Реферат: Реактивні двигуни

3. Область застосування реактивного двигуна

Нині реактивні двигуни застосовують у трьох областях: космонавтиці, військовій галузі та авіації.

Ракети дають можливість виводити на навколоземні орбіти та у міжпланетний простір космонавтів та вантажі. Таким чином реалізуються програми дослідження Землі та навколоземного простору, міжпланетного простору, Сонця, планет та їх супутників, передбачення погоди, визначення місцеположення об’єктів на Землі (GPS) та інші. Альтернативного типу двигуна для даних цілей поки що не існує.

Військова галузь застосовує ракети для доставки військових зарядів до цілі. Міжконтинентальні балістичні ракети можуть доставляти ядерні та термоядерні заряди на великі відстані. На жаль, дана галузь застосовує реактивні двигуни в цілях знищення істот, собі подібних.

На багатьох літаках, в тім числі і на цивільних, встановлено реактивні двигуни, що дало змогу збільшити швидкість їх приблизно в 10 разів у порівнянні з гвинтовими літаками.

4. Переваги і недоліки реактивного двигуна

Одною з суттєвих переваг ракети є те, що на відміну від усіх інших транспортних засобів вона може рухатися, не взаємодіючи з жодними іншими тілами, крім продуктів згоряння пального, що містяться в ній самій. У той час як звичайні літаки і навіть літаки з повітряно-реактивними двигунами можуть літати лише в межах земної атмосфери, реактивний двигун балістичної ракети може працювати і в без повітряному просторі. Саме тому ракети використовуються для запуску штучних супутників Землі та космічних кораблів і для їх переміщення у космічному просторі, де їм ні на що спиратись і ні від чого відштовхуватись, як це роблять наземні види транспорту. Інша перевага – можливість маневрування корабля в космічному просторі та гальмування його, завдяки зміні напряму викидання струменю газу.

Про недоліки . Якщо навіть припустити миттєве викидання газів з сопла ракети і обчислювати її швидкість за рівністю (1), то для досягнення швидкості ракети, наприклад, у 4 рази більшої від швидкості газу, який вихоплюється, маса пального повинна бути в 4 рази більшою від маси оболонки, тобто оболонка повинна становити п’яту частину всієї маси ракети. Не слід при цьому забувати, що „корисною” частиною ракети є саме її оболонка.

Розрахунок швидкості ракети за рівнянням (4) показує, що для того, щоб швидкість оболонки була в 4 рази більшою від швидкості газу, маса пального на старті повинна бути не в 4, а в кілька десятків разів більша за масу оболонки. Якщо при цьому додатково врахувати, що під час запуску із Землі на ракету діють і сила опору повітря, крізь яке вона повинна летіти, і сила тяжіння, то можна зробити висновок, що відношення має бути ще більшим.

Іншим недоліком реактивних двигунів є відносно мала швидкість викидання газів з сопла ракети, і, таким чином, відносно мала швидкість оболонки. Ракети, що створені нині, не дають змоги досягти швидкості навіть 50 км/с. І якби могли, то з такою швидкістю подорожі до найближчих зірок тривали б мільйони років. Все це робить навіть натяк на використання ракет з реактивними двигунами для міжзоряних перельотів, а тим більше пілотованих перельотів, безглуздим заняттям. Для таких перельотів потрібен принципово інший тип двигуна, винайдення якого – справа далекого майбутнього. Тобто, реактивні двигуни, такі, які вони є на теперішній момент, можна використовувати для перельотів в межах однієї планети і в межах однієї планетної системи. Коли буде винайдено двигун для міжзоряних перельотів, на космічних кораблях майбутнього (а особливо на розвідувальних човниках) будуть встановлені реактивні двигуни – для перельотів на близькі відстані і маневрування.

5. ККД реактивного двигуна і способи його підвищення

Як відомо, коефіцієнт корисної дії механізму, пристосування чи двигуна суть відношення корисної роботи до всієї затраченої роботи. Корисною частиною ракети є, як вже було сказано, її оболонка, а маса оболонки, обчислена з рівняння Ціолковського, (без урахування опору повітря) повинна становити приблизно частину маси ракети. У сучасних балістичних ракет кінцева маса у сотні разів менша стартової маси. Значить, і прискорення також у сотні разів зростає по мірі витрати палива. Звідси випливає, що приріст швидкості, що його отримує ракета при витраті однієї і тієї ж кількості палива, сильно залежить від того, у який момент часу це паливо витрачається: доки запас палива на борту великий і маса ракети велика, приріст швидкості малий; коли палива залишилось мало і маса ракети значно зменшилася, приріст швидкості великий. По цій причині навіть велике збільшення запасу палива не може значно підвищити кінцеву швидкість ракети: адже додаткова кількість палива буде використана тоді, коли маса ракети велика, а прискорення мале, а значить, малий і додатковий приріст швидкості. Крім того, якщо ми збільшуватимемо масу палива, ми зменшимо ККД реактивного двигуна, і без того найменший серед ККД всіх відомих двигунів і машин на Землі. Зате збільшення швидкості реактивного струменя при незмінному запасі палива (ККД хоча б не зменшується!) дозволяє значно збільшити кінцеву швидкість ракети. Так, збільшуючи швидкість реактивного струменя, не змінюючи секундної витрати палива, ми, тим самим, збільшуємо прискорення у тому ж відношенні. Для збільшення швидкості реактивного струменя соплу ракети надають спеціальної форми. Оскільки швидкість реактивного струменя збільшується по мірі росту температури газу, що утворює струмінь, вибирають паливо, що дає по можливості вищу температуру згорання.

Як ми бачили, коефіцієнт корисної дії реактивного двигуна підвищити на сьогоднішній день досить важко, майже неможливо.

Зрозуміло, що безглуздо говорити про підвищення коефіцієнта корисної дії шляхом зменшення маси пального, яке знаходиться в оболонці, бо у цьому разі ракета не досягне розрахункової швидкості. В досить незначній мірі підвищити ККД реактивних двигунів можна, використовуючи багатоступінчаті ракети.

Джерела інформації

1. Элементарный учебник физики, под ред. академика Г.С. Ландсберга, том 1, М:, Наука, 1964.

2. Б.М. Яворовский, А.А. Детлаф – Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов, М:, Наука, 1977.