Толкать

Сила реакции

Самолет Lockheed Martin F-35 Lightning II совершает вертикальный набор высоты с использованием реактивного двигателя Pratt & Whitney F135 , развивающего тягу 43 000 фунтов силы (190 000 Н).

Тяга — это сила реакции , количественно описываемая третьим законом Ньютона . Когда система выталкивает или ускоряет массу в одном направлении, ускоренная масса вызывает действие силы равной величины , но в противоположном направлении, которая будет приложена к этой системе. ^[1] Сила, приложенная к поверхности в направлении, перпендикулярном или нормальном к поверхности, также называется тягой. Сила и, следовательно, тяга измеряются с использованием Международной системы единиц (СИ) в ньютонах (обозначение: Н) и представляют собой величину, необходимую для ускорения 1 килограмма массы со скоростью 1 метр в секунду в секунду . ^[2] В машиностроении сила, ортогональная основной нагрузке (например, в параллельных косозубых передачах ), называется статической тягой .

Примеры

Силовая установка самолета с неподвижным крылом создает прямую тягу, когда воздух выталкивается в направлении, противоположном полету. Это можно сделать с помощью различных средств, таких как вращающиеся лопасти пропеллера , реактивная струя реактивного двигателя или выброс горячих газов из ракетного двигателя . ^[3] Обратная тяга может быть создана для облегчения торможения после приземления путем изменения шага лопастей винта изменяемого шага или использования реверсора тяги на реактивном двигателе. В винтокрылых самолетах используются несущие винты и вектор тяги. В самолетах V/STOL используются пропеллеры или тяга двигателя для поддержания веса самолета и обеспечения движения вперед.

Пропеллер моторной лодки создает тягу при вращении и выталкивает воду назад.

Ракета движется вперед под действием тяги, равной по величине, но противоположной по направлению скорости изменения количества движения выхлопных газов , ускоренных из камеры сгорания через сопло ракетного двигателя. Это скорость истечения 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 во 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 корабля шаттл мог развивать тягу 1,8  меганьютон , а каждый из двух твердотопливных ракетных ускорителей космического корабля - 14,7  МН (3 300 000  фунтов силы ), вместе 29,4 МН. ^[4]

Напротив, упрощенная программа Aid For EVA Rescue (SAFER) имеет 24 двигателя по 3,56 Н (0,80 фунта-силы) каждый. ^[5]

В категории воздушно-реактивных самолетов реактивный двигатель AMT-USA AT-180, разработанный для радиоуправляемых самолетов, развивает тягу 90 Н (20 фунтов силы). ^[6] Двигатель GE90-115B , установленный на самолете Boeing 777-300ER, признанный Книгой рекордов Гиннеса «самым мощным коммерческим реактивным двигателем в мире», имел тягу 569 кН (127 900 фунтов силы), пока его не превзошёл GE9X , установленный на будущий Boeing 777X , с усилием 609 кН (134 300 фунтов силы).

Концепции

Тяга к власти

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

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

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

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

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

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

Когда набегающий воздух ускоряется из состояния покоя – например, при зависании – тогда , 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 , найдя: ${\displaystyle \mathbf {P} ^{2}\propto \mathbf {T} ^{3}}$

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

Обратная константа пропорциональности, «эффективность» идеального двигателя, пропорциональна площади поперечного сечения перемещаемого объема жидкости ( ) и плотности жидкости ( ). Это помогает объяснить, почему передвигаться по воде легче и почему у самолетов пропеллеры гораздо большего размера, чем у гидроциклов. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \rho }$

Тяга к движущей силе

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

Реактивный двигатель не имеет воздушного винта, 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: ^[7]

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

В случае ракеты или реактивного самолета сила равна тяге (Т), создаваемой двигателем. Если ракета или самолет движутся примерно с постоянной скоростью, то расстояние, деленное на время, — это просто скорость, поэтому мощность равна тяге, умноженной на скорость: ^[8]

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

Эта формула выглядит очень удивительно, но она верна: тяговая мощность (или располагаемая мощность ^[9] ) реактивного двигателя увеличивается с ростом его скорости. Если скорость равна нулю, то и тяговая мощность равна нулю. Если реактивный самолет работает на полном газу, но прикреплен к статическому испытательному стенду, то реактивный двигатель не производит тяговой мощности, однако тяга все равно создается. Комбинация поршневой двигатель -винт также имеет тяговую мощность по точно такой же формуле, и при нулевой скорости она также будет равна нулю, но это для комплекта двигатель-винт. Сам по себе двигатель будет продолжать выдавать номинальную мощность с постоянной скоростью, независимо от того, движется самолет или нет.

Теперь представьте, что прочная цепь разорвана, и реактивный и поршневой самолеты приходят в движение. На малых скоростях:

Поршневой двигатель будет иметь постоянную 100% мощность, а тяга воздушного винта 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, разница между ними T - D называется избыточной тягой. Мгновенные характеристики самолета во многом зависят от избыточной тяги.

Избыточная тяга является векторной и определяется как разность векторов вектора тяги и вектора сопротивления.

Упорная ось

Ось тяги самолета — это линия действия полной тяги в любой момент времени. Это 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 создаст момент , которому необходимо противостоять за счет изменения аэродинамической силы на горизонтальном стабилизаторе. ^[10] Примечательно, что Boeing 737 MAX с более крупными двигателями с более низкой посадкой, чем предыдущие модели 737, имел большее расстояние между осью тяги и осью сопротивления, из-за чего нос поднимался вверх на некоторых режимах полета, что требовало изменения тангажа. система управления MCAS . Ранние версии MCAS выходили из строя в полете с катастрофическими последствиями, что привело к гибели более 300 человек в 2018 и 2019 годах. ^{[11] [12]}

Смотрите также

• Аэродинамическая сила  - сила, действующая на тело при его движении через жидкость.
• Задняя тяга  - использование судового движителя для развития тяги в ретроградном направлении.
• Тяга газотурбинного двигателя
• Шарнирная тяга  - система управления вектором тяги, используемая в ракетах Pages displaying short descriptions of redirect targets(наиболее распространенная в современных ракетах).
• Фунт (сила)  - гравитационное притяжение Земли на массу в один фунт.
  • «Фунт тяги»: тяга (сила), необходимая для ускорения на один фунт при одном g .
• Усреднение тяги потока  – процесс преобразования трехмерного потока в одномерный.
• Тяговооруженность  - Безразмерное отношение тяги к массе реактивного или винтового двигателя.
• Вектор тяги  - аспект баллистики и воздухоплавания
• Реверс тяги  - временное отклонение тяги авиационного двигателя.
• Тяговое усилие  - термин машиностроения, обозначающий величину тяги.

Рекомендации

1. «Что такое тяга?». www.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 14 февраля 2020 года . Проверено 2 апреля 2020 г.
2. «Сила и движение: определение, законы и формулы | StudySmarter» . StudySmarter Великобритания . Проверено 12 октября 2022 г.
3. «Третий закон движения Ньютона». www.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 3 февраля 2020 года . Проверено 2 апреля 2020 г.
4. «Космические пусковые установки - космический шаттл» . www.braeunig.us . Архивировано из оригинала 6 апреля 2018 года . Проверено 16 февраля 2018 г.
5. Хэндли, Патрик М.; Хесс, Рональд А.; Робинсон, Стивен К. (1 февраля 2018 г.). «Описательная пилотная модель для упрощенной помощи НАСА по спасению в открытом космосе». Журнал руководства, контроля и динамики . 41 (2): 515–518. Бибкод : 2018JGCD...41..515H. дои : 10.2514/1.G003131. ISSN  0731-5090.
6. «Информация о реактивных двигателях AMT-США» . Архивировано из оригинала 10 ноября 2006 года . Проверено 13 декабря 2006 г.
7. Юн, Джо. «Перевести тягу в лошадиные силы». Архивировано из оригинала 13 июня 2010 года . Проверено 1 мая 2009 г.
8. Йехут, Томас; Моррис, Стивен. Введение в механику полета самолетов . ISBN 1-56347-577-4.
9. Андерсон, Дэвид; Эберхардт, Скотт (2001). Понимание полета . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-138666-1.
10. Кермод, AC (1972) Механика полета , Глава 5, 8-е издание. Издательство Питман. ISBN 0273316230 
11. «Система управления находится под пристальным вниманием после крушения Эфиопских авиалиний» . Аль-Джазира . Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 года . Проверено 7 апреля 2019 г.
12. «Что такое система улучшения маневренных характеристик Boeing 737 Max?» Воздушный поток . 14 ноября 2018 года. Архивировано из оригинала 7 апреля 2019 года . Проверено 7 апреля 2019 г.