитная тороидальная камера позволит хранить топливо. Система подачи будет сталкивать частицы с античастицами. Электромагнитное сопло обеспечит выброс энергии в нужном направлении, создавая тягу для космического корабля.

Сминая пространство-время

Единственный известный двигатель подобного типа установлен на крейсере USS Enterprise из культового сериала «Звездный путь»: пока что подобная технология относится лишь к жанру научной фантастики. Однако теоретически лишь такой подход способен обеспечить человечеству перемещение со сверхсветовой скоростью, а вместе с ним – подлинную свободу передвижения по всем неоглядным просторам Вселенной.

Например, выкладки эйнштейновских теорий нарушаться не будут: движение так и останется досветовым, моментальным станет лишь перемещение. Сразу – из одной точки пространства – в другую. Куда угодно. Более того, именно из Общей теории относительности вытекает сам принцип «пространственно-временного двигателя» (ПВД).

Вспомним, что, согласно ОТО, гравитация является геометрическим аспектом пространства-времени: чем больше масса объекта – тем сильнее искажается его прямолинейный континуум в его окрестностях. Именно этот аспект гравитации позволяет (в теории) манипулировать пространством-временем.

Физик из NASA Гарольд Уайт (Harold White) занят будущим: он работает над футуристическим проектом космического корабля с варп-двигателем, способным сминать пространство-время. А пока будущее не наступило, Уайт и художник-моделлер Майк Окуда (Mike Okuda) создали модели того, как будут выглядеть эти фантастические крейсеры.

К сожалению, расчеты показывают, что энергии для таких манипуляций понадобится невероятно много. Нужного количества не даст даже слияние вещества и антивещества – точнее говоря, для этого его понадобится столько, что мы вряд ли сможем загрузить такое «топливо» даже в USS Enterprise.

Быть может, в будущем эту энергию удастся каким-то образом получать из самых мощных объектов известных нам – сверхмассивных черных дыр. А быть может, сами они послужат «червоточинами», нырнув в которые космический корабль сумеет вынырнуть где-то в совершенно иной части Вселенной. Но это уже совсем другая история.

Что же касается EmDrive, то данной теме посвящена целая статья в свежем номере журнала Naked Science. Выход номера уже через неделю.

Источник

Закладка Постоянная ссылка.
1 ЗвездаНельзя так писать о ЛоганеЧто-то о новом Логане так себе написаноЛоган - супер машинаРено Логан лучше всех! (1 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...