Для эффективного торможения космического корабля направление струи выхлопных газов

Обновлено: 05.07.2024

Реактивная струя не опирается на воздух подобно лопасти игрушечного вертолёта, или бумажного самолётика.

Будь в космосе атмосфера, она бы только усложняла работу реактивного двигателя создавая сопротивление воздуха движению объекта вперёд.

Принцип работы реактивного двигателя легко понять глядя на винтовку при выстреле - винтовка в момент выстрела это ракета, а пороховые газы вылетающие из ствола - реактивная струя.

Когда взрывается порох в патроне, взрыв оказывает одинаковое давление во все стороны.

Но если давление направленное на верхнюю часть ствола компенсируется давлением пороховых газов на нижнюю стенку ствола, то давление идущее в сторону приклада компенсировать нечем (кроме вашего плеча, обычно) - пороховые газы свободно вылетают через выходное отверстие ствола винтовки в направлении цели.

Если ствол винтовки надёжно запаять и каким-то образом внутри ствола произвести взрыв пороха в патроне - эффекта реактивного не будет, отдачи в ваше плечо не будет. В лучшем случае - вы услышите какой-то звук внутри недвижимой винтовки; в худшем - даже не успеете заметить, как ствол превратился в аналог гранаты, если пороха окажется достаточно для того, чтобы разорвать стенки ствола. Но отдачи в плечо не будет точно.

А вот если в этом запаянном стволе (пускай очень прочном стволе - чтобы его не разрывало) - если в этом запаянном стволе просверлить отверстие в произвольном месте на одной из его стенок - то при взрыве пороха внутри ствола отдача будет в сторону противоположную той, на которой вы просверлили отверстие.

Винтовочная отдача при выстреле - наглядная демонстрация работы реактивной струи. Приклад толкает вас в плечо не потому, что пороховые газы выходя из ствола отталкиваются от воздуха.

Если винтовку поместить в космосе и выстрелить - она улетит в направлении противоположном тому направлению, в котором она стреляла, то есть от мишени подальше.

Если же запереть в космос пулемёт и заклинить курок на постоянной стрельбе - то пулемёт превратится в буквально реактивную ракету: каждый выстрел будет добавлять скорости этой "ракете".

В общем-то, для движения в безвоздушном пространстве необязательны реактивные струи и взрывы пороховых газов.

Если паря в невесомости открытого космоса в скафандре вы швырнёте дрель по вашему несносному коллеге космонавту, то не только дрель полетит к вашему коллеге, но и вы полетите от коллеги в противоположную сторону - впрочем, не так быстро , как дрель летит к нему (вы ведь гораздо тяжелее дрели).

Для движения такого рода наличие воздуха не играет роли вообще.

Эффект будет одинаков что у вас в космосе швыряющего дрель в коллегу, что у Герасима выбрасывающего за борт Муму - при броске вы полетите от брошенной дрели, а Герасим с лодкой чуть сдвинется в сторону потивоположную полёту бедного животного. и чем дальше вы попытаетесь забросить дрель или Герасим Муму, тем интенсивнее будет ваше отдаление от коллеги астронавта и тем дальше в сторону берега качнётся лодка Герасима, пока вода не поглотит импульс.

В общем, пламя космического корабля не упирается в воздух и у Земли, воздух только мешает двигаться кораблю от Земли в Космос преодолевая гравитацию.

Космический аппарат на орбите необходимо постоянно поддерживать в определенном положении относительно Земли и Солнца. Эта задача решается с помощью системы ориентации, включающей реактивные двигатели. Они работают в импульсном режиме: при включении выбрасываемая из сопла в космос сверхзвуковая горячая струя создает тягу для ориентации в заданном положении. В результате в космос периодически выбрасываются как сгоревшие, так и несгоревшие, в том числе капельные, фракции топлива.

Оказывается, даже в вакууме космонавты могут пострадать от токсического воздействия вредных выхлопов двигателей. Какие физические явления лежат в основе происходящих процессов и как защитить космическую станцию от космической грязи? Решение этих проблем потребовало фундаментальных исследований газодинамической структуры течения вакуумных струй.

Космический аппарат на орбите необходимо постоянно поддерживать в определенном положении относительно Земли и Солнца. Эта задача решается с помощью системы ориентации, куда входят двигатели управления и ориентации. Сейчас для этих целей применяются жидкостные ракетные двигатели малой тяги, топливом которых являются самовоспламеняющиеся компоненты – амил (азотный тетраоксид) и гептил (несимметричный диметилгидразин).

Высокая температура сгорания топлива (около 3000 °С) требует защиты стенок двигателя и сверхзвукового сопла от продуктов горения, для чего используется пристенная жидкостная пленка из того же топлива (в основном гептила). Двигатели работают в импульсном режиме: при включении сверхзвуковая горячая струя газов, выбрасываемая из сопла, создает тягу для ориентации космического аппарата в заданном положении. Таким образом, работа двигателей ориентации сопровождается периодическим выбросом в космос как сгоревших, так и несгоревших, в том числе капельных, фракций топлива.

Элементы конструкции, оказавшиеся в выхлопном факеле двигателя, подвергаются значительному тепловому, силовому и физико-химическому воздействию. Кроме того, продукты неполного сгорания топлива оседают на поверхности корабля и могут попадать на скафандры космонавтов при выходе их в открытый космос. Из-за токсичности самого топлива они представляют собой большую опасность для людей при попадании их внутрь космического аппарата.

В земном вакууме

Что такое разреженный газ, и чем он отличается, например, от привычного атмосферного воздуха?
Известно, что воздух состоит из смеси молекул азота и кислорода, которые постоянно движутся и сталкиваются между собой. Путь, проходимый молекулой от одного столкновения до другого, называется длиной свободного пробега молекул. Для воздуха при нормальных условиях (обычном атмосферном давлении и комнатной температуре) эта величина очень мала и составляет примерно 7•10 -8 . Поэтому в обычном атмосферном воздухе летательный аппарат размером около 10 м будет испытывать многочисленные столкновения с молекулами воздуха, а на высоте 300 км, соответсвенно, – очень редкие. Отношение средней длины свободного пробега молекул к характерному размеру тела принято называть числом Кнудсена (Kn). Таким образом, разреженными считаются течения газа, для которых число Kn >> 1, а обычными – при Kn 3

Сначала исследования проводились на уже существовавших вакуумных стендах и касались в основном моделирования силового и теплового воздействия факелов двигателей. Основополагающим для модельных экспериментов стал проведенный ранее в институте цикл фундаментальных исследований по влиянию неравновесных процессов на характер сверхзвукового струйного расширения атомарных и молекулярных газов в вакууме.

Оказалось, что при определенных условиях именно неравновесные процессы (такие как гомогенная конденсация и колебательная релаксация) определяют газодинамическую структуру течения вакуумных струй. Этот экспериментально обнаруженный факт и был положен в основу нового подхода к моделированию струй двигателей.

Струя падает назад

Еще более удивительно при истечении в вакуум ведет себя пристенная пленка жидкости, используемая для охлаждения стенок сопла. Для выяснения деталей этого процесса были поставлены эксперименты по совместному истечению газа из трубки с пристенной пленкой жидкости в атмосферных условиях и в вакуум (где давление в миллион раз меньше атмосферного), при этом все остальные параметры экспериментов оставались неизменными.

Результаты экспериментов оказались весьма показательными. При истечении в атмосферу наблюдалась обычная газожидкостная струя, в то время как при истечении в вакуум пристенная пленка на выходной кромке трубки разворачивалась на 180° и начинала двигаться по наружной поверхности трубки в обратном направлении, преодолевая даже действие силы тяжести! Далее пленка распадалась, создавая поток капель на присопловую поверхность.

Грязь не пройдет!

Таким образом, относительно простой эксперимент позволил объяснить причину возникновения обратных потоков капель топлива, которые приводят к загрязнению поверхности космической станции при работе двигателей системы ориентации. Дальнейшее, как говорится, было делом техники.

Защитные экраны были доставлены на МКС, где в январе 2002 г. космонавты Ю. Онуфриенко и Д. Берш установили их на двигатели ориентации служебного модуля во время выхода в открытый космос.

В рамках программы эксперимента вблизи двигателей устанавливались планшеты с образцами различных материалов, на которые и осаждались загрязняющих фракции. Эксперимент был повторен дважды: до установления защитных экранов на сопла и после установки. Затем планшеты были демонтированы и возвращены на Землю для тщательного исследования.

Таким образом, результаты натурных исследований, проведенных непосредственно в космосе, полностью совпали с результатами модельных экспериментов в вакуумных камерах ИТ СО РАН. И дело не только в успешном решении проблемы загрязнения МКС токсичными выбросами, хотя это очень важно. Многолетние контакты ученых с ведущими специалистами-практиками стимулировали появление новых программ фундаментальных исследований, новых методов диагностики, подтолкнули развитие экспериментальной базы.

Ребров А. К., Ярыгин В. Н. Вакуумная газодинамическая установка с электродуговым подогревом газа // 1967. ТВТ. № 1. С. 182—183.

Кутателадзе С. С., Ярыгин В. Н., Ребров А. К. Некоторые проблемы молекулярной газодинамики // Вестн. АН СССР. 1984. № 4. С. 79—85.

Ребров А. К., Ярыгин В. Н. Молекулярная газодинамика и неравновесные процессы // ТиА. 1997. Т. 4, № 2. С. 171—179.

Gerasimov Yu. I., Yarygin V. N. Problems of Gas-Dynamical and Contaminating Effect of Exhaust Plumes of Orientation Thrusters on Space Vehicles and Space Stations // Proc. 25th Int. Symp. Raref. Gas Dyn. (RGD25). St.-Petersburg, Russia, 2007. P. 805—811.

Герасимов Ю. И., Мишина Л. В., Приходько В. Г., Ярыгин В. Н. Способ защиты поверхности космического аппарата от загрязнения, образующегося при дренаже гидравлических магистралей и работе ракетных двигателей, и устройство для его осуществления // Патент РФ №2149807 от 24.05.1999.

Герасимов Ю. И., Крылов А. Н., Соколова С. П. и др. Газодинамические аспекты проблемы загрязнения Международной космической станции. Часть 2. Натурные эксперименты // ТиА. 2003. Т. 10. № 4. С. 575—586

Грохот уходящих в космос ракет, гигантские столбы огня, колоссальная сила, превосходящая силу тяжести. Форсажный рев боевых самолетов. Самое громкое и мощное силовое устройство человека. Все это — канал особой формы и особых свойств, радикально изменивший человечество. В чем его суть и как происходит трудное рождение сверхзвука — читайте в нашем материале.

Эволюционная история сопла

Сопло — устройство для разгона потока жидкости или газа. Зачем его разгонять? В одних случаях нужен сам быстрый поток, используемый дальше. В других нужен не поток, а сила, возникающая при его выбросе, — реактивная. Такое силовое сопло называют реактивным. Именно реактивные сопла были практически освоены первыми с возникновением первых ракет.

Одновременно с широкой эксплуатацией ракет паровая техника конца ХIX века дошла до паровых турбин, которыми вращались винты судов. Для обтекания лопаток турбин требовалась высокоскоростная струя, и чем быстрее была скорость паровой струи, тем большую силу она создавала на лопатках турбины, повышая ее мощность. Сопло здесь требовалось не для реактивной силы (которая, конечно, тоже возникала, но как побочный, неиспользуемый эффект), а для создания потока большой скорости. Через него энергия, брошенная соплом в виде массы пара, попадет на лопатки и совершит на них работу, прокрутив с силой. Общее усилие лопаток передается на гребной винт.

Работая над высокоскоростным паровым соплом турбины, шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль в 1890 году предложил принципиально новый тип сопла. Оно смогло разгонять поток до сверхзвуковых скоростей, чего раньше никогда не удавалось сделать. Так был перейден сверхзвуковой Рубикон, сразу удвоивший скорости истечения.

Сверхзвуковой Рубикон

И у сопел эолипила Герона, и у наконечника пожарного брандспойта (а это сопло для разгона струи воды) канал течения сужается. В таком канале поток рабочего тела – пара, газа или жидкости разгоняется. Почему? Расход (количество рабочего тела, проходящее через сечение за секунду) в любом месте канала одинаковый – сколько втекает через начальное сечение, столько должно и выйти через конечное. Ведь текущее по каналу вещество не уменьшается и не прибавляется, в стенках нет отверстий, подводящих или отводящих его. И закон сохранения массы делает одинаковым расход вещества через любое место сопла.

И жидкость, и дозвуковой поток газа практически не меняют своего объема, поэтому приближённо рассматриваются как несжимаемые, когда до скорости звука ещё далеко. Неизменный расход их массы означает неизменный расход их объема. Потоку приходится поторопиться, чтобы прогнать тот же объем через сузившееся место. Газ вынужден ускоряться.

Течь его заставляет перепад давлений – поток течет в сторону низкого давления, толкаемый сзади высоким. В сужающемся канале непрерывно падают давление и температура потока, зато растет его скорость. Происходит перекачка потенциальной энергии давления и температуры газа в энергию движения, в его разгон. Чем выше перепад давлений между началом и срезом сопла, тем больше разгон и скорость истечения. Для ее роста поднимают давление перед соплом. Это же верно и для перепада температур, и газ стараются сильнее нагреть сжиганием топливных компонентов.

Но у скорости истечения оказался свой принципиальный предел. Это истечение со скоростью звука. Он не преодолевается никаким повышением давления на входе с сопло. Сколько бы его ни поднимали, в два, четыре или десять раз, в пределах сужающегося сопла поток не превысит скорость звука.

Вспомним, что такое дозвуковое и сверхзвуковое движение. Скорость звука (слабых волновых уплотнений в газе) зависит от многих факторов – состава газа, его плотности и давления. Но больше всего она зависит от температуры. В конкретных условиях скорость звука принимает конкретное местное значение. Сравнивает скорость потока с местной скоростью звука число Маха, деля скорость потока на скорость звука. Его значение обозначается М и показывает, во сколько раз скорость течения больше или меньше скорости звука. Когда М меньше единицы, поток медленнее звука – дозвуковой. При М=1 поток течет ровно со скоростью звука. При М > 1 поток сверхзвуковой.

Чтобы перешагнуть за М=1 и продолжить разгон или торможение потока, нужно сменить воздействие на противоположное. При геометрическом воздействии (сужение канала) нужно сменить его знак. Для разгона это смена сужения на расширение. Где сменить, когда? После достижения потоком скорости звука. В расширяющейся части поток станет сверхзвуковым и будет разгоняться дальше. Почему?

Став сверхзвуковым, поток получает критически другие свойства. Дозвуковая несжимаемость сменяется на большую сжимаемость и расширяемость. Расширение газа столь велико, что обгоняет геометрическое расширение канала. Распухающий газ вынужден все быстрее протекать даже через растущие сечения канала. Поэтому скорость потока в сверхзвуковом расширении сопла возрастает, а плотность газа снижается. Лаваль предложил эту форму сопла и получил на выходе сверхзвуковой поток. А сопло с геометрией сужения-расширения назвали соплом Лаваля.

Пути достижения сверхзвука

Отметим, что разогнать поток до сверхзвука может не только меняющаяся геометрия сопла Лаваля. Возможны сверхзвуковые сопла с неизменной геометрией канала, просто с ровной трубой. Их три типа: массовое, тепловое и механическое. И все они работают по принципу обращения воздействия. Массовое сопло имеет продырявленные стенки. В дозвуковой части трубы через перфорацию стенок внутрь закачивается газ. Для прохода через трубу прирастающего количества газ ускоряется, достигая скорости звука. А после скорости звука воздействие меняется на противоположное – газ через отверстия в стенках откачивается из трубы. Что вызывает расширение (есть куда после откачки) и разгон остающегося в трубе газа. Для разгона потока меняется расход массы газа – поэтому сопло называется массовым.

Два других типа чисто теоретические. Тепловое сопло – при движении по неизменной трубе газ нагревается, достигая скорости звука. А после нее газ охлаждается со сверхзвуковым разгоном. Механическое сопло подводит энергию в газ силовым механическим воздействием, а за скоростью звука так же механически отводит энергию для разгона сверхзвукового потока.

Сопло Лаваля – частный случай принципа обращения воздействия, его геометрический аватар. Две противоположные воронки с общим узким местом. Именно такое сопло широко используют в практических делах. Поскольку достижение скорости звука радикально меняет поведение потока, скорость звука назвали критической скоростью. А сечение сопла (всегда наименьшее), в котором достигается скорость звука, назвали критическим сечением сопла.

В сужающейся дозвуковой части сопла плотность газа меняется незначительно, он расширяется мало. Зато существенно снижаются его давление и температура – скорость растет в основном за счет них. Круче всего эти параметры падают в критической части сопла, в зоне скорости звука. Смена воздействия сохраняет эти изменения потока и дальше, в сверхзвуковой части, добавляя расширение газа. Поэтому скорость потока непрерывно растет в обеих частях сопла – и дозвуковой, и сверхзвуковой.

При старте с поверхности Земли в сопло давит атмосфера, препятствуя истечению. Струя вылетает из сопла расширенной сильнее атмосферы – плотность и давление струи ниже атмосферных. Такая струя называется перерасширенной, а сопло работает в режиме перерасширения. Чем разреженнее поток на срезе сопла, тем больше перепад давления с атмосферой и ее противодействие струе. Перерасширенная сверхзвуковая струя за счет высокой скорости выходит из сопла против перепада в половину атмосферы, а то и больше. И тормозится атмосферой уже за соплом.

Вот оно, работающее свойство сверхзвукового потока двигаться в сторону большего давления. Если этот перепад вырастет еще больше, атмосферное давление втиснется в сопло и начнет отжимать струю от стенок, “выключая” этот участок сопла. Тем самым тормозить струю еще в расширении сопла, не давая вырастать тяге – начнется режим запирания сопла наружным давлением. Зачем же расширять поток на срезе сопла ниже давления атмосферы? Потому что ее давление быстро падает с ростом высоты, в которую все стремительное будет уходить ракета.

Это клин обтекается сверху вниз сверхзвуковым потоком из небольших камер сгорания, тесным рядом установленных вверху. Каждая сторона клина становится для потока из камер одной стенкой сопла. Другой стенкой является атмосфера, обжимающая поток сбоку и своим давлением регулирующая его расширение. Поэтому поток на поверхностях клиновоздушно-клиновидного сопла расширяется оптимально, адаптируясь к изменению давления атмосферы.

Центральное тело может стать плоским, как тарелка, и расположиться в глубине сопла, в начале его расширения. Словно шляпка гвоздя, не до конца забитого в середину критического сечения. Пространство под шляпкой будет дозвуковой частью сопла. А края тарельчатого тела станут внутренней частью критического сечения. Поток растекается радиально из-под тарелки и разворачивается вокруг ее краев в сторону среза сопла, обжимаясь стенками и разгоняясь в сверхзвуковую струю. Тарельчатое сопло намного короче обычного, и поэтому легче. Его своеобразная газодинамика полностью соответствует соплу Лаваля.

Меньше давление, больше мощность рекордных гигантов

Высокое давление требует прочных и толстых стенок камеры сгорания, его проще запереть в камере небольшого размера. Масса большой конструкции с большим давлением будет тоже большой. У твердотопливных двигателей весь корпус является камерой сгорания. Поэтому давление в них ниже, чем в жидкостных ракетных двигателях, достигая лишь первых десятков атмосфер. Раз давление перед соплом пониже – значит, меньше степень расширения сопла и сужение в критическом сечении. Например, через критические сечение сопла твердотопливного ускорителя SLS может свободно пройти подросток. При диаметрах среза сопла в 3,8 м и критического сечения 1,37 м степень расширения составляет около 7,7. Средний уровень давления в 39 атмосфер не позволяет задать большую степень расширения.

Тяга создается не самой по себе скоростью истечения, а расходом при этой скорости. Твердотопливные двигатели могут создавать огромный расход рабочего тела через сопло. У них нет подачи топлива – все оно подано еще на заводе во всю длину двигателя, достигающую иногда десятков метров. У такого топливного массива огромная площадь горения и соответствующий расход, создающий очень большую реактивную тягу.

Военно-морские силы США испытали твердотопливный двигатель первой ступени перспективной ракеты, которая будет нести гиперзвуковой блок. Ранее стало известно, что первым носителем нового гиперзвуков.

Основываясь на законе сохранения импульса, объясните, почему воздушный шарик движется противоположно струе выходящего из него сжатого воздуха. Приведите примеры реактивного движения тел. Каково назначение ракет? Расскажите об устройстве и принципе действия ракеты. От чего зависит скорость ракеты? B чём заключается преимущество многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми? Как осуществляется посадка космического корабля?

• Вопрос 1
Воздух, вырывающийся из открытого отверстия шарика, обладает импульсом, направленным в сторону его движения. По закону сохранения импульса, суммарный импульс рассматриваемой системы (шар и воздух) остается таким же, как и до начала выхода воздуха, т.е. равным нулю, в следствие чего шарик движется в сторону, противоположную воздушной струе.
• Вопрос 2
Движение медузы, кальмара, каракатицы, осьминога, движение ракет, сегнеровое колесо, гидромотоцикл, реактивный самолет и т.д.
• Вопрос 3
Ракетный двигатель, единственный, позволяющий двигаться в открытом космосе, двигатель. В основе работы двигателя – закон сохранения импульсов. Когда отработанные газы выбрасываются в одну сторону, ракета движется в другую сторону. Реактивные двигатели используют на самолетах, военных ракетах, для запуска спутников и космических станций, используется на судах с водометными двигателями. Для преодоления земного притяжения, необходим большой запас топлива, и чем больше топлива, тем, следовательно, больше масса ракеты. Поэтому для уменьшения массы ракеты их строят на принципе многоступенчатости. Каждую ступень в своем роде отдельная ракета с собственным ракетным двигателем и запасом топлива для полета.
• Вопрос 4
Скорость ракеты будет зависеть от скорости выпускаемой струи газа, что можно объяснить с помощью закона сохранения импульса. Чем выше скорость у вылетающих газов, тем выше скорость у ракеты.
• Вопрос 5
Многоступенчатые ракеты позволяют совершать более дальние перелеты, за счет хранения большего количества топлива, а также того, что в результате отделения ступеней по закону сохранения импульса, скорость ракеты будет возрастать.
• Вопрос 6
Для посадки необходимо, чтобы скорость ракеты по мере приближения к земле снижалась, это достигается за счет того, что сопло ракеты при приземлении направляется вниз, и вырывающийся газ при этом вызывает торможение.

На этой странице вы сможете найти и списать готовое домешнее задание (ГДЗ) для школьников по предмету Физика, которые посещают 9 класс из книги или рабочей тетради под названием/издательством "Учебник", которая была написана автором/авторами: Перышкин. ГДЗ представлено для списывания совершенно бесплатно и в открытом доступе.

Читайте также: