Реферат: Реактивный двигатель
РЕФЕРАТ
РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Выполнил: Мельников Семен.
Физическая основа теплового двигателя
Совершение механической работы в современных машинах имеханизмах в основном происходит за счет внутренней энергии веществ.
Тепловой двигатель – устройство, преобразующеевнутреннюю энергию топлива в механическую энергию
Невозможно представить себе современную цивилизацию безтепловых двигателей.
Механическая работа в двигателе совершается при расширениирабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре. Для цикличной, непрерывнойработы двигателя необходимо возвращения поршня в его первоначальное положение,т.е. сжатие рабочего вещества. Легко сжимаемым веществом является вещество вгазообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего вещества в тепловыхдвигателях используется газ или пар.
Работы теплового двигателя состоит из периодическиповторяющихся процессов расширения и сжатия газа. Сжатие газа не может бытьсамопроизвольным, оно происходит только под действием внешней силы, например засчет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа.
Полная механическая работа А складывается из работырасширения газа Арасш и работы сжатия газа Асж,совершаемой силами давления газа при его сжатии. Так как при сжатии ΔV<0, то Асж = — |Асж |<0,поэтому
А= Арасш — |Асж|.
Для получения положительной полной механической работы (А>0)необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы его расширения.
С учетом формулы: A=pΔV имеем А=(pрасш — pсж) ΔV.
Изменение объема ΔV газа прирасширении и сжатии должно быть одинаковым из-за цикличности работы двигателяю.
Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньшеего давления при расширении. При одном и том же объеме газа тем меньше, чемниже его температура, поэтому перед сжатием газ должен быть охлажден, т.е.приведен в контакт с холодильной машиной – телом, имеющим более низкуютемпературу. Для получения механической работы в тепловом двигателе прициклическом процессе расширение газа должно происходить при более высокойтемпературе, чем сжатие.
Необходимое условие дл циклического получениямеханической работы в тепловом двигателе – наличие нагревателя и холодильника.
История теплового двигателя
Созданию тепловых машин предшествовало доказательствосуществования атмосферного давления.
РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Реактивный двигатель, двигатель, создающий необходимую длядвижения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергиюреактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопладвигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи,перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат всторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергиюреактивной струи в Р. д. могут преобразовываться различные виды энергии(химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Р. д. (двигатель прямойреакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. обеспечиваетсобственное движение без участия промежуточных механизмов.
Для создания реактивной тяги, используемой Р. д.,необходимы: источник исходной
(первичной) энергии, которая превращается в кинетическуюэнергию реактивной струи;
рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасываетсяиз Р. д.; сам Р. д. —
преобразователь энергии. Исходная энергия запасается наборту летательного или др.
аппарата, оснащенного Р. д. (химическое горючее, ядерноетопливо), или (в принципе)
может поступать извне (энергия Солнца). Для получениярабочего тела в Р. д. может
использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды(например, воздух или вода);
вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно вкамере Р. д.; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых наборту аппарата. В современных Р. д. в качестве первичной чаще всегоиспользуется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собойраскалённые газы — продукты сгорания химического топлива. При работе Р. д.химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктовсгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергиюпоступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, накотором установлен двигатель. Основной частью любого Р. д. является камерасгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащаядля ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется реактивнымсоплом.
В зависимости от того, используется или нет при работе Р. д.окружающая среда,
их подразделяют на 2 основных класса — воздушно-реактивныедвигатели (ВРД) и
ракетные двигатели (РД). Все ВРД — тепловые двигатели,рабочее тело которых образуется
при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха.Поступающий из атмосферы воздух составляет основную массу рабочего тела ВРД. Т.о., аппарат с ВРД несёт на борту источник энергии (горючее), а большую частьрабочего тела черпает из окружающей среды. В отличие от ВРД все компонентырабочего тела РД находятся на борту аппарата, оснащенного РД. Отсутствиедвижителя, взаимодействующего с окружающей средой, и наличие всех компонентоврабочего тела на борту аппарата делают РД единственно пригодным для работы вкосмосе. Существуют также комбинированные ракетные двигатели, представляющиесобой как бы сочетание обоих основных типов.
Принцип реактивного движения известен очень давно.Родоначальником Р. д. можно считать шар Герона. Твёрдотопливные ракетныедвигатели — пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжениисотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе какфейерверочные, сигнальные, боевые. В 1903 К. Э. Циолковский в работе«Исследование мировых пространств реактивными приборами» впервые вмире выдвинул основные положения теории жидкостных ракетных двигателей ипредложил основные элементы устройства РД на жидком топливе. Первые советскиежидкостные ракетные двигатели — ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 были спроектированы В. П.Глушко и под его руководством созданы в 1930-31 в Газодинамической лаборатории(ГДЛ). В 1926 Р. Годдард произвёл запуск ракеты на жидком топливе. Впервыеэлектротермический РД был создан и испытан Глушко в ГДЛ в 1929-33.
В 1939 в СССР состоялись испытания ракет с прямоточнымивоздушно-реактивными двигателями конструкции И. А. Меркулова. Первая схематурбореактивного двигателя? была предложена русским инженером Н. Герасимовым в1909.
В 1939 на Кировском заводе в Ленинграде началась постройкатурбореактивных двигателей конструкции А. М. Люльки. Испытаниям созданногодвигателя помешала Великая Отечественная война 1941-45. В 1941 впервые былустановлен на самолёт и испытан турбореактивный двигатель конструкции Ф.Уиттла (Великобритания). Большое значение для создания Р. д. имелитеоретические работы русских учёных С. С. Неждановского, И. В. Мещерского, Н.Е. Жуковского, труды французского учёного Р. Эно-Пельтри, немецкого учёного Г.Оберта. Важным вкладом в создание ВРД была работа советского учёного Б. С.Стечкина «Теория воздушно-реактивного двигателя», опубликованная в1929.
Р. д. имеют различное назначение и область их примененияпостоянно расширяется.
Наиболее широко Р. д. используются на летательных аппаратахразличных типов.
Турбореактивными двигателями и двухконтурнымитурбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданскихсамолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Эти Р. д. пригодны дляполётов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливаюттакже на самолётах-снарядах, сверхзвуковые турбореактивные двигатели могутиспользоваться на первых ступенях воздушно-космических самолётов. Прямоточныевоздушно-реактивные двигатели устанавливают на зенитных управляемых ракетах,крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковыепрямоточные двигатели применяются на вертолётах (устанавливаются на концахлопастей несущего винта). Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели имеютнебольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковойскоростью. Во время 2-й мировой войны 1939-45 этими двигателями были оснащенысамолёты-снаряды ФАУ-1.
РД в большинстве случаев используются на высокоскоростныхлетательных аппаратах.
Жидкостные ракетные двигатели применяются наракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах вкачестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемыхбаллистических ракетах. Твёрдотопливные ракетные двигатели используют вбаллистических, зенитных, противотанковых и др. ракетах военного назначения, атакже на ракетах-носителях и космических летательных аппаратах. Небольшиетвёрдотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлётесамолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могутиспользоваться на космических летательных аппаратах.
Основные характеристики Р. д.: реактивная тяга, удельныйимпульс — отношение тяги двигателя к массе ракетного топлива (рабочего тела),расходуемого в 1 сек, или идентичная характеристика — удельный расход топлива(количество топлива, расходуемого за 1 сек на 1 н развиваемой Р. д. тяги),удельная масса двигателя
(масса Р. д. в рабочем состоянии, приходящаяся на единицуразвиваемой им тяги).
Для многих типов Р. д. важными характеристиками являютсягабариты и ресурс.
Тяга — сила, с которой Р. д. воздействует на аппарат,оснащенный этим Р. д., — определяетсяпо формуле
P = mWc+ Fc(pc — pn),
где m — массовый расход (расход массы) рабочего тела за 1сек; Wc — скорость рабочего тела в сечении сопла; Fc — площадь выходного сечения сопла; pc — давление газов в сечениисопла; pn — давление окружающей среды (обычно атмосферное давление).Как видно из формулы, тяга Р. д. зависит от давления окружающей среды. Онабольше всего в пустоте и меньше всего в наиболее плотных слоях атмосферы, т. е.изменяется в зависимости от высоты полёта аппарата, оснащенного Р. д., надуровнем моря, если речь идёт о полёте в атмосфере Земли. Удельный импульс Р. д.прямо пропорционален скорости истечения рабочего тела из сопла. Скорость жеистечения увеличивается с ростом температуры истекающего рабочего тела иуменьшением молекулярной массы топлива (чем меньше молекулярная масса топлива,тем больше объём газов, образующихся при его сгорании, и, следовательно,скорость их истечения).
Тяга существующих Р. д. колеблется в очень широких пределах- от долей гс у электрических до сотен тс у жидкостных и твёрдотопливных ракетныхдвигателей. Р. д. малой тяги применяются главным образом в системахстабилизации и управления летательных аппаратов. В космосе, где силы тяготенияощущаются слабо и практически нет среды, сопротивление которой приходилось быпреодолевать, они могут использоваться и для разгона. РД с максимальной тягойнеобходимы для запуска ракет на большие дальность и высоту и особенно длявывода летательных аппаратов в космос, т. е. для разгона их до первойкосмической скорости. Такие двигатели потребляют очень большое количествотоплива; они работают обычно очень короткое время, разгоняя ракеты до заданнойскорости. Максимальная тяга ВРД достигает 28 тс (1974). Эти Р. д., использующиев качестве основного компонента рабочего тела окружающий воздух, значительно экономичнее.ВРД могут работать непрерывно в течение многих часов, что делает их удобнымидля использования в авиации. Историю и перспективы развития отдельных видов Р.д. и лит. см. в статьях об этих двигателях.
Коэффициентполезного действия
Коэффициент полезного действия (кпд>), характеристикаэффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования илипередачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии ксуммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = Wпол/Wcyм.
В электрических <двигателях> <кпд> — отношениесовершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемойот источника; в тепловых <двигателях> — отношение полезной механическойработы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах —отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии,потребляемой первичной обмоткой. Для вычисления <кпд> разные виды энергиии механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механическогоэквивалента теплоты, и др. аналогичных соотношений. В силу своей общностипонятие <кпд> позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрениятакие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и<двигатели>, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы,биологические объекты и т. д.
Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагреваниеокружающих тел и т. п. <кпд> всегда меньше единицы. Соответственно этому<кпд> выражается в долях затрачиваемой энергии, т. е. в виде правильнойдроби или в процентах, и является безразмерной величиной. <Кпд> тепловыхэлектростанций достигает 35—40%, <двигателей> внутреннего сгорания —40—50%, динамомашин и генераторов большой мощности—95%, трансформаторов—98%.<Кпд> процесса фотосинтеза составляет обычно 6—8%, у хлореллы ондостигает 20—25%. У тепловых <двигателей> в силу второго началатермодинамики <кпд> имеет верхний предел, определяемый особенностямитермодинамического цикла (кругового процесса), который совершает рабочеевещество. Наибольшим <кпд> обладает Карно цикл.
Различают <кпд> отдельного элемента (ступени) машиныили устройства и <кпд>, характеризующий всю цепь преобразований энергии всистеме. <Кпд> первого типа в соответствии с характером преобразованияэнергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятсяобщий, экономический, технический и др. виды <кпд>. Общий <кпд>системы равен произведению частных <кпд>, или <кпд> ступеней.
В технической литературе <кпд> иногда определяют т.о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, еслиопределять <кпд> отношением Wпол/Wзатр, где Wпол— используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — невся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которойпроизводятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковыхтермоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергиименьше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпаетсяиз окружающей среды. При этом, хотя истинный <кпд> установки меньшеединицы, рассмотренный <кпд h = Wпол/Wзатр можетоказаться больше единицы.
Окружающая среда
Тепловые двигатели (в том числе и реактивный) –необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается ≈80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить современныйтранспорт. В тоже время повсеместное использование тепловых двигателей связанос отрицательным воздействием на окружающую среду.
Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферууглекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное (ИК) излучениеповерхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере, увеличиваяпоглощение ИК – излучения, приводит к повышению её температуры (парниковыйэффект). Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05 ºС. Этотэффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышенияуровня Мирового океана.
Продукты сгорания топлива существенно загрязняютокружающую среду.
Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся ватмосфере, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на жизнедеятельность растений, животных и человека.
Потребление кислорода при горении топлива уменьшает егосодержание в атмосфере.
Для охраны окружающей среды широко использует очистныесооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, резкоограничивают использование соединений тяжелых металлов, добавляемых в топливо,разрабатывают
Двигатели, использующие водород в качестве горючего (выхлопные газы состоят из безвредных паров воды), создают электромобили иавтомобили, использующие солнечную энергию.