Толкать

Сила реакции

Самолет Lockheed Martin F-35 Lightning II выполняет вертикальный подъем с помощью реактивного двигателя Pratt & Whitney F135 , который развивает тягу 43 000 фунтов силы (190 000 Н). ^[1]

Тяга — это сила реакции, количественно описываемая третьим законом Ньютона . Когда система выталкивает или ускоряет массу в одном направлении, ускоренная масса вызовет силу равной величины, но противоположного направления, приложенную к этой системе. ^[2] Сила, приложенная к поверхности в направлении, перпендикулярном или нормальном к поверхности, также называется тягой. Сила, и, следовательно, тяга, измеряется с использованием Международной системы единиц (СИ) в ньютонах (символ: Н) и представляет собой величину, необходимую для ускорения 1 килограмма массы со скоростью 1 метр в секунду за секунду . ^[3] В машиностроении сила, ортогональная основной нагрузке (например, в параллельных косозубых передачах ), называется статической тягой .

Примеры

Силовая установка самолета с фиксированным крылом создает прямую тягу, когда воздух толкается в направлении, противоположном полету. Это может быть сделано разными способами, такими как вращающиеся лопасти винта , реактивная струя реактивного двигателя или выброс горячих газов из ракетного двигателя . ^[4] Обратная тяга может быть создана для облегчения торможения после посадки путем изменения шага лопастей винта с изменяемым шагом или с помощью реверсора тяги на реактивном двигателе. Самолеты с винтокрылым крылом используют роторы и вектор тяги Самолеты V/STOL используют винты или тягу двигателя для поддержки веса самолета и обеспечения движения вперед.

Гребной винт моторной лодки при вращении создает тягу и отбрасывает воду назад.

Ракета движется вперед силой тяги , равной по величине, но противоположной по направлению скорости изменения импульса выхлопного газа, ускоренного из камеры сгорания через сопло ракетного двигателя. Это скорость выхлопа относительно ракеты, умноженная на скорость выбрасывания массы, или в математических терминах:

${\displaystyle \mathbf {T} =\mathbf {v} {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}}$

Где T — создаваемая тяга (сила), — скорость изменения массы по времени (массовый расход выхлопных газов), а v — скорость выхлопных газов, измеренная относительно ракеты. ${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}}$

Для вертикального запуска ракеты начальная тяга при старте должна быть больше веса.

Каждый из трех главных двигателей космического челнока мог развивать тягу в 1,8  меганьютона , а каждый из двух твердотопливных ракетных ускорителей космического челнока — 14,7  МН (3 300 000  фунтов силы ), что в совокупности составляло 29,4 МН. ^[5]

Напротив, упрощенная система спасения при выходе из космоса (SAFER) имеет 24 двигателя по 3,56 Н (0,80 фунт-силы) каждый. ^[6]

В категории воздушно-реактивных двигателей реактивный двигатель AMT-USA AT-180, разработанный для радиоуправляемых самолетов, развивает тягу 90 Н (20 фунт-сил ). ^[7] Двигатель GE90 -115B, установленный на Boeing 777 -300ER, признанный Книгой рекордов Гиннесса «Самым мощным коммерческим реактивным двигателем в мире», имел тягу 569 кН (127 900 фунт-сил), пока его не превзошел GE9X , установленный на готовящемся к выпуску Boeing 777X , с тягой 609 кН (134 300 фунт-сил).

Концепции

Тяга к власти

Мощность, необходимая для создания тяги, и сила тяги могут быть связаны нелинейным образом. В общем случае, . Константа пропорциональности изменяется и может быть решена для равномерного потока, где — скорость входящего воздуха, — скорость на диске привода, — конечная скорость выхода: ${\displaystyle \mathbf {P} ^{2}\propto \mathbf {T} ^{3}}$ ${\displaystyle v_{\infty }}$ ${\displaystyle v_{d}}$ ${\displaystyle v_{f}}$

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=\rho A{v}}$

${\displaystyle \mathbf {T} ={\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}\left(v_{f}-v_{\infty }\right),{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=\rho Av_{d}}$

${\displaystyle \mathbf {P} ={\frac {1}{2}}{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}(v_{f}^{2}-v_{\infty }^{2}),\mathbf {P} =\mathbf {T} v_{d}}$

Решая для скорости на диске, мы тогда имеем: ${\displaystyle v_{d}}$

${\displaystyle v_{d}={\frac {1}{2}}(v_{f}-v_{\infty })}$

Когда входящий воздух ускоряется из состояния покоя, например, при зависании, то , и мы можем найти: ${\displaystyle v_{\infty }=0}$

${\displaystyle \mathbf {T} ={\frac {1}{2}}\rho A{v_{f}}^{2},\mathbf {P} ={\frac {1}{4}}\rho A{v_{f}}^{3}}$

Отсюда мы можем увидеть взаимосвязь, обнаружив: ${\displaystyle \mathbf {P} ^{2}\propto \mathbf {T} ^{3}}$

${\displaystyle \mathbf {P} ^{2}={\frac {\mathbf {T} ^{3}}{2\rho A}}}$

Обратная величина константы пропорциональности, «эффективность» в остальном совершенного движителя, пропорциональна площади поперечного сечения перемещаемого объема жидкости ( ) и плотности жидкости ( ). Это помогает объяснить, почему движение по воде проще и почему у самолетов винты намного больше, чем у судов. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \rho }$

Тяга к тяговой мощности

Очень распространенный вопрос: как сравнить тягу реактивного двигателя с мощностью поршневого двигателя? Такое сравнение затруднительно, так как эти величины не эквивалентны. Поршневой двигатель не двигает самолет сам по себе (это делает пропеллер), поэтому поршневые двигатели обычно оцениваются по тому, какую мощность они передают пропеллеру. За исключением изменений температуры и давления воздуха, эта величина в основном зависит от настройки дроссельной заслонки.

Реактивный двигатель не имеет пропеллера, поэтому тяговая мощность реактивного двигателя определяется его тягой следующим образом. Мощность — это сила (F), необходимая для перемещения чего-либо на некоторое расстояние (d), деленная на время (t), необходимое для перемещения на это расстояние: ^[8]

${\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}}$

В случае ракеты или реактивного самолета сила — это в точности тяга (T), создаваемая двигателем. Если ракета или самолет движется с примерно постоянной скоростью, то расстояние, деленное на время, — это просто скорость, поэтому мощность — это тяга, умноженная на скорость: ^[9]

${\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {T} {v}}$

Эта формула выглядит очень удивительно, но она верна: тяговая мощность (или доступная мощность ^[10] ) реактивного двигателя увеличивается с его скоростью. Если скорость равна нулю, то тяговая мощность равна нулю. Если реактивный самолет находится на полном газу, но прикреплен к статическому испытательному стенду, то реактивный двигатель не вырабатывает тяговой мощности, однако тяга все еще создается. Комбинация поршневой двигатель -пропеллер также имеет тяговую мощность с точно такой же формулой, и она также будет равна нулю при нулевой скорости, но это для комплекта двигатель-пропеллер. Двигатель в одиночку будет продолжать вырабатывать свою номинальную мощность с постоянной скоростью, независимо от того, движется самолет или нет.

Теперь представьте, что прочная цепь разорвана, и реактивный и поршневой самолеты начинают двигаться. На малых скоростях:

Поршневой двигатель будет иметь постоянную 100% мощность, а тяга пропеллера будет меняться в зависимости от скорости.
Реактивный двигатель будет иметь постоянную 100% тягу, а мощность двигателя будет меняться в зависимости от скорости.

Избыточная тяга

Если самолет с двигателем создает тягу T и испытывает сопротивление D, то разница между ними, T − D, называется избыточной тягой. Мгновенные характеристики самолета в основном зависят от избыточной тяги.

Избыточная тяга является вектором и определяется как разность векторов тяги и сопротивления.

Ось тяги

Ось тяги для самолета — это линия действия полной тяги в любой момент времени. Она зависит от расположения, количества и характеристик реактивных двигателей или винтов. Обычно она отличается от оси сопротивления. Если это так, то расстояние между осью тяги и осью сопротивления вызовет момент, которому необходимо противостоять изменением аэродинамической силы на горизонтальном стабилизаторе. ^[11] Примечательно, что Boeing 737 MAX с более крупными, низкорасположенными двигателями, чем предыдущие модели 737, имел большее расстояние между осью тяги и осью сопротивления, что приводило к подъему носа в некоторых режимах полета, что требовало системы управления по тангажу MCAS . Ранние версии MCAS давали сбои в полете с катастрофическими последствиями, что привело к гибели более 300 человек в 2018 и 2019 годах. ^{[12] [13]}

Смотрите также

• Аэродинамическая сила  – сила, действующая на тело при его движении через воздух или газ.
• Задний ход  – использование движительного механизма судна для создания тяги в обратном направлении.
• Тяга газотурбинного двигателя
• Карданная тяга  – система управления вектором тяги, используемая в ракетах Pages displaying short descriptions of redirect targets(наиболее распространена в современных ракетах).
• Фунт (сила)  – сила притяжения Земли, действующая на массу в один фунт.
  • «Фунт тяги»: тяга (сила), необходимая для ускорения одного фунта со скоростью один g.
• Усреднение тяги потока  – процесс преобразования трехмерного потока в одномерный
• Тяговооружённость  – безразмерное отношение тяги к массе реактивного или винтового двигателя.
• Управление вектором тяги  – аспект баллистики и аэронавтики
• Реверс тяги  — временное изменение тяги двигателя самолета.
• Тяговое усилие  — термин из машиностроения, обозначающий величину тягового усилия.

Ссылки

1. "Lockheed Martin F-35 Joint Strike Fighter успешно выполнил первую вертикальную посадку". Медиа - Lockheed Martin . Получено 4 апреля 2024 г. .
2. "Что такое Thrust?". www.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 14 февраля 2020 г. Получено 2 апреля 2020 г. .
3. "Сила и движение: определение, законы и формула | StudySmarter". StudySmarter UK . Получено 12 октября 2022 г. .
4. "Третий закон движения Ньютона". www.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 3 февраля 2020 года . Получено 2 апреля 2020 года .
5. "Космические ракеты-носители - Space Shuttle". www.braeunig.us . Архивировано из оригинала 6 апреля 2018 года . Получено 16 февраля 2018 года .
6. Handley, Patrick M.; Hess, Ronald A.; Robinson, Stephen K. (1 февраля 2018 г.). «Descriptive Pilot Model for the NASA Simplified Aid for Extravehicular Activity Rescue». Journal of Guidance, Control, and Dynamics . 41 (2): 515–518. Bibcode : 2018JGCD...41..515H. doi : 10.2514/1.G003131. ISSN  0731-5090.
7. "Информация о реактивном двигателе AMT-USA". Архивировано из оригинала 10 ноября 2006 г. Получено 13 декабря 2006 г.
8. Юн, Джо. "Преобразование тяги в лошадиные силы". Архивировано из оригинала 13 июня 2010 года . Получено 1 мая 2009 года .
9. Йехоут, Томас; Моррис, Стивен. Введение в механику полета самолетов . ISBN 1-56347-577-4.
10. Андерсон, Дэвид; Эберхардт, Скотт (2001). Понимание полета . McGraw-Hill. ISBN 0-07-138666-1.
11. Кермод, AC (1972) Механика полета , Глава 5, 8-е издание. Pitman Publishing. ISBN 0273316230 
12. "Система управления под пристальным вниманием после крушения Ethiopian Airlines". Al Jazeera . Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 года . Получено 7 апреля 2019 года .
13. "Что такое система улучшения характеристик максимального маневрирования Boeing 737?". The Air Current . 14 ноября 2018 г. Архивировано из оригинала 7 апреля 2019 г. Получено 7 апреля 2019 г.