Реактивная сила, природа появления в ракетном двигателе

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕАКТИВНАЯ СИЛА, ПРИРОДА ПОЯВЛЕНИЯ В РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ

Клишев Б.В.

Клишев Ф.Б.

г. Анапа

1. Существующие положения теории сопла и теории ракетных двигателей

Цитата №1 «Сила тяги реактивного двигателя возникает непосредственно в двигателе за счет реакции элементов его конструкции на давление рабочего тела - вещества, выбрасываемого в окружающую среду», Введение [1].

Цитата №2 «В реактивном двигателе сила возникает как реакция элементов конструкции двигателя на действие протекающего в нем газообразного или жидкого вещества, отбрасываемого для создания тяги, так называемого рабочего тела», Введение [1].

Цитата №3 «Известно, что поток газа может быть ускорен при движении по соплу - конфузорно-диффузорному каналу. Такое сопло называют соплом Лаваля по имени его изобретателя. Причем, если перепад (отношение) давления на входе в сопло и в среде, куда происходит истечение, достаточный, в минимальном сечении сопла устанавливается скорость движения газа, равная местной скорости звука, а в расширяющемся раструбе сопла поток ускоряется до сверхзвуковых значений», Глава 3 [1].

Цитата №4 «Равнодействующая газо- и гидродинамических сил, приложенных к внутренней поверхности проточного тракта при течении по нему рабочего тела, является реактивной силой. Природа появления реактивной силы - изменение вектора количества движения потока», Глава 6 [1].

2. Существующие теоретические положения об инертности (инерции), инертной массе, силе инерции и ускорении

Инертность (инерция) - «свойство материальных тел, проявляющееся в том, что тело сохраняет неизменным состояние своего движения или покоя по отношению к т.н. инерциальной системе отчета, когда внешние воздействия на тело (силы) отсутствуют или взаимно уравновешиваются». [2]

Инерция (инертность) -- свойство тела в большей или меньшей степени препятствовать изменению своей скорости относительно инерциальной системы отсчёта при воздействии на него внешних сил [3].

Инертная масса m, это - «Инертная масса, - мера инертности тела в физике, показатель того, в большей или меньшей степени данное тело будет препятствовать изменению своей скорости относительно инерциальной системы отсчёта при воздействии внешних сил…» [4].

Согласно второму закону Ньютона, тело, двигаясь с ускорением, имеет инертную массу, m=F/a. [4].

«Сила инерции - векторная величина, числено равная произведению массы m материальной точки на ее ускорение щ и направленная противоположно ускорению». [2].

Сила инерции F, это - «Сила инерции (также инерционная сила) - многозначное понятие, применяемое в механике по отношению к трём различным физическим величинам. Одна из них…

- «эйлерова сила инерции» -- используется при рассмотрении движения тел в неинерциальных системах отсчёта…» [5].

Природный механизм возникновения силы инерции в нуклоне вещества материальной точки при взаимодействии с внешними гравитационными силовыми линиями (ВГСЛ), изложен, (п. 3.2., [6]).

Ускорение a, которое при постоянно ускоренном прямолинейном движении с нулевой начальной скоростью и конечной скоростью v определяется уравнением, а=v/t, при этом предполагается, что время отсчитывается от начала движения, t0 = 0 [7].

3. Анализ существующей теории сопла и теории ракетных двигателей

Существующая теория сопла не дает ответы на вопросы.

Какие силы фактически совершают работу по перемещению космического аппарата (КА) и отбрасыванию в обратном направлении рабочего тела в окружающую среду?

Что является опорой рабочему телу (РТ) истекающему из сопла ракетного двигателя в космический вакуум, для создания реактивной силы?

На что опирается РТ на срезе сопла, чтобы создать давление на внутреннюю поверхность элементов конструкции ракетного двигателя, давление, которое создает реактивную силу?

Что является причиной возникновения и увеличения силы инерции (инертности) РТ при движении по сверхзвуковой части сопла?

Как порция РТ в закритичной части сопла, ускоряясь до сверхзвуковой скорости, препятствует мгновенному расширению следующей за ним порции РТ с дозвуковой скоростью и с более высоким давлением?

4. Теоретическое обоснование возникновения реактивной силы в расширяющейся части, до выходного сечения сопла

В существующей версии теории сопла предполагается, что «Сила тяги реактивного двигателя возникает непосредственно в двигателе за счет реакции элементов его конструкции на давление рабочего тела - вещества, выбрасываемого в окружающую среду» п.1.1. и п. 1.4.

Существующая академическая (научная) версия теории сопла, на основании которой сформулировано данное определение силы тяги, не раскрывает принцип физического явления, как рабочее тело создает давление на элементы конструкции двигателя направленное в сторону движения ракеты, при отсутствии опоры в противоположной стороне, на срезе сопла Лаваля.

В связи, с чем предлагается пояснение, раскрывающее физический принцип данного явления, возникновение реактивной силы ракетного двигателя (РД), Рис.1.

Рис.1. Схема распределения рабочего тела на условные порции в закритической (расширяющейся) части сопла.

1-1 - критическое сечение; 2-2 - сечение (расчетное) по условной границе между РТ1 и РТ2; 3-3 - выходное сечение сопла.

1 - камера сгорания; 2 - продукты сгорания в докритической части сопла; 3 - порция рабочего тела РТ2; 4 - порция рабочего тела РТ1; 5 - корпус закритической (расширяющейся) части сопла; 6 - порция рабочего тела РТ0 за выходным сечением сопла; R2 -, равнодействующая сила давления Р1 и силы реакции корпуса расширяющейся части сопла, реактивная сила РД; F3 - равнодействующая силы давления при расширении и силы инертности ускоряющейся порции РТ2; F4 - сила инертности сверхзвуковой порции РТ1; Р1 - давление в критическом сечении продуктов сгорания; Р2 - установившееся давление РТ2 по критическому сечению; Р3 - установившееся давление РТ2 по условной границе между РТ1 и РТ2; Р4 - установившееся давление РТ1, в расчетном режиме Р4= Р3.

Известно, что порция рабочего тела РТ1, при перемещении в закритическую, расширяющуюся часть сопла, ускоряется до сверхзвуковых скоростей [8],[9] и как следствие приобретает в пределах расширяющегося сопла силу инертности F4 которая находится из уравнения F=ma [5] и направлена противоположно ускорению (силе создающей ускорение). [2].

В свою очередь ускорение a, которое при постоянно ускоренном прямолинейном движении с нулевой начальной скоростью и конечной сверхзвуковой скоростью v, определяется уравнением, а=v/t, при этом предполагается, что время отсчитывается от начала движения, t0=0 [7]. Для упрощения принимается, начальная скорость в критическом сечении и конечная скорость, на срезе сопла.

Согласно свойствам инертной массы [4], ускоренная до сверхзвуковой скорости порция РТ1, поз. 4, рис. 1. начинает препятствовать силой инертности F4 (возникает «пробка») перемещению следующей порции РТ2 по продольной оси симметрии х сверхзвукового сопла.

В результате расширения порции РТ2, поз. 3, рис. 1, в ограниченном объеме между, продуктами сгорания высокого давления Р1 в критическом сечении 1-1, конусообразным корпусом сопла, поз. 5 рис. 1. и порцией РТ1 («пробкой») поз. 4, рис. 1., возникает давление силой Р2.

При этом порция РТ2 могла бы расширяться быстрее (мгновенно) при отсутствии сдерживающего фактора, силы инертности сверхзвуковой порции РТ1, поз. 4, рис. 1. реактивный сила ракетный двигатель

В связи, с чем в элементах корпуса расширяющегося сопла и продуктах сгорания в критическом сечении возникает сила реакции R2 на давление расширяющейся и ускоряющейся порции РТ2 расширение которой, в свою очередь сдерживается силой инертности F4 порции РТ1, которая направлена противоположно ускорению и сверхзвуковому движению порции РТ1. Так появляется реактивная сила РД.

Непрерывную механическую работу по перемещению космического аппарата (КА) выполняет постоянно расширяющаяся порция РТ2 которая своим давлением отталкивает элементы корпуса сверхзвукового сопла и продукты сгорания в критическом сечении, от порции РТ1 («пробки») обладающей силой инертности F4 направленной противоположно расширяющейся порции РТ2.

Также за срезом сопла порция РТ0 поз. 6, рис. 1., не может быть опорой для порции РТ1 т.к. за срезом сопла порция РТ0 двигается со скоростью РТ1, деформируется, продавливается порцией РТ1 по вектору движения и расширяется радиально в окружающей среде, ничем не ограниченное, например, корпусом сопла. Следовательно, сила (Fapa) [1] в выходном сечении сопла не может являться составляющей пустотной силы тяги ракетного двигателя.

КА начинает движение противоположно движению рабочего тела при условиях, когда масса и сила инертности КА, становятся меньше чем сила инертности рабочего тела в закритической части сопла.

В связи, с чем предлагается перефразировать формулировку силы тяги п. 1.1., Сила тяги реактивного двигателя возникает непосредственно в двигателе за счет реакции элементов его конструкции на давление создаваемое силой инертности расширяющегося и ускоряющегося рабочего тела, которое перемещается в закритической части сопла.

Расчет силы инертности рабочего тела, основной составляющей силы тяги ракетного двигателя.

Числовые значения параметров взяты произвольно.

-Плотность с РТ в расчетном сечении

с=1,0 кг/м3.

-Площадь F расчетного сечения диаметром 1,0 м расширяющегося сопла

F =3,14*0,5*0,5м=0,785м2.

-Скорость W слоя порции РТ в расчетном сечении

W=2500м/с.

-Расстояние S от критического до расчетного сечения

S=1,0м.

-Время Т, перемещения одного слоя порции РТ от критического до расчетного сечения 

Т=S/ W=1,0/2500=0,0004с.

-Ускорение g слоя порции РТ на пути от критического до расчетного сечения

g =W/T=2500/0,0004=6250000м/с2.

-Масса mс слоя РТ длиной Sс=0,01м вдоль оси х

mс=с*Sс*F=1,0*0.01*0,785=0,00785кг.

-Сила инертности Fс одного слоя РТ

Fс=mс*g= 0,00785х6250000=490625Н.

-Сила инертности Fп порции РТ длиной в 10 слоев

Fп= Fс*10=490625*10=4 906 250Н.

-Давление Р в расчетном сечении расширяющегося сопла

Р= Fп/ F = 4 906 250Н/0,785м2=62,5кг/см2, или 6,25 мПа.

Выводы

В результате понимания сложнейших рабочих процессов появились новые фундаментальные результаты, возможность создания ракетного двигателя без выброса рабочего тела в окружающую среду, например ядерный ракетный двигатель с последующей криоконденсацией и рециркуляцией водорода, для передвижения КА в космическом вакууме.

Возможна оптимизация проектирования различных типов (профилированного, кольцевого, штыревого, тарельчатого и т.д.) сверхзвукового сопла на основе нового понимания физических процессов происходящих в сверхзвуковой части сопла ракетного двигателя с учетом силы инертности.

Возможно создание более экономичного и скоростного ракетного двигателя на различных видах топлива, ЖРД, РДТТ и ЯРД.

При удалении КА от естественного гравитирующего космического объекта плотность ВГСЛ уменьшается, и также уменьшается зависимая от плотности ВГСЛ сила инертности РТ, в связи, с чем уменьшается реактивная сила ракетного двигателя, пример, эффект Оберта [10].

Литература и интернет - источники

1.Основы теории тепловых ракетных двигателей. Теория, расчет и проектирование : учебник / А. А. Дорофеев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 571, [5] с

2. Физическая ЭНЦИКЛОПЕДИЯ. Глав. ред. А.М. Прохоров. Москва. «Советская энциклопедия» 1988

3. Клишев Б.В. Кварк-глюонная модель гравитационных сил в Природе и механизмы гравитационных эффектов.

4. Основы теории расчета жидкостных ракетных двигателей А.П. Васильев. Кн.1. - 4-е изд. М:, Высш. шк., 1993 - 383 с.

5. Теория устройства ракетных двигателей: учебное пособие / А.В. Яскин; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. ? Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2013. 262 с.

Аннотация

В результате анализа существующих теорий работы сверхзвукового сопла Лаваля и на основании новой теории о гравитации определился природный механизм появления реактивной силы ракетного двигателя. Непрерывную механическую работу по перемещению космического аппарата выполняет постоянно расширяющаяся порция рабочего тела, которая своим давлением отталкивает продукты сгорания в критическом сечении и элементы корпуса сверхзвукового сопла, от ускоряющейся порции рабочего тела, которая обладает силой инертности направленной противоположно расширяющейся порции.

Ключевые слова. реактивная сила, внешние гравитационные силовые линии, сила инертности (инерции), сопло Лаваля, рабочее тело, ракетный двигатель.

Размещено на Allbest.ru