Толкать

Тяга — это реакции сила , количественно описываемая третьим законом Ньютона . Когда система выталкивает или ускоряет массу в одном направлении, ускоренная масса вызывает действие силы равной величины, но противоположного направления, которая будет приложена к этой системе. ^[2]Силу, приложенную к поверхности в направлении, перпендикулярном или нормальном к поверхности, также называют тягой. Сила и, следовательно, тяга измеряются с использованием Международной системы единиц (СИ) в ньютонах (обозначение: Н) и представляют собой величину, необходимую для ускорения 1 килограмма массы со скоростью 1 метр в секунду в секунду . ^[3] В машиностроении сила, ортогональная основной нагрузке (например, в параллельных косозубых передачах ), называется статической тягой .

Примеры

Силовая установка самолета с неподвижным крылом создает прямую тягу, когда воздух выталкивается в направлении, противоположном полету. Это можно сделать с помощью различных средств, таких как вращающиеся лопасти пропеллера , реактивная струя реактивного двигателя или выброс горячих газов из ракетного двигателя . ^[4] Обратная тяга может быть создана для облегчения торможения после приземления путем изменения шага лопастей винта изменяемого шага или использования реверсора тяги на реактивном двигателе. В винтокрылых самолетах используются несущие винты и вектор тяги. В самолетах V/STOL используются пропеллеры или тяга двигателя для поддержания веса самолета и обеспечения движения вперед.

Пропеллер моторной лодки создает тягу при вращении и выталкивает воду назад.

Ракета движется вперед под действием тяги , равной по величине, но противоположной по направлению скорости изменения количества движения выхлопных газов, ускоренных из камеры сгорания через сопло ракетного двигателя. Это скорость истечения относительно ракеты, умноженная на скорость выбрасывания массы, или в математических терминах:

\mathbf {T} =\mathbf {v} {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}

Где T - создаваемая тяга (сила), ${\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}$ - скорость изменения массы во времени (массовый расход выхлопных газов), а v - скорость выхлопных газов, измеренная относительно ракеты.

Для вертикального запуска ракеты начальная тяга при старте должна быть больше веса.

Каждый из трех космического корабля шаттл главных двигателей мог развивать тягу в 1,8 меганьютон космического корабля - , а каждый из двух твердотопливных ракетных ускорителей 14,7 МН (3 300 000 фунтов силы ), вместе 29,4 МН. ^[5]

Напротив, Simplified Aid for EVA Rescue (SAFER) имеет 24 двигателя по 3,56 Н (0,80 фунта-силы) каждый. ^[6]

В категории воздушно-реактивных самолетов реактивный двигатель AMT-USA AT-180, разработанный для радиоуправляемых самолетов, 90 Н (20 фунтов силы ). развивает тягу ^[7] Двигатель GE90-115B , установленный на Boeing 777-300ER, признанный Книгой рекордов Гиннеса «Самым мощным коммерческим реактивным двигателем в мире», имел тягу 569 кН (127 900 фунтов силы), пока его не превзошел двигатель GE9X . будет установлен на будущий Boeing 777X с усилием 609 кН (134 300 фунтов силы).

Концепции

Тяга к власти

Мощность, необходимая для создания тяги, и сила тяги могут быть связаны нелинейным образом. В общем, $\mathbf {P} ^{2}\propto \mathbf {T} ^{3}$ . Константа пропорциональности варьируется и может быть решена для равномерного потока, где $v_{\infty }$ - скорость входящего воздуха, $v_{d}$ - скорость на приводном диске, а $v_{f}$ конечная скорость на выходе:

{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=\rho A{v}

\mathbf {T} ={\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}\left(v_{f}-v_{\infty }\right),{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=\rho Av_{d}

\mathbf {P} ={\frac {1}{2}}{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}(v_{f}^{2}-v_{\infty }^{2}),\mathbf {P} =\mathbf {T} v_{d}

Решая скорость на диске, $v_{d}$ , тогда мы имеем:

v_{d}={\frac {1}{2}}(v_{f}-v_{\infty })

Когда поступающий воздух ускоряется с места, например, при зависании, тогда $v_{\infty }=0$ , и мы можем найти:

\mathbf {T} ={\frac {1}{2}}\rho A{v_{f}}^{2},\mathbf {P} ={\frac {1}{4}}\rho A{v_{f}}^{3}

Отсюда мы можем увидеть $\mathbf {P} ^{2}\propto \mathbf {T} ^{3}$ отношения, найти:

\mathbf {P} ^{2}={\frac {\mathbf {T} ^{3}}{2\rho A}}

Обратная константа пропорциональности, «эффективность» идеального двигателя, пропорциональна площади поперечного сечения перемещаемого объема жидкости ( $A$ ) и плотность жидкости ( $\rho$ ). Это помогает объяснить, почему передвигаться по воде легче и почему у самолетов пропеллеры гораздо большего размера, чем у гидроциклов.

Тяга к движущей силе

Очень распространенный вопрос – как сравнить тягу реактивного двигателя с мощностью поршневого двигателя. Такое сравнение затруднительно, так как эти величины не эквивалентны. Поршневой двигатель не приводит в движение самолет сам по себе (это делает пропеллер), поэтому поршневые двигатели обычно оцениваются по мощности, которую они передают пропеллеру. За исключением изменений температуры и давления воздуха, эта величина в основном зависит от настройки дроссельной заслонки.

Реактивный двигатель не имеет воздушного винта, поэтому тяговая мощность реактивного двигателя определяется его тягой следующим образом. Мощность — это сила (F), необходимая для перемещения чего-либо на некоторое расстояние (d), деленная на время (t), необходимое для перемещения на это расстояние: ^[8]

\mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}

В случае ракеты или реактивного самолета сила равна тяге (Т), создаваемой двигателем. Если ракета или самолет движутся примерно с постоянной скоростью, то расстояние, деленное на время, — это просто скорость, поэтому мощность равна тяге, умноженной на скорость: ^[9]

\mathbf {P} =\mathbf {T} {v}

Эта формула выглядит очень удивительно, но она верна: тяговая мощность (или располагаемая мощность ^[10]) реактивного двигателя увеличивается с увеличением его скорости. Если скорость равна нулю, то и тяговая мощность равна нулю. Если реактивный самолет работает на полном газу, но прикреплен к стенду для статических испытаний, то реактивный двигатель не развивает тяговую мощность, однако тяга все равно создается. Комбинация поршневой двигатель -винт также имеет тяговую мощность по точно такой же формуле, и она также будет равна нулю при нулевой скорости - но это для комплекта двигатель-винт. Сам по себе двигатель будет продолжать выдавать номинальную мощность с постоянной скоростью, независимо от того, движется самолет или нет.

Теперь представьте, что прочная цепь разорвана, и реактивный и поршневой самолеты приходят в движение. На малых скоростях:

Поршневой двигатель будет иметь постоянную 100% мощность, а тяга винта будет меняться в зависимости от скорости.
Реактивный двигатель будет иметь постоянную 100% тягу, а мощность двигателя будет меняться в зависимости от скорости.

Избыточная тяга

Если самолет с двигателем создает тягу T и испытывает сопротивление D, разница между ними T - D называется избыточной тягой. Мгновенные характеристики самолета во многом зависят от избыточной тяги.

Избыточная тяга является векторной и определяется как разность векторов вектора тяги и вектора сопротивления.

Упорная ось

Ось тяги самолета — это линия действия полной тяги в любой момент времени. Это зависит от расположения, количества и характеристик реактивных двигателей или винтов. Обычно она отличается от оси сопротивления. Если это так, то расстояние между осью тяги и осью сопротивления создаст момент , которому необходимо противостоять за счет изменения аэродинамической силы на горизонтальном стабилизаторе. ^[11] Примечательно, что Boeing 737 MAX с более крупными двигателями с более низкой посадкой, чем предыдущие модели 737, имел большее расстояние между осью тяги и осью сопротивления, из-за чего на некоторых режимах полета нос поднимался вверх, что вызывало необходимость в системе управления тангажем. МКАС . Ранние версии MCAS дали сбой в полете с катастрофическими последствиями, что привело к гибели более 300 человек в 2018 и 2019 годах. ^[12]^[13]

См. также

Аэродинамическая сила - сила, действующая на тело при его движении в воздухе или газе.
Задняя тяга - использование судового движителя для развития тяги в ретроградном направлении.
Тяга газотурбинного двигателя
Подвесная тяга - система управления вектором тяги, используемая в ракетах. (наиболее распространенные в современных ракетах).
Фунт (сила) - гравитационное притяжение Земли на массу в один фунт.
- «Фунт тяги»: тяга (сила), необходимая для ускорения на один фунт при одном g.
Усреднение тяги потока – процесс преобразования трехмерного потока в одномерный.
Тяговооруженность - Безразмерное отношение тяги к массе реактивного или винтового двигателя.
Вектор тяги - аспект баллистики и воздухоплавания
Реверс тяги - временное отклонение тяги авиационного двигателя.
Тяговое усилие - термин машиностроения, обозначающий величину тяги.

Ссылки

^ «Объединенный ударный истребитель Lockheed Martin F-35 успешно совершил первую вертикальную посадку» . СМИ — Локхид Мартин . Проверено 4 апреля 2024 г.
^ «Что такое тяга?» . www.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 14 февраля 2020 года . Проверено 2 апреля 2020 г.
^ «Сила и движение: определение, законы и формулы | StudySmarter» . StudySmarter Великобритания . Проверено 12 октября 2022 г.
^ «Третий закон движения Ньютона» . www.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 3 февраля 2020 года . Проверено 2 апреля 2020 г.
^ «Космические пусковые установки – космический челнок» . www.braeunig.us . Архивировано из оригинала 6 апреля 2018 года . Проверено 16 февраля 2018 г.
^ Хэндли, Патрик М.; Хесс, Рональд А.; Робинсон, Стивен К. (1 февраля 2018 г.). «Описательная пилотная модель для упрощенной помощи НАСА в спасательных операциях в открытом космосе» . Журнал руководства, контроля и динамики . 41 (2): 515–518. Бибкод : 2018JGCD...41..515H . дои : 10.2514/1.G003131 . ISSN 0731-5090 .
^ «Информация о реактивных двигателях AMT-USA» . Архивировано из оригинала 10 ноября 2006 года . Проверено 13 декабря 2006 г.
^ Юн, Джо. «Перевести тягу в лошадиные силы» . Архивировано из оригинала 13 июня 2010 года . Проверено 1 мая 2009 г.
^ Йехут, Томас; Моррис, Стивен. Введение в механику полета самолетов . ISBN 1-56347-577-4 .
^ Андерсон, Дэвид; Эберхардт, Скотт (2001). Понимание полета . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-138666-1 .
^ Кермод, AC (1972) Механика полета , Глава 5, 8-е издание. Издательство Питман. ISBN 0273316230
^ «Система управления находится под пристальным вниманием после крушения Эфиопских авиалиний» . Аль Джазира . Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 года . Проверено 7 апреля 2019 г.
^ «Что такое система повышения маневренных характеристик Boeing 737 Max?» . Воздушный поток . 14 ноября 2018 года. Архивировано из оригинала 7 апреля 2019 года . Проверено 7 апреля 2019 г.

[1] «Объединенный ударный истребитель Lockheed Martin F-35 успешно совершил первую вертикальную посадку» . СМИ — Локхид Мартин . Проверено 4 апреля 2024 г.

[2] «Что такое тяга?» . www.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 14 февраля 2020 года . Проверено 2 апреля 2020 г.

[3] «Сила и движение: определение, законы и формулы | StudySmarter» . StudySmarter Великобритания . Проверено 12 октября 2022 г.

[4] «Третий закон движения Ньютона» . www.grc.nasa.gov . Архивировано из оригинала 3 февраля 2020 года . Проверено 2 апреля 2020 г.

[5] «Космические пусковые установки – космический челнок» . www.braeunig.us . Архивировано из оригинала 6 апреля 2018 года . Проверено 16 февраля 2018 г.

[6] Хэндли, Патрик М.; Хесс, Рональд А.; Робинсон, Стивен К. (1 февраля 2018 г.). «Описательная пилотная модель для упрощенной помощи НАСА в спасательных операциях в открытом космосе» . Журнал руководства, контроля и динамики . 41 (2): 515–518. Бибкод : 2018JGCD...41..515H . дои : 10.2514/1.G003131 . ISSN 0731-5090 .

[7] «Информация о реактивных двигателях AMT-USA» . Архивировано из оригинала 10 ноября 2006 года . Проверено 13 декабря 2006 г.

[8] Юн, Джо. «Перевести тягу в лошадиные силы» . Архивировано из оригинала 13 июня 2010 года . Проверено 1 мая 2009 г.

[9] Йехут, Томас; Моррис, Стивен. Введение в механику полета самолетов . ISBN 1-56347-577-4 .

[10] Андерсон, Дэвид; Эберхардт, Скотт (2001). Понимание полета . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-138666-1 .

[11] Кермод, AC (1972) Механика полета , Глава 5, 8-е издание. Издательство Питман. ISBN 0273316230

[12] «Система управления находится под пристальным вниманием после крушения Эфиопских авиалиний» . Аль Джазира . Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 года . Проверено 7 апреля 2019 г.

[13] «Что такое система повышения маневренных характеристик Boeing 737 Max?» . Воздушный поток . 14 ноября 2018 года. Архивировано из оригинала 7 апреля 2019 года . Проверено 7 апреля 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]