Основи роботи реактивних двигунів

ОСНОВИ РОБОТИ РЕАКТИВНИХ ДВИГУНІВ

Володимир АЛЕКСЕЕНКО

Комунальний заклад «Нікопольський фаховий медичний коледж» Дніпропетровської обласної ради»

Закон збереження імпульсу

 При вивченні взаємодії між тілами дією деяких сил можна знехтувати, оскільки вона не є суттєвою. В такому випадку таку систему тіл називають замкнутою, оскільки не враховують вплив інших тіл на дану систему. Наприклад: щеплення вагонів.

 В цьому випадку можна знехтувати впливом на вагони сили тяжіння та сили реакції опори, суттєвими є лише маси вагонів та їх швидкості, тому систему таких вагонів можна назвати замкнутими.

 Група об’єднаних за певною спільною ознакою тіл, які не діють на інші тіла або дія яких несуттєва за даних умов, називається замкнутою (ізольованою) системою.

  Закон збереження імпульсу - один із фундаментальних законів фізики,який стверджує, що у замкненій системі сумарний імпульс усіх тіл зберігається.

 Векторна сума імпульсів тіл, які входять у замкнену систему, залишається сталою:

 У замкненій системі тіл векторна сума імпульсів тіл до взаємодії дорівнює векторній сумі імпульсів тіл після взаємодії.

• При пружному ударі двох тіл, обидва тіла набувають нові швидкості.

• При непружном ударі тіла з`єднуються та після удару рухаються разом.

Реактивний рух у природі та техніці.

 Закон збереження імпульсу має широке практичне застосування. Цей закон дозволяє пояснити реактивний рух.

 Реактивний рух – це рух, що виникає, внаслідок відділення з певною швидкістю від тіла якоїсь його частини.

 Особливість цього руху полягає в тому, що прискорення чи гальмування тіла відбувається без будь-якої взаємодії з оточуючими тілами, тобто тіло набуває імпульсу в результаті того, що його маса постійно змінюється.

 Відповідно до закону збереження імпульсу загальний імпульс системи залишається незмінним і дорівнює нулю:

m_пv_п+ m_кv_{к =} 0 звідки v_к= - m_пv_п/ m_к

 Розглянемо основи реактивного руху на прикладі ракети.

У головній частині ракети (1) розташована кабіна космонавтів і прилади. На початку польоту маса цієї частини становить усього кілька відсотків від загальної маси ракети. Основна ж маса та об’єм ракети на початку польоту припадає на запас пального. У баках міститься пальне (2) та окиснювач (3), які через форсунки потрапляють у камеру згорання. За високої температури й великого тиску в камері згорання пальне перетворюється на газ (продукт згорання). Продукти згорання викидаються через сопла. Під час викидання продуктів згорання й утворюється реактивна тяга, що рухає транспортний засіб.

 Принцип реактивного руху широко використовується деякими живими організмами для переміщення в воді. Реактивний рух властивий восьминогам, кальмарам, каракатицям і медузам. Усі вони використовують для плавання реакцію (віддачу) струменя води, який викидається. У м'язах кальмара в результаті складних перетворень хімічна енергія переходить у механічну (в енергію руху).

 Багато хто з нас у своєму житті зустрічався під час купання в морі з медузами. У всякому разі, в Чорному морі їх багато. Але мало хто замислювався, що і медузи для пересування користуються реактивним рухом. Крім того, саме так пересуваються і личинки метеликів, і деякі види морського планктону. І найчастіше ККД морських безхребетних тварин при використанні реактивного руху набагато вище, ніж у техновиробів.

 Кальмар є найкрупнішим безхребетним мешканцем океанських глибин. Він пересувається за принципом реактивного руху, вбираючи в себе воду, а потім з величезною силою проштовхуючи її через особливий отвір – «воронку», і з великою швидкістю рухається поштовхами назад. При цьому всі десять щупалець кальмара збираються у вузол над головою і він набуває обтічної форми. Переміщуючись реактивним способом кальмари можуть розвивати швидкість до 70 км/год і вискакувати з води на висоту 5-8 метрів.

 Морський молюск – гребінець, різко стискаючи створки раковини, ривками може рухатися, причому відкритим краєм раковини вперед. Мантія морського гребішка має особливу оторочку, яка направляє струю води до спини, де по обидві сторони від хрящової зв’язки вода викидається.

 Реактивний рух особливо важливе практичне значення має під час надання руху реактивним літакам і ракетам. Ракетні двигуни чудові тим, що здатні працювати не лише в повітрі, але й у безпові­тряному просторі, оскільки кисень, необхідний для горіння палива, входить до його складу. Тому вони використовуються для польо­тів у верхніх, дуже розріджених шарах атмосфери, для виведення на орбіту штучних супутників Землі, руху космічних кораблів.

Реактивний  двигун. Космічні польоти та реактивний рух.

 Реактивний двигун — це двигун, що перетворює хімічну енер­гію палива на кінетичну енергію газового струменя, при цьому двигун дістає швидкість у зворотному напрямі.

 Історична довідка. Прообразом сучасних реактивних двигунів можна вважати «кулю Герона», або «еоліпіл». Цей пристрій був створений у І ст. давньогрецьким математиком і механіком Героном з Александрії. Пара, що виходить із закріплених на кулі зігнутих трубочок (сопел), змушує кулю обертатися.

 Ракета – літальний апарат, який переміщується в просторі завдяки реактивній тязі, що виникає внаслідок відкидання ракетою частини власної маси.

 Ракетний двигун — різновид реактивного двигуна, у якому робоче тіло міститься в об'єкті. Практичне застосування мають переважно ракетні двигуни, у яких тяга створюється внаслідок спалювання палива, кисень для цього використовується з окиснювача. Ракетні двигуни приводять у дію ракети-носії космічних кораблів та ракетних снарядів. Даний тип двигунів використовує принцип протидії газам. Гази утворюються шляхом спалювання палива, яке може бути твердим або рідким.

 Із сопла ракети з величезною швидкістю вилітають продукти згоряння палива (розпечені гази) і, відповідно до закону збережен­ня імпульсу, ракета отримує найсильніший «поштовх» у проти­лежному напрямі:

 Які висновки можна зробити з формули?

• чим більша маса газу що вилітає тим більша і швидкість оболонки;
• чим більша швидкість газу що вилітає тим більша і швидкість оболонки;
• чим менша маса оболонки тим більша її швидкість.

 В реальних ракетах газ витікає з певною швидкістю – тому ракети рухаються з значно меншими швидкостями. Реальна швидкість ракети буде значно меншою, оскільки поблизу Землі спостерігається опір повітря, і паливо повністю згоряє не відразу, а поступово. При цьому маса ракети також зменшується поступово. Закони руху тіл змінної маси набагато складніші. Вони були досліджені вченими І. В. Мещерським і                                 К. Е. Ціолковським. 

Одні з перших рідинних реактивних двигунів були розроблені під керівництвом українського й радянського вченого, академіка В. П. Глушка. Реактивні двигуни його конструкції  забезпечували надійну роботу перших космічних апаратів.

12 квітня 1961 р. ракета-носій «Восток» вивела на орбіту космічний корабель «Восток», на борту якого був перший у світі космонавт Ю. О. Гагарін. Цей політ був здійснений за ініціативою та під керівництвом видатного конструктора С. П. Корольова (1907–1966), уродженця                      м. Житомира.

В 1962 році в космос відправився Павло Романович Попович – перший радянський космонавт з України, 4 в СРСР, 6 в світі.

В 1997 році в космос полетів перший  космонавт незалежної України Леонід Каденюк - 19 листопада 1997 року на борту американського корабля багаторазового використання «Колумбія», здійснив космічний політ як експериментатор, що тривав 15 діб 16 годин 35 хвилин 1секунду.

 Після російського вторгнення в Україну 2022 року, Україна запровадила ракетну програму. Ракетна програма України - комплекс відновлювальних дій щодо ракетного потенціалу України, яка активно впроваджується й розроблюється після початку військової агресії Росії. Є стратегічним чинником до військової безпеки України після втрати ядерного статусу України. Україна має все необхідне для виробництва ракет - у тому числі розробку корпусу, бойової частини, пускової установки і системи управління, тверде ракетне паливо. Потенціал виробництва у тому, що Україна виробляє сама всі складові бойових ракет, що у свою включає повний цикл виробництва.(див. Додаток 1)

ЛІТЕРАТУРА:

1. Коршак Е.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика 10 клас. - Київ, «Генеза», 2011.- 191 с.
2. Божинова Ф.Я., Каплун С.В., Кірюхіна О.О. Лабораторні работи 10 клас. –Харків: «Ранок», 2014 - 48с.
3. Демкович В.П. Збірник задач з фізики для 10-11 класу. - К., 2004.
4. Римкевич А.П., Римкевич П.А. Збірник задач 9-11кл.- Київ, 2011.- 176 с.
5. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. - К.: Высшая школа, 1983.
6. https://uk.wikipedia.org/wiki/Ракетні_війська

Додаток 1

Проєкти та розробка ракетних систем України