stringtranslate.com

Реактивное движение

Реактивный двигатель Boeing 787 Dreamliner .
Водометный движитель на пароме.

Реактивное движение — это движение объекта в одном направлении, создаваемое выбросом струи жидкости в противоположном направлении. Согласно третьему закону Ньютона , движущееся тело движется в направлении, противоположном движению струи. Реактивные двигатели, работающие по принципу реактивного движения, включают реактивный двигатель, используемый для движения самолетов , насосный водомет, используемый для движения судов , а также ракетный двигатель и плазменный двигатель, используемые для движения космических кораблей . Подводное реактивное движение также используется несколькими морскими животными, включая головоногих моллюсков и сальп , а летающий кальмар даже демонстрирует единственный известный пример воздушного полета с использованием реактивной силы в животном мире.

Физика

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

У животных наиболее эффективны пульсирующие, а не непрерывные струи [2], по крайней мере, когда число Рейнольдса больше 6. [3]

Удельный импульс

Удельный импульс (обычно сокращенно I sp ) является мерой того, насколько эффективно ракета использует топливо или реактивный двигатель использует топливо. По определению, это полный импульс (или изменение импульса ), передаваемый на единицу потребляемого топлива [4] , и по размеру эквивалентен генерируемой тяге, деленной на массовый расход топлива или весовой расход. [5] Если в качестве единицы топлива используется масса ( килограмм , фунт-масса или слаг ), то удельный импульс имеет единицы скорости . Если вместо этого используется вес ( ньютон или фунт-сила ), то удельный импульс имеет единицы времени (секунды). Умножение расхода на стандартную гравитацию ( g 0 ) преобразует удельный импульс из массовой основы в весовую основу. [5]

Двигательная установка с более высоким удельным импульсом использует массу топлива более эффективно для создания прямой тяги и, в случае ракеты, меньше топлива, необходимого для заданной дельта-v , согласно уравнению Циолковского для ракет . [4] [6] В ракетах это означает, что двигатель более эффективен для набора 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 вклад в импульс, обеспечиваемый внешним воздухом, который был использован для сгорания и выбрасывается вместе с отработанным топливом. Реактивные двигатели используют внешний воздух и, следовательно, имеют гораздо более высокий удельный импульс, чем ракетные двигатели. Удельный импульс в терминах массы израсходованного топлива имеет единицы расстояния за время, что является искусственной скоростью, называемой «эффективной скоростью истечения». Это выше фактической скорости истечения, поскольку масса воздуха для сгорания не учитывается. Фактическая и эффективная скорость истечения одинаковы в ракетных двигателях, не использующих воздух.

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

Толкать

Из определения удельного импульса тяги в единицах СИ следует:

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

Типы реактивных двигателей

Реактивные двигатели создают тягу за счет выталкивания твердой или жидкой реакционной массы ; реактивное движение применяется только к двигателям, использующим жидкую реакционную массу.

Реактивный двигатель

Реактивный двигатель — это реактивный двигатель , который использует окружающий воздух в качестве рабочего тела и преобразует его в горячий газ высокого давления, который расширяется через одно или несколько сопел . Технически большинство реактивных двигателей являются газовыми турбинами , работающими по циклу Брайтона . Два типа реактивных двигателей, турбореактивный и турбовентиляторный , используют осевые или центробежные компрессоры для повышения давления перед сгоранием и турбины для осуществления сжатия. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели работают только на высоких скоростях полета, поскольку они не имеют компрессоров и турбин, вместо этого полагаясь на динамическое давление, создаваемое высокой скоростью (известное как сжатие прямоточного двигателя). Импульсные воздушно-реактивные двигатели также не имеют компрессоров и турбин, но могут создавать статическую тягу и имеют ограниченную максимальную скорость.

Ракетный двигатель

Ракета способна работать в космическом вакууме, поскольку она использует собственный окислитель вместо кислорода воздуха, или, в случае ядерной ракеты , нагревает инертное топливо (например, жидкий водород ), проталкивая его через ядерный реактор .

плазменный двигатель

Плазменные двигатели ускоряют плазму электромагнитным способом .

Насос-струйный

Водометный двигатель, используемый в качестве морского движителя , использует в качестве рабочей жидкости воду, нагнетаемую воздухозаборным винтом , центробежным насосом или их комбинацией.

Реактивные животные

Головоногие, такие как кальмары, используют реактивное движение для быстрого спасения от хищников ; для медленного плавания они используют другие механизмы. 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 функцию дыхания и передвижения. [1] Морские зайцы (брюхоногие моллюски) используют аналогичный метод, но без сложной неврологической машины головоногих они перемещаются несколько более неуклюже. [1]

Некоторые костистые рыбы также развили реактивное движение, пропуская воду через жабры, чтобы дополнить движение, приводимое в движение плавниками. [7] : 201 

У некоторых личинок стрекоз реактивное движение достигается путем выталкивания воды из специализированной полости через анус. Учитывая небольшие размеры организма, достигается большая скорость. [8]

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Packard, A. (1972). «Головоногие и рыбы: пределы конвергенции». Biological Reviews . 47 (2): 241–307. doi :10.1111/j.1469-185X.1972.tb00975.x. S2CID  85088231.
  2. ^ Sutherland, KR; Madin, LP (2010). «Сравнительная структура реактивного следа и эффективность плавания сальп» (PDF) . Journal of Experimental Biology . 213 (Pt 17): 2967–75. doi : 10.1242/jeb.041962 . PMID  20709925.
  3. ^ Dabiri, JO; Gharib, M. (2005). «Роль оптимального вихревого образования в биологическом транспорте жидкости». Труды Королевского общества B: Биологические науки . 272 ​​(1572): 1557–1560. doi :10.1098/rspb.2005.3109. PMC 1559837. PMID  16048770 . 
  4. ^ ab "Что такое удельный импульс?". Группа качественного рассуждения. Архивировано из оригинала 4 июля 2016 года . Получено 22 декабря 2009 года .
  5. ^ ab Benson, Tom (11 июля 2008 г.). "Specific impulse". NASA . Архивировано из оригинала 24 января 2010 г. Получено 22 декабря 2009 г.
  6. ^ Хатчинсон, Ли (14 апреля 2013 г.). «Новый ракетный двигатель F-1B улучшает конструкцию эпохи Аполлона с тягой 1,8 млн фунтов». Ars Technica . Получено 15 апреля 2013 г. Мера топливной эффективности ракеты называется ее удельным импульсом (сокращенно «ISP» — или, правильнее, Isp).... «Удельный импульс массы... описывает эффективность создания тяги химической реакцией, и его проще всего представить как величину силы тяги, производимой каждым фунтом (массой) топлива и окислителя, сжигаемых за единицу времени. Это своего рода мера миль на галлон (миль на галлон) для ракет».
  7. ^ Wake, MH (1993). "Череп как локомоторный орган". В Hanken, James (ред.). Череп . Издательство Чикагского университета . стр. 460. ISBN 978-0-226-31573-7.
  8. ^ Милл, П. Дж.; Пикард, Р. С. (1975). «Реактивное движение у личинок стрекоз anisoptera». Журнал сравнительной физиологии . 97 (4): 329–338. doi :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, Э. Р. (2009). «Реактивное движение каликофоровых сифонофоров Chelophyes и Abylopsis ». Журнал Морской биологической ассоциации Соединенного Королевства . 62 (2): 263–276. doi :10.1017/S0025315400057271. S2CID  84754313.
  11. ^ ab Bone, Q.; Trueman, ER (2009). «Реактивное движение у сальп (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 у Doliolum (Tunicata: Thaliacea)». Журнал экспериментальной морской биологии и экологии . 76 (2): 105–118. doi :10.1016/0022-0981(84)90059-5.
  13. ^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения у гидромедузной медузы Polyorchis Pexicillatus: I. Механические свойства локомоторной структуры». J. Exp. Biol . 134 (134): 313–332. doi : 10.1242/jeb.134.1.313 .
  14. ^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения у гидромедузной медузы Polyorchis Pexicillatus: II. Энергетика реактивного цикла». J. Exp. Biol . 134 (134): 333–345. doi : 10.1242/jeb.134.1.333 .
  15. ^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения у гидромедузной медузы, Polyorchis Pexicillatus: III. Естественный резонирующий колокол; Наличие и важность резонансного явления в локомоторной структуре». J. Exp. Biol . 134 (134): 347–361. doi : 10.1242/jeb.134.1.347 .
  16. ^ Madin, LP (1990). «Аспекты реактивного движения у сальп». Канадский журнал зоологии . 68 (4): 765–777. doi :10.1139/z90-111.