stringtranslate.com

Реактивное движение

Реактивный двигатель Boeing 787 Dreamliner .
Водомет на пароме.

Реактивное движение — это движение объекта в одном направлении, производимое выбросом струи жидкости в противоположном направлении. По третьему закону Ньютона движущееся тело движется в направлении, противоположном струе. К реактивным двигателям, работающим по принципу реактивного движения, относятся реактивный двигатель , используемый для движения самолётов , насосно-реактивный двигатель, используемый для движения морских кораблей , а также ракетный двигатель и плазменный двигатель , используемый для движения космических кораблей . Подводное реактивное движение также используется некоторыми морскими животными, в том числе головоногими моллюсками и сальпами , а летающий кальмар даже является единственным известным примером воздушного полета на реактивном двигателе в животном мире.

Физика

Реактивное движение создается некоторыми реактивными двигателями или животными , когда тяга создается быстро движущейся струей жидкости в соответствии с законами движения Ньютона . Он наиболее эффективен, когда число Рейнольдса велико, то есть движущийся объект относительно велик и проходит через среду с низкой вязкостью. [1]

У животных наиболее эффективными струями являются импульсные, а не непрерывные [2] , по крайней мере, когда число Рейнольдса превышает 6. [3]

Удельный импульс

Удельный импульс (обычно сокращенно I sp ) является мерой того, насколько эффективно ракета использует топливо, а реактивный двигатель — топливо. По определению, это общий импульс (или изменение импульса ), передаваемый на единицу израсходованного топлива [ 4] , и он по размерам эквивалентен создаваемой тяге , разделенной на массовый расход топлива или весовой расход. [5] Если в качестве единицы топлива используется масса ( килограмм , фунт-масса или пуля ), то удельный импульс имеет единицы скорости . Если вместо этого используется вес ( ньютон или фунт-сила ), то удельный импульс имеет единицы времени (секунды). Умножение скорости потока на стандартную плотность ( g 0 ) преобразует удельный импульс из массы в весовую основу. [5]

Двигательная установка с более высоким удельным импульсом более эффективно использует массу топлива для создания прямой тяги и, в случае ракеты, требует меньше топлива для заданной дельта-v , согласно уравнению ракеты Циолковского . [4] [6] В ракетах это означает, что двигатель более эффективен при наборе высоты, расстояния и скорости. Эта эффективность менее важна в реактивных двигателях, которые используют крылья и используют внешний воздух для сгорания и несут полезную нагрузку, которая намного тяжелее топлива.

Удельный импульс включает в себя вклад в импульс, создаваемый наружным воздухом, использованным для сгорания и отработанным вместе с отработавшим топливом. Реактивные двигатели используют внешний воздух и поэтому имеют гораздо более высокий удельный импульс, чем ракетные двигатели. Удельный импульс, выраженный в израсходованной массе пороха, имеет единицы расстояния за время, что представляет собой искусственную скорость, называемую «эффективной скоростью истечения». Это выше фактической скорости выхлопа, поскольку масса воздуха для горения не учитывается. Фактическая и эффективная скорости выхлопа одинаковы в ракетных двигателях, не использующих воздух.

Удельный импульс обратно пропорционален удельному расходу топлива (SFC) по соотношению I sp = 1/( g o ·SFC) для SFC в кг/(Н·с) и I sp = 3600/SFC для SFC в фунтах/(фунт-сила). ·час).

Толкать

Из определения удельной импульсной тяги в единицах СИ получается:

где V e — эффективная скорость истечения, а — расход топлива.

Типы реактивных двигателей

Реакционные двигатели создают тягу, выбрасывая твердую или жидкую реакционную массу ; Реактивное движение применяется только к двигателям, в которых используется жидкая реактивная масса.

Реактивный двигатель

Реактивный двигатель — это реактивный двигатель , который использует окружающий воздух в качестве рабочей жидкости и преобразует его в горячий газ под высоким давлением, который расширяется через одно или несколько сопел . Технически большинство реактивных двигателей представляют собой газовые турбины , работающие по циклу Брайтона . Два типа реактивных двигателей, турбореактивный и турбовентиляторный , используют осевые или центробежные компрессоры для повышения давления перед сгоранием и турбины для сжатия. ПВРД работают только на высоких скоростях полета, поскольку в них отсутствуют компрессоры и турбины, а вместо этого они зависят от динамического давления , создаваемого высокой скоростью (известного как прямоточное сжатие). В импульсных реактивных двигателях также отсутствуют компрессоры и турбины, но они могут создавать статическую тягу и имеют ограниченную максимальную скорость.

Ракетный двигатель

Ракета способна работать в космическом вакууме, поскольку она зависит от транспортного средства, несущего собственный окислитель вместо использования кислорода из воздуха, или, в случае ядерной ракеты , нагревает инертное топливо (например, жидкий водород ). пропустив его через ядерный реактор .

Плазменный двигатель

Плазменные двигатели ускоряют плазму электромагнитными средствами .

Насос-струйный

В водометных насосах, используемых в судовых двигательных установках , в качестве рабочей жидкости используется вода, находящаяся под давлением пропеллера , центробежного насоса или их комбинации.

Реактивные животные

Головоногие моллюски, такие как кальмары, используют реактивное движение для быстрого спасения от хищников ; они используют другие механизмы медленного плавания. Струя создается путем выбрасывания воды через сифон , который обычно сужается до небольшого отверстия, чтобы обеспечить максимальную скорость выдоха. Вода проходит через жабры перед выдохом, выполняя двойную задачу: дыхания и передвижения. [1] Морские зайцы (брюхоногие моллюски) используют аналогичный метод, но без сложного неврологического аппарата головоногих моллюсков они перемещаются несколько более неуклюже. [1]

Некоторые костистые рыбы также развили реактивное движение, пропуская воду через жабры в дополнение к движению, приводимому в движение плавниками. [7] : 201 

У некоторых личинок стрекоз реактивное движение достигается за счет выброса воды из специализированной полости через задний проход. Учитывая малые размеры организма, достигается большая скорость. [8]

Гребешки и кардииды , [9] сифонофоры , [10] оболочники (такие как сальпы ), [11] [12] и некоторые медузы [13] [14] [15] также используют реактивное движение. Наиболее эффективными реактивными организмами являются сальпы, [11] которые потребляют на порядок меньше энергии (на килограмм на метр), чем кальмары. [16]

См. также

Ссылки

  1. ^ abc Packard, А. (1972). «Головоногие моллюски и рыбы: пределы конвергенции». Биологические обзоры . 47 (2): 241–307. doi :10.1111/j.1469-185X.1972.tb00975.x. S2CID  85088231.
  2. ^ Сазерленд, КР; Мадин, LP (2010). «Сравнительная структура реактивного следа и плавательные качества сальп» (PDF) . Журнал экспериментальной биологии . 213 (Часть 17): 2967–75. дои : 10.1242/jeb.041962 . ПМИД  20709925.
  3. ^ Дабири, ДЖО; Гариб, М. (2005). «Роль формирования оптимального вихря в транспорте биологических жидкостей». Труды Королевского общества B: Биологические науки . 272 (1572): 1557–1560. дои :10.1098/rspb.2005.3109. ПМЦ 1559837 . ПМИД  16048770. 
  4. ^ ab «Что такое удельный импульс?». Группа качественных рассуждений . Проверено 22 декабря 2009 г.
  5. ^ Аб Бенсон, Том (11 июля 2008 г.). «Специальный импульс». НАСА . Архивировано из оригинала 24 января 2010 года . Проверено 22 декабря 2009 г.
  6. ↑ Хатчинсон, Ли (14 апреля 2013 г.). «Новый ракетный двигатель F-1B модернизирует конструкцию эпохи Аполлона с тягой 1,8 миллиона фунтов» . Арс Техника . Проверено 15 апреля 2013 г. Мерой топливной эффективности ракеты называется ее удельный импульс (сокращенно «ISP» — или, точнее, Isp)… «Массовый удельный импульс… описывает эффективность химической реакции, создающую тягу, и его легче всего измерить. считается величиной силы тяги, создаваемой каждым фунтом (массой) топлива и окислителя, сгоревшими в единицу времени. Это что-то вроде меры миль на галлон (миль на галлон) для ракет».
  7. ^ Уэйк, MH (1993). «Череп как орган движения». В Ханкене, Джеймс (ред.). Череп . Издательство Чикагского университета . п. 460. ИСБН 978-0-226-31573-7.
  8. ^ Милль, П.Дж.; Пикард, RS (1975). «Реактивное движение у личинок бескрылых стрекоз». Журнал сравнительной физиологии . 97 (4): 329–338. дои : 10.1007/BF00631969. S2CID  45066664.
  9. ^ Чемберлен-младший, Джон А. (1987). «32. Передвижение Наутилуса ». В Сондерсе, ВБ; Ландман, Нью-Хэмпшир (ред.). Наутилус: биология и палеобиология живого ископаемого . ISBN 9789048132980.
  10. ^ Боун, К.; Труман, скорая помощь (2009). «Реактивное движение сифонофоров-каликофоров Chelophyes и Abylopsis ». Журнал Морской биологической ассоциации Соединенного Королевства . 62 (2): 263–276. дои : 10.1017/S0025315400057271. S2CID  84754313.
  11. ^ Аб Боун, К.; Труман, скорая помощь (2009). «Реактивное движение в сальпах (Tunicata: Thaliacea)». Журнал зоологии . 201 (4): 481–506. doi :10.1111/j.1469-7998.1983.tb05071.x.
  12. ^ Боун, К.; Труман, Э. (1984). «Реактивное движение в Doliolum (Tunicata: Thaliacea)». Журнал экспериментальной морской биологии и экологии . 76 (2): 105–118. дои : 10.1016/0022-0981(84)90059-5.
  13. ^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения медузы Hydromedusan Polyorchis Pexicillatus: I. Механические свойства локомоторной структуры». Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 313–332. дои : 10.1242/jeb.134.1.313 .
  14. ^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения гидромедузы Polyorchis Pexicillatus: II. Энергетика реактивного цикла». Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 333–345. дои : 10.1242/jeb.134.1.333 .
  15. ^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения у гидромедузы-медузы Polyorchis Pexicillatus: III. Естественный резонирующий колокол; наличие и важность резонансного явления в локомоторной структуре». Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 347–361. дои : 10.1242/jeb.134.1.347 .
  16. ^ Мадин, LP (1990). «Аспекты реактивного движения в сальпах». Канадский журнал зоологии . 68 (4): 765–777. дои : 10.1139/z90-111.