Сообщение на тему принцип работы реактивного двигателя

Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания.

Главная > Реферат >Физика

НАПИСАЛ: Киселев А.В.

Для создания реактивной тяги, используемой Р. д., необходимы:

источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи;

рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из Р. д.;

сам Р. д. — преобразователь энергии.

Исходная энергия запасается на борту летательного или др. аппарата, оснащенного Р. д. (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для получения рабочего тела в Р. д. может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода);

вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере Р. д.; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата.

В современных Р. д. в качестве первичной чаще всего используется химическая

Огневые испытания ракетного

двигателя Спейс Шаттла

Турбореактивные двигатели АЛ-31Ф самолета Су-30МК . Относятся к классу воздушно-реактивных двигателей

История реактивных двигателей

В 1939 в СССР состоялись испытания ракет с прямоточными воздушно-реактивными двигателями конструкции И. А. Меркулова. Первая схема турбореактивного двигателя? была предложена русским инженером Н. Герасимовым в 1909.

Р. д. имеют различное назначение и область их применения постоянно расширяется.

Наиболее широко Р. д. используются на летательных аппаратах различных типов.

РД в большинстве случаев используются на высокоскоростных летательных аппаратах.

Один из вновь образованных стволов — это класс воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Как показывает само название, они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели — основа современной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. ВРД используют атмосферный кислород для сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет. Но все же в настоящее время наиболее широко применяются турбореактивные двигатели

Значительно проще по конструкции безкомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами, которые имеют названия: пульсирующие и прямоточные двигатели.

В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель, когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется.

Особенность аэродинамической схемы сверхзвуковых летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) обусловлена наличием специальных ускорительных двигателей, обеспечивающих скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов.

Принцип работы реактивного двигателя.

В основе современных мощных реактивных двигателях различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя «рабочего вещества», обычно — раскалённых газов.

Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы. К таким двигателям относятся поршневые двигатели автомобилей, тепловозов, паровые и газовые турбины электростанций и т.д.

Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания.

После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать механическую работу, что-то «двигать», приводить в действие, все равно, будь то динамо-машина на просьба дополнить рисунками электростанции, тепловоз, автомобиль или самолёт.

Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия.

Схема реактивного двигателя

Турбовентиляторный двигатель — это наиболее широко используемый в гражданской авиации реактивный двигатель.

Горючее, попадая в двигатель (1), перемешивается со сжатым воздухом и сгорает в камере сгорания (2). Расширяющиеся газы вращают быстроходную (3) и тихоходную) турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение компрессор (5), проталкивающий воздух в камеру сгорания, и вентиляторы (6), прогоняющие воздух через эту камеру и направляющие его в выхлопную трубу. Вытесняя воздух, вентиляторы обеспечивают дополнительную тягу. Двигатель данного типа способен развивать тягу до 13 600кг.

Заключение

Реактивный двигатель обладает многими замечательными особенностями, но главная из них заключается в следующем. Ракете для движения не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета может двигаться в безвоздушном пространстве.

К. Э. Циолковский – основоположник теории космических полётов. Научное доказательство возможности использования ракеты для полётов в космическое пространство, за пределы земной атмосферы и к другим планетам Солнечной системы было дано впервые русским учёным и изобретателем Константином Эдуардовичем Циолковским

Окислителем чаще всего выступает жидкий кислород или азотная кислота, как топливо применяют керосин. Современные криогенные ЖРД используют жидкий водород, при окислении кислородом позволяющий на 30% увеличить удельный импульс по сравнению с керосиново-кислородными. Кстати, идею применения водорода также предложил Циолковский в том же труде 1903 года, но чрезвычайная взрывоопасность и технически непреодолимые, на тот момент, трудности заставили искать другое топливо.

Принцип действия реактивной силы

Если вам доводилось стрелять из огнестрельного оружия, или хотя бы наблюдать процесс со стороны, вы уже сталкивались с реактивной силой. Именно струя раскаленных газов, образовавшихся при сгорании пороха, отталкивает ствол назад. Чем больше количество заряда, тем круче отдача. А теперь представьте, что процесс воспламенения смеси постепенен и непрерывен. Получаем ракету с твердотопливным РД. Это самый простой вид двигателя, хорошо знакомый ракетомоделистам.

Твердотопливные двигатели относительно простые в конструкции, имеют нетоксичное топливо, надежные и пожаробезопасные, могут долго храниться, представляя собой стратегический арсенал. Однако удельный импульс у них небольшой, ими трудно управлять (включая не только направление тяги, но и запуск, а также остановку двигателя), а потому для космических полетов более предпочтительны ракетные двигатели на куда более эффективном жидком топливе.

Путём дополнительного сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом можно увеличивать тягу турбореактивного двигателя.

Принципы работы тепловой машины.

Виды реактивных двигателей.

Циклическая тепловая машина. Принцип работы. *

Прямоточный воздушно — реактивный двигатель. *

Открытие пути в космос К.Э Циолковским. *

Выполнить расчёты результата взаимодействия двух или нескольких тел, когда значения действующих сил неизвестны, во многих случаях позволяет использование закона сохранения импульса.

Устройство, преобразующее энергию теплового движения в механическую энергию, называется тепловой машиной. Различают циклические и нециклические тепловые машины.

Циклическая тепловая машина. Принцип работы.

Представим принцип действия машин циклических машин. Реальная тепловая циклическая машины состоит из печки (нагревателя), холодильника и рабочего тела.

Для теоретического объяснения работы тепловых машин необходимо знание второго закона термодинамики в следующем виде: невозможно создать циклически работающий тепловой двигатель, единственным результатом действия которого получения от источника количества теплоты и превращение его полностью в механическую энергию.

Определим принцип работы циклической тепловой машины. Рабочее тело, в результате контакта с негревателем, получает от него вследствие обмена теплом некоторой количество теплоты, равное Q1, нагреваясь до некоторой температуры T1. После завершения контакта с нагревателем, рабочее тело переходит в контакт с холодильником.

При таком переходе рабочее тело совершает механическую работу A. В контакте с холодильником, рабочее тело отдаёт ему некоторое количество теплоты Q2 — охлаждается.

Затем рабочее тело снова переходит в контакт с печкой — процесс повторяется.

О ткрытие пути в космос

Прямоточный воздушно — реактивный двигатель.

Рассмотрим прямоточный воздушно-реактивный двигатель, имеющий наиболее простую схему работы.

Воздухозаборник — это передний край трубки, всасывающий в себя воздух. Средняя часть — камера сгорания, в которой горит воздушно-топливная смесь. Отработанные газы выходят из сопла — задней части трубки.

Температура при сгорании воздушно — топливной смеси повышается, возрастает скорость движения двигателя, а раскалённые газы, создавая реактивную тягу, с силой выбрасываются через сопло.

Если на входе имеется скоростной поток воздуха, прямоточный воздушно — реактивный двигатель также может работать. Однако самолёт с таким двигателем самостоятельно стартовать не сможет — его придётся предварительно разгонять, например, при помощи воздушного винта. Но таким пропеллером можно разогнать и поток воздуха на входе двигателя.

В результате решения этой задачи появился турбореактивный двигатель.

Перед началом работы турбореактивного двигателя к компрессору необходимо присоединить, так называемый, стартёр, чтобы компрессор создал первоначальный напор воздуха на входе. Затем уже начнет работать сам реактивный двигатель.

На пути раскалённых газов инженеры — проектировщики поставили газовую турбину и единым валом соединили её с компрессором.

Турбину вращает выходящий переработанный газ, а соединённый с ней компрессор нагнетает воздушный поток в камеру сгорания, топливно-воздушная смесь горит, горячие газы вытекают из сопла — цикл повторяется.

Путём дополнительного сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом можно увеличивать тягу турбореактивного двигателя.

Использование мощного и компактного турбореактивного двигателя в самолётах позволило очень скоро превысить их скорости скорость звука.

Но такие двигатели оказались не всегда выгодными экономически.

Использование турбовинтовых двигателей для огромных транспортных самолётов, которые летают со скоростями 650-700 км/ч и поднимают в воздух одновременно десятки тонн груза, оказалось более эффективным.

Чтобы турбина вращала и обычный воздушный винт, необходимо удлинить вал, соединяющий её с компрессором, добавить редуктор, снижающий частоту вращения винта, иначе воздушный поток станет срываться с лопастей, а пропеллер в основном будет вращаться вхолостую.

Теперь рассмотрим принцип работы реактивных двигателей.

Газы, нагретые до высокой температуры, при сгорании топлива, выбрасываются из сопла ракеты со скоростью v и взаимодействуют с ракетой.

До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения двигателей сумма векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю, так как по закону сохранения импульса, сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остаётся постоянной при отсутствии внешних сил. Можно записать следующее верное соотношение.

М – масса ракеты;

V – скорость ракеты;

m – масса выброшенных газов;

v – скорость истечения газов.

Для модуля скорости движения ракеты V верно соотношение:

(Формула модуля скорости движения ракеты применима при условии небольшого изменения массы M ракеты в результате работы её двигателей.)

Главная особенность реактивного двигателя заключается в следующем. Так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива, для движения её не нужны ни вода, ни земля, ни воздух- ракета может двигаться в безвоздушном пространстве.

1) «Энциклопедический Словарь Юного Техника». Зубков.Б.В, Чумаков.С.В.

2) «Тепловые Явления В Технике». Билимович.Б.Ф.

10 O Турбовентиляторный реактивный двигатель считается одним из самых экономичных авиационных реактивных двигателей, главное отличие состоит в том, что на входе устанавливается вентилятор большего диаметра, который подает воздух не только в турбину, но и создает достаточно мощный поток вне самого двигателя, в связи с этим мощность реактивного двигателя является очень высокой, именно поэтому двигатель данного типа используется на лайнерах и больших самолетах.

1 Реактивный двигатель Подготовила : Полищук Арина 8 класс

2 Реактивный двигатель, был изобретен Гансом фон Охайном выдающимся немецким инженером — конструктором и Фрэнком Уиттлом. Первый патент на работающий газотурбинный двигатель был получен в 1930 году Фрэнк Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн. 2 августа 1939 года в небо поднялся первый реактивный самолет He 178 ( Хейнкель 178), снаряженный двигателем HeS 3, разработанный Охайном.

3 O Устройство реактивного двигателя достаточно просто и крайне сложно. Просто по принципу действия : забортный воздух ( в ракетных двигателях жидкий кислород ) засасывается в турбину, там смешивается с топливом и сгорая, в конце турбины образует т. н. рабочее тело ( реактивная струя ), которое и двигает машину.

4 Так все просто, но на деле это целая область науки, ибо в таких двигателях рабочая температура достигает тысяч градусов по Цельсию. Одна из самых главных проблем турбореактивного двигателестроения создание не плавящихся деталей, из плавящихся металлов. Но для того, что бы понять проблемы конструкторов и изобретателей нужно сначала более детально изучить принципиальное устройство двигателя.

6 Камера сгорания выполняет еще и роль карбюратора, смешивая топливо с воздухом. После образования топливо воздушной смеси она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв.

7 Камера сгорания реактивного двигателя одна из самых горячих его частей её необходимо постоянно интенсивное охлаждение. Но и этого недостаточно. Температура в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики. После камеры сгорания горящая топливо — воздушная смесь направляется непосредственно в турбину.

9 O В связи с тем, в каком транспорте используется реактивный двигатель, их существует несколько видов, например, классический реактивный двигатель используется на истребителях в разных модификациях. Турбовинтовой двигатель отличается тем, что в данном типе двигателя мощность турбины через понижающий редуктор направляется в направлении классического винта. Такие двигатели позволяют большим самолетам осуществлять полеты на приемлемых скоростях, не расходуя при этом большого количества топлива.

10 O Турбовентиляторный реактивный двигатель считается одним из самых экономичных авиационных реактивных двигателей, главное отличие состоит в том, что на входе устанавливается вентилятор большего диаметра, который подает воздух не только в турбину, но и создает достаточно мощный поток вне самого двигателя, в связи с этим мощность реактивного двигателя является очень высокой, именно поэтому двигатель данного типа используется на лайнерах и больших самолетах.

15 Его устройство имело не ­ сколько клапанов, позволяющих регу ­ лировать давление внутри камеры сго ­ рания. Практически все современные самолеты являются реактивными, из этого возникает вопрос, а почему популярность данного устройства настолько высока. Для начала следует изучить историю возникновения реактивного двигателя, и каким образом он стал впервые применяться.

Фото: Сергей Фролов

Новая физическая идея — использование детонационного горения вместо обычного, дефлаграционного — позволяет радикально улучшить характеристики реактивного двигателя.

Нужны новые идеи, новые физические принципы. Ниже речь пойдет именно о такой идее и о ее воплощении в демонстрационном образце ракетного двигателя нового типа.

Дефлаграция и детонация

1 МВт/м2, то мощность тепловыделения в детонационном фронте на три-четыре порядка выше и может достигать 10000 МВт/м2 (выше мощности излучения с поверхности Солнца!). Кроме того, в отличие от продуктов медленного горения, продукты детонации обладают огромной кинетической энергией: скорость продуктов детонации в

20-25 раз выше скорости продуктов медленного горения. Возникают вопросы: нельзя ли в ракетном двигателе вместо дефлаграции использовать детонацию и приведет ли замена режима горения к повышению энергоэффективности двигателя?

Приведем простой пример, который иллюстрирует преимущества детонационного горения в ракетном двигателе над дефлаграционным. Рассмотрим три одинаковых камеры сгорания (КС) в виде трубы с одним закрытым и другим открытым концом, которые заполнены одинаковой горючей смесью при одинаковых условиях и поставлены закрытым концом вертикально на тягоизмерительные весы (рис. 1). Энергию зажигания будем считать пренебрежимо малой по сравнению с химической энергией горючего в трубе.

Рис. 1. Энергоэффективность детонационного двигателя

Мощность тепловыделения в детонационном фронте на 3-4 порядка выше, чем во фронте обычного дефлаграционного горения и может превышать мощность излучения с поверхности Солнца. Скорость продуктов детонации в 20-25 раз выше скорости продуктов медленного горения

Демонстрационный образец ДРД, установленный на испытательном стенде

Фото: Сергей Фролов

Импульсный и непрерывный режимы

Заданный удельный импульс в детонационном ракетном двигателе достигается при значительно меньшем давлении, чем в традиционном жидкостном ракетном двигателе. Это позволит в перспективе кардинально изменить массогабаритные характеристики ракетных двигателей

Рис. 2. Схема детонационного ракетного двигателя

Рис. 3. Квазистационарные расчетные поля давления (а, б) и температуры (в) в условиях трех экспериментов (слева направо). Как и в экспериментах, в расчетах получены режимы с четырьмя, тремя и одной детонационными волнами

Вот и новая идея, и новые физические принципы.

Один из результатов проекта — разработанное техническое задание на проведение опытно-конструкторской работы (ОКР) по созданию опытного образца ДРД. Основная проблема, которую планируется решить в рамках ОКР,— обеспечить непрерывную работу ДРД в течение длительного времени (десятки минут). Для этого потребуется разработать эффективную систему охлаждения стенок двигателя.

Ввиду своего прорывного характера задача создания практического ДРД, несомненно, должна стать одной из приоритетных задач отечественного космического двигателестроения.

Сергей Фролов, доктор физико-математических наук, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, профессор НИЯУ-МИФИ

Газ вместо керосина

Кадр видеосъемки огневых испытаний ДРД

Фото: Сергей Фролов

PDF-версия

• 26
• 27
• 28
• 29

Рабочее тело – воздух, попадает в компрессор и сжимается там. В компрессоре на одной вращающейся оси укреплены металлические диски, по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». Они «захватывают» наружный воздух, отбрасывая его внутрь двигателя.

Реактивные авиадвигатели во второй половине XX века открыли новые возможности в авиации: полеты на скоростях, превышающих скорость звука, создание самолетов с высокой грузоподъемностью, а также сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния. Турбореактивный двигатель по праву считается одним из самых важных механизмов ушедшего века, несмотря на простой принцип работы.

История

Первый самолет братьев Райт, самостоятельно оторвавшийся от Земли в 1903 году, был оснащен поршневым двигателем внутреннего сгорания. И на протяжении сорока лет этот тип двигателя оставался основным в самолетостроении. Но во время Второй мировой войны стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу – как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель.

Реактивный самолет Су-11 с двигателями ТР-1, разработки КБ Люльки

Тем не менее, родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране – Германии. Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: Heinkel, BMW, Daimler-Benz и даже Porsche. Основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109-004, устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.

Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе.

Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые испытания, а 28 мая свой первый полет совершил реактивный самолет Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработки КБ А.М. Люльки, ныне филиала Уфимского моторостроительного ПО, входящего в Объединенную двигателестроительную корпорацию (ОДК).

Принцип работы

Турбореактивный двигатель (ТРД) работает по принципу обычной тепловой машины. Не углубляясь в законы термодинамики, тепловой двигатель можно определить как машину для преобразования энергии в механическую работу. Этой энергией обладает так называемое рабочее тело – используемый внутри машины газ или пар. При сжатии в машине рабочее тело получает энергию, а при последующем его расширении мы имеем полезную механическую работу.

Таким образом, любой тепловой двигатель должен иметь устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. Все это есть у ТРД, соответственно: компрессор, камера сгорания, турбина, а в роли холодильника выступает атмосфера.

Рабочее тело – воздух, попадает в компрессор и сжимается там. В компрессоре на одной вращающейся оси укреплены металлические диски, по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». Они «захватывают» наружный воздух, отбрасывая его внутрь двигателя.

Далее воздух поступает в камеру сгорания, где нагревается и смешивается с продуктами сгорания (керосина). Камера сгорания опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб, которые называются жаровыми трубами. В жаровые трубы через специальные форсунки и подается авиационный керосин.

После турбины – реактивное сопло, где рабочее тело ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создает реактивную тягу.

Поколения турбореактивных двигателей

Несмотря на то, что точной классификации поколений турбореактивных двигателей в принципе не существует, можно в общих чертах описать основные типы на различных этапах развития двигателестроения.

К двигателям первого поколения относят немецкие и английские двигатели времен Второй мировой войны, а также советский ВК-1, который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15 и на самолеты ИЛ-28, ТУ-14.

Истребитель МИГ-15

ТРД второго поколения отличаются уже возможным наличием осевого компрессора, форсажной камеры и регулируемого воздухозаборника. Среди советских примеров двигатель Р-11Ф2С-300 для самолета МиГ-21.

Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось увеличением ступеней компрессора и турбин, и появлением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели.

Появление новых материалов, которые позволяют значимо поднять рабочие температуры, привело к созданию двигателей четвертого поколения. Среди таких двигателей – отечественный АЛ-31 разработки ОДК для истребителя Су-27.

Сегодня на уфимском предприятии ОДК начинается выпуск авиационных двигателей пятого поколения. Новые агрегаты установят на истребитель Т-50 (ПАК ФА), который приходит на смену Су-27. Новая силовая установка на Т-50 с увеличенной мощностью сделает самолет еще более маневренным, а главное – откроет новую эпоху в отечественном авиастроении.

События, связанные с этим

Объем реализации продукции ОДК вырос за год на 15-17%

2 H + 3 He = 4 He + p + 18.3 МэВ

1. Силовые установки

Рис. 1. Схема отсеков атомной подводной лодки проекта 949А «Антей»

2. Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Рис. 2. Модель американского двигателя «Nerva»

2.1. Устройство и принцип действия ЯРД.

Реакция дейтерий + тритий (топливо D-T)

2 H + 3 H = 4 He + n + 17.6 МэВ

Реакция дейтерий + гелий-3

2 H + 3 He = 4 He + p + 18.3 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:

• Сниженный нейтронный поток (реакцию можно отнести к «безнейтронным»),
• Меньшая масса радиационной защиты,
• Меньшая масса магнитных катушек реактора.

При реакции D- 3 He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D- 3 He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.

Другие виды реакций

Реакции между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо):

2 H + 2 H → 3 He + n + 3.3 МэВ,

2 H + 2 H →> 3 H + p + 4 МэВ.

Нейтронный выход в данном случае весьма значителен.
Возможны и некоторые другие типы реакций:

p + 6 Li → 4 He (1.7 MeV) + 3 He (2.3 MэВ)

3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16.9 MэВ

p + 11 B → 3 4 He + 8.7 MэВ

Рис.3 Строение жидкофазного ядерного двигателя

2.2 Ядерный импульсный двигатель

2.3 Другие разработки

Рис. 4. Прототип двигателя в рамках проекта Pluto

Рис. 5. Двигатель РД-0410

Технические характеристики РД 0410 [9]:

3. Проблема межпланетных полетов

3.1 Использование гравитационного маневра при полете к Марсу

Рассмотрим изменение характеристической скорости при полёте с околоземной круговой (опорной) орбиты к Марсу с использованием гравитационного манёвра у Луны [7].

Рис. 6. Эллиптическая орбита Гомана

Для перехода с круговой орбиты Земли вокруг Солнца на эллиптическую орбиту перелёта к Марсу (орбиту Гомана) необходима дополнительная характеристическая скорость (рис. 6) [8]:

Рис. 7. 1 – Орбита Земли вокруг Солнца, 2 – Эллиптическая орбита Гомана

Здесь V 1 – скорость отлёта из неподвижной относительно Земли точки, расположенной на круговой околоземной орбите. Учитывая, что мы уже движемся по этой орбите с круговой скоростью, для окончательной скорости отлёта к Марсу требуется скорость

Аналогично для перехода с эллиптической орбиты на орбиту вокруг Марса имеем

где

Здесь – первая (круговая) скорость относительно Марса, – первая (круговая) скорость на орбите Земли (рис. 6), – первая (круговая) скорость на орбите Марса (рис. 6), – первая (круговая) скорость относительно Земли, μ = GM – произведение массы тела M на гравитационную постоянную G . Значения параметра μ для Солнца, Земли и Марса
μ_с = 1.327·10 20 м 3 /с 2 , μ_з = 3.99·10 14 м 3 /с 2 , μ_мар = 4.228·10 13 м 3 /с 2

С учётом дополнительных затрат на управление и ориентацию (добавляем 5%) получим полную характеристическую скорость:

Если использовать гравитационный манёвр, то характеристическая скорость уменьшится

Соответственно выигрыш в скорости составит

Проведём расчёт характеристической скорости с учетом следующих значений радиусов орбит движения Земли и Марса вокруг Солнца:

R₁ = 1.5·10 11 м, R₂ = 2.28·10 11 м,

а также примем значения радиусов околоземной орбиты и орбиты около Марса

R₀₁ = 6.8·10 6 м, R₀₂ = 3.4·10 6 м

Максимальная скорость, которую мы можем получить при использовании гравитационного маневра у Луны, равняется:

ΔV_з = 3561 м/с, ΔV_мар = 2133 м/с,
ΔV_хар1 = 5979 м/с, ΔV_хар2 = 4379 м/с.

Выигрыш в скорости при использовании гравитационного маневра

При дальнейших расчетах будем использовать значение скорости ΔV_хар2 так как это позволяет нам сэкономить топливо.

3.2 Время полета к Марсу по орбите Гомана

Также необходимо рассчитать время полета к Марсу по выбранной нами траектории. Для этого используем формулы [8]:

Тогда время полета составит: Т ≈ 260 суток.

3.3 Сравнение затрат топлива жидкостного (Ж) и твердофазного ядерного (ТЯ) ракетного двигателя при полете к Марсу

Для нахождения массы топлива используем формулу К. Э. Циолковского [3]:

где M_т − масса топлива, M_к − конечная масса ракеты (без топлива), V_к − конечная скорость полета, V₀ − начальная скорость, W − скорость истечения газов из двигателя.
Обозначим:

Здесь: k ТО – весовой коэффициент топливного отсека, k су – весовой коэффициент системы управления, k ду – весовой коэффициент двигательной установки, n – коэффициент перегрузки, g 0 – ускорение силы тяжести, M пг – масса полезного груза. Также можно рассчитать какой процент топлива мы сэкономим при использовании ТЯРД по формуле:

Произведем расчеты при следующих параметрах для ЖРД и ЯРД:

ЖРД: W = 4599 м/с, k_ду = 0.001, k_су = 0.01, k_ТО = 0.1
ЯРД: W = 9000 м/с, k_ду = 0.01, k_су = 0.01, k_ТО = 0.1
n = 1, g = 9.81 мс -2 , M_пг = 128000 кг

Тогда имеем: D_ж = 1.65, D_я = 0.63, M_ж = 269903 кг, M_я = 105994 кг

Соответствующая экономия топлива составит ΔM = 69.7%.
Таким образом, использование гравитационного маневра у Луны дает значительный выигрыш в скорости, также следует отметить преимущество использования ТЯРД перед ЖРД.

Заключение

4. Низкий момент инерции ротора. Так как ротор представляет собой болванку без магнитов и обмоток, которые увеличивают этот показатель в асинхронных двигателях и двигателях с постоянными магнитами. Соответственно, уменьшается типоразмер двигателей. Из чего вытекает следующее преимущество.

Введение

Синхронный Реактивный Электродвигатель – синхронная машина, вращающий момент которой обусловлен неравенством магнитных проводимостей по поперечной и продольной осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов – такое определение дает ГОСТ 27471-87.

Принцип работы синхронного реактивного двигателя

В рассмотренном исполнении ротора разницы между магнитными сопротивлениями осей добиваются за счет увеличения воздушного зазора по оси q. Амплитуда момента прямо пропорциональна разнице между продольной L_d и поперечной L_q индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент. Математически это можно выразить с некоторыми допущениями, рассмотрев формулу электромагнитного момента для синхронной явнополюсной машины без возбуждения на роторе:

М_р = [mU 2 /(2ω₁ )] (1/Х_q — 1/Х_d ) sin 2θ,

где m=3 для трехфазного исполнения статора, ω1- угловая скорость ротора, Xq -индуктивное сопротивление по оси q ротора, Xd — индуктивное сопротивление по оси d ротора, θ-угол между полем ротора и полем статора, характеризующий степень растянутости «магнитной пружины».

Наибольший интерес у разработчиков систем электропривода вызвала конструкция СРД. Статор реактивного двигателя бывает с распределенной и сосредоточенной обмоткой. То есть, статор двигателя идентичен статору широко используемого асинхронного двигателя.

Особенно интересен ротор, который представляет собой вал с болванкой из шихтованной стали. На роторе отсутствуют обмотки, а также постоянные магниты.
Выделяют три основных типа ротора реактивного двигателя: ротор с явно выраженными полюсами, аксиально-расслоенный ротор и поперечно-расслоенный ротор.

а) Ротор с явно выраженными полюсами

б) Аксиально-расслоенный ротор

в) Поперечно-расслоенный ротор

Отличительная особенность синхронных реактивных двигате­лей (СРД) — отсутствие в них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключительно за счет вращающейся МДС обмотки статора.

Так как, СРД – синхронная машина, то его механическая характеристика в разомкнутой системе будет абсолютно жесткой.

Достоинства и недостатки синхронного реактивного двигателя:

Преимущества СРД:

1. Простота и надежность ротора, состоящего из тонколистовой электротехнической стали, без магнитов и короткозамкнутой обмотки;

2. Низкий нагрев. Так как в роторе нет обмоток, поэтому через него не протекает активный ток с выделением тепла. Это положительно сказывается на сроке жизни подшипников, а также на коэффициенте полезного действия системы. Так как снижаются потери на нагрев, то номинальный ток двигателя может быть завышен, что позволяет получить (при аналогичной мощности) более высокий момент (на 20-40%), чем у асинхронного двигателя.

3. Отсутствие магнитов. Из-за этого снижается конечная цена двигателя, так как при производстве не используются редкоземельные элементы.

4. Низкий момент инерции ротора. Так как ротор представляет собой болванку без магнитов и обмоток, которые увеличивают этот показатель в асинхронных двигателях и двигателях с постоянными магнитами. Соответственно, уменьшается типоразмер двигателей. Из чего вытекает следующее преимущество.

5. Меньшие габариты при той же мощности в сравнении с АД.

7. Абсолютно жесткая механическая характеристика в разомкнутой системе. Это говорит о том, что двигатель способен поддерживать скорость на заданном уровне с большой точностью, до тех пор, пока момент не превысит максимальное значение.

Недостатки СРД:

1. Пуск и работа СРД возможны только от преобразователя частоты. Бездатчиковая система управления отслеживания положения ротора является необходимым условием работы синхронного реактивного двигателя. Преобразователь в каждый момент времени отслеживает потребляемый ток двигателя, так как при повороте вала изменяется магнитное сопротивление в зазоре, и формирует магнитное поле в соответствии с этим изменением, добиваясь высокой производительности.

2. Низкий коэффициент мощности при работе с ослаблением поля. СРД демонстрируют лучшие энергетические показатели при работе в зоне насыщения. При выходе на повышенную скорость, необходимо уменьшить ток намагничивания машины id, в результате чего, заметно упадет момент двигателя, а коэффициент мощности резко снизится в следствие потребления большего реактивного тока. Поэтому для применений в которых осуществляется работа на повышенных скоростях такие двигатели лучше не использовать.

Заключение:

реферат, добавлен 01.11.2010

Подобные документы

История разработки типов реактивных двигателей в России. Теоретические исследования их работы и полёта в пределах и за пределами атмосферы. Основные преимущества реактивной техники. Определение скорости двигателя, его влияния на окружающую среду.

презентация, добавлен 14.11.2014

Понятие теплового двигателя, его сущность и общие положения. Циклы работы двигателей и их характеристика принцип работы и внутренние процессы. КПД двигателей и паросиловой станции, методы его определения. Сферы применения тепловых двигателей и их виды.

курсовая работа, добавлен 26.12.2008

История появления паровых двигателей. Совершенствование паровых двигателей и котельных установок. Новые тепловые двигатели. Паровая и газовая турбины. Двигатели внутреннего сгорания. Применение водяных турбин. Идея использования атомной энергии.

доклад, добавлен 01.12.2009

Условия, необходимые для работы тепловых двигателей. Характеристика паросиловой станции, паровых котлов и турбин, поршневой паровой машины; учет расходуемой энергии и коэффициенты полезного действия. Принципы работы двигателей на различных видах топлива.

реферат, добавлен 01.11.2010

История открытия реактивных двигателей. Характеристика их основных типов и классификации. Главный анализ прямоточного воздушно-реактивного мотора. Особенность работы тепловой машины. Сущность поршневого и роторного механизмов внутреннего сгорания.

контрольная работа, добавлен 24.01.2016

Принципы работы судовых двигателей, устройство двигателей внутреннего сгорания и их классификация. Конструктивные узлы и системы двигателя, схема работы четырехтактного и двухтактного дизеля, сравнение двигателей. Недостатки четырехтактных двигателей.

реферат, добавлен 17.11.2014

Устройство и принцип действия двигателей постоянного тока. Технические данные двигателей. Сущность и специфика регулировочных, скоростных, механических и моментных характеристик работы двигателя. Описание изменения коэффициента полезного действия.

контрольная работа, добавлен 28.03.2015

Условия работы тепловых двигателей. Устройство и работа паровой турбины. Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Устройство поршня двигателя внутреннего сгорания, коэффициент его полезного действия. Двигатель Дизеля. Реактивные двигатели.

реферат, добавлен 29.05.2012

Применение ионных реактивных двигателей в космических аппаратах для разгона в открытом космосе. КПД таких двигателей по сравнению с химическими и ядерными ракетными двигателями. Разработка генератора Ван де Граафа. Выбор оптимальной формы ионной вертушки.

статья, добавлен 05.05.2019

Понятие и виды двигателей внутреннего сгорания: топливные, газовые, с внешним и внутренним смесеобразованием, карбюраторные, дизельные, поршневые и турбинные, реактивные и комбинированные. Мощность, экономичность и другие характеристики двигателей.

реферат, добавлен 15.11.2015

• 1
• 2
• 3
• 4
• »

Если посмотреть на схему, можно заметить, что ядерная энергия начинает свою полезную работу совсем не сразу. Сначала нагревается теплообменник, затем вырабатывается электричество, оно уже используется для создания тяги ионного двигателя. Увы, более простым и эффективным образом использовать ядерные установки для движения человечество пока не научилось.

Необходимо и достаточно

В настоящее время всё это выглядит фантастикой, но до тестирования прототипа, как утверждают ученые, остаются считаные годы. Главное, что требуется, это не только завершить разработку, но и сохранить в стране необходимый уровень космонавтики. Даже при падении финансирования должны продолжать взлетать ракеты, строиться космические аппараты, работать ценнейшие специалисты.

Иначе один атомный двигатель без соответствующей инфраструктуры делу не поможет, для максимальной эффективности разработку будет очень важно не просто продать, но использовать самостоятельно, показав все возможности нового космического транспортного средства.

Пока же всем жителям страны, не завязанным на работе, остается только посматривать на небо и надеяться, что у российской космонавтики всё получится. И ядерный буксир, и сохранение нынешних возможностей. В другие исходы и верить не хочется.