Реактивное движение

Реактивное движение это движение объекта в одном направлении, производимое выбросом струи жидкости — в противоположном направлении. По третьему закону Ньютона движущееся тело движется в направлении, противоположном струе. К реактивным двигателям, работающим по принципу реактивного движения, относятся реактивный двигатель, используемый для движения самолётов , насосно-реактивный двигатель, используемый для движения морских кораблей , а также ракетный двигатель и плазменный двигатель, используемый для движения космических кораблей . Подводное реактивное движение также используется некоторыми морскими животными, в том числе головоногими моллюсками и сальпами , а летающий кальмар даже является единственным известным примером воздушного полета на реактивном двигателе в животном мире.

Физика

Реактивное движение создается некоторыми реактивными двигателями когда тяга создается быстро движущейся струей жидкости или животными , в соответствии с законами движения Ньютона . Он наиболее эффективен, когда число Рейнольдса велико, то есть движущийся объект относительно велик и проходит через среду с низкой вязкостью. ^[1]

У животных наиболее эффективны струи импульсные, а не непрерывные. ^[2] по крайней мере, когда число Рейнольдса больше 6. ^[3]

Удельный импульс

Удельный импульс (обычно сокращенно I _sp ) является мерой того, насколько эффективно ракета использует топливо, а реактивный двигатель — топливо. По определению, это общий импульс (или изменение количества движения ), передаваемый на единицу топлива . израсходованного ^[4] и по размерам эквивалентен создаваемой тяге, топлива деленной на массовый расход или весовой расход. ^[5] Если масса ( килограмм , фунт-масса или пуля в качестве единицы топлива используется ), то удельный импульс имеет единицы скорости . вес ( ньютон или фунт-сила Если вместо этого используется ), то удельный импульс имеет единицы времени (секунды). Умножение скорости потока на стандартную плотность ( g ₀ ) преобразует удельный импульс из массы в весовую основу. ^[5]

Двигательная установка с более высоким удельным импульсом более эффективно использует массу топлива для создания прямой тяги и, в случае ракеты, требует меньше топлива для заданной дельта-v , согласно уравнению ракеты Циолковского . ^[4]^[6] В ракетах это означает, что двигатель более эффективен при наборе высоты, расстояния и скорости. Эта эффективность менее важна в реактивных двигателях, которые используют крылья и используют внешний воздух для сгорания и несут полезную нагрузку, которая намного тяжелее топлива.

Удельный импульс включает в себя вклад в импульс, создаваемый наружным воздухом, использованным для сгорания и отработанным вместе с отработавшим топливом. Реактивные двигатели используют внешний воздух и поэтому имеют гораздо более высокий удельный импульс, чем ракетные двигатели. Удельный импульс, выраженный в израсходованной массе пороха, имеет единицы расстояния за время, что представляет собой искусственную скорость, называемую «эффективной скоростью истечения». Это выше фактической скорости выхлопных газов, поскольку масса воздуха для горения не учитывается. Фактическая и эффективная скорости выхлопа одинаковы в ракетных двигателях, не использующих воздух.

Удельный импульс обратно пропорционален удельному расходу топлива (SFC) по соотношению I _sp = 1/( г _o ·SFC) для SFC в кг/(Н·с) и I _sp = 3600/SFC для SFC в фунтах/(фунт-сила). ·час).

Толкать

Из определения удельной импульсной тяги в единицах СИ получается:

F={\dot {m}}V_{e}

где V _e — эффективная скорость истечения и ${\dot {m}}$ это расход топлива.

Типы реактивных двигателей

Реакционные двигатели создают тягу, выбрасывая твердую или жидкую реакционную массу ; Реактивное движение применяется только к двигателям, в которых используется жидкая реактивная масса.

Реактивный двигатель

Реактивный двигатель — это реактивный двигатель , который использует окружающий воздух в качестве рабочей жидкости и преобразует его в горячий газ под высоким давлением, который расширяется через одно или несколько сопел . Технически большинство реактивных двигателей представляют собой газовые турбины , работающие по циклу Брайтона . Два типа реактивных двигателей, турбореактивный и турбовентиляторный , используют осевые или центробежные компрессоры для повышения давления перед сгоранием и турбины для сжатия. ПВРД работают только на высоких скоростях полета, поскольку в них отсутствуют компрессоры и турбины, а вместо этого они зависят от динамического давления, создаваемого высокой скоростью (известного как прямоточное сжатие). В импульсных реактивных двигателях также отсутствуют компрессоры и турбины, но они могут создавать статическую тягу и имеют ограниченную максимальную скорость.

Ракетный двигатель

Ракета способна работать в космическом вакууме, поскольку она зависит от транспортного средства, несущего собственный окислитель вместо использования кислорода из воздуха, или, в случае ядерной ракеты , нагревает инертное топливо (например, жидкий водород ). пропустив его через ядерный реактор .

Плазменный двигатель

Плазменные двигатели ускоряют плазму средствами электромагнитными .

Насос-струйный

В водометном насосе, используемом в морских двигательных установках , в качестве рабочей жидкости используется вода, находящаяся под давлением пропеллера , центробежного насоса или их комбинации.

Реактивные животные

Головоногие моллюски, такие как кальмары, используют реактивное движение для быстрого спасения от хищников ; они используют другие механизмы медленного плавания. Струя создается путем выбрасывания воды через сифон , который обычно сужается до небольшого отверстия, чтобы обеспечить максимальную скорость выдоха. Вода проходит через жабры перед выдохом, выполняя двойную задачу: дыхания и передвижения. ^[1] Морские зайцы (брюхоногие моллюски) используют аналогичный метод, но без сложного неврологического аппарата головоногих моллюсков они перемещаются несколько более неуклюже. ^[1]

Некоторые костистые рыбы также развили реактивное движение, пропуская воду через жабры в дополнение к движению, приводимому в движение плавниками. ^[7]^: 201

У некоторых личинок стрекоз реактивное движение достигается за счет выброса воды из специальной полости через задний проход. Учитывая небольшие размеры организма, достигается большая скорость. ^[8]

Гребешки и кардииды , ^[9] сифонофоры , ^[10] оболочники (например, сальпы ), ^[11]^[12] и немного медуз ^[13]^[14]^[15] также использовать реактивное движение. Наиболее эффективными реактивными организмами являются сальпы. ^[11] которые потребляют на порядок меньше энергии (на килограмм на метр), чем кальмары. ^[16]

См. также

Реактивный самолет

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Паккард, А. (1972). «Головоногие моллюски и рыбы: пределы конвергенции». Биологические обзоры . 47 (2): 241–307. дои : 10.1111/j.1469-185X.1972.tb00975.x . S2CID 85088231 .
^ Сазерленд, КР; Мадин, LP (2010). «Сравнительная структура реактивного следа и плавательные качества сальп» (PDF) . Журнал экспериментальной биологии . 213 (Часть 17): 2967–75. дои : 10.1242/jeb.041962 . ПМИД 20709925 .
^ Дабири, Дж.О.; Гариб, М. (2005). «Роль оптимального вихреобразования в транспорте биологических жидкостей» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 272 (1572): 1557–1560. дои : 10.1098/rspb.2005.3109 . ПМЦ 1559837 . ПМИД 16048770 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Что такое удельный импульс?» . Группа качественных рассуждений . Проверено 22 декабря 2009 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Бенсон, Том (11 июля 2008 г.). «Специальный импульс» . НАСА . Архивировано из оригинала 24 января 2010 года . Проверено 22 декабря 2009 г.
^ Хатчинсон, Ли (14 апреля 2013 г.). «Новый ракетный двигатель F-1B модернизирует конструкцию эпохи Аполлона с тягой 1,8 миллиона фунтов» . Арс Техника . Проверено 15 апреля 2013 г. Мерой топливной эффективности ракеты называется ее удельный импульс (сокращенно «ISP» — или, точнее, Isp)… «Массовый удельный импульс… описывает эффективность химической реакции, создающую тягу, и его легче всего измерить. считается величиной силы тяги, создаваемой каждым фунтом (массой) топлива и окислителя, сгоревшими в единицу времени. Это что-то вроде меры миль на галлон (миль на галлон) для ракет».
^ Уэйк, Миннесота (1993). «Череп как орган движения». В Ханкене, Джеймс (ред.). Череп . Издательство Чикагского университета . п. 460. ИСБН 978-0-226-31573-7 .
^ Милль, П.Дж.; Пикард, RS (1975). «Реактивное движение у личинок бескрылых стрекоз». Журнал сравнительной физиологии . 97 (4): 329–338. дои : 10.1007/BF00631969 . S2CID 45066664 .
^ Чемберлен-младший, Джон А. (1987). «32. Передвижение Наутилуса ». В Сондерсе, ВБ; Ландман, Нью-Хэмпшир (ред.). Наутилус: биология и палеобиология живого ископаемого . ISBN 9789048132980 .
^ Боун, К.; Труман, скорая помощь (2009). «Реактивное движение сифонофоров Каликофора Chelophyes и Abylopsis ». Журнал Морской биологической ассоциации Соединенного Королевства . 62 (2): 263–276. дои : 10.1017/S0025315400057271 . S2CID 84754313 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Боун, К.; Труман, скорая помощь (2009). «Реактивное движение в сальпах (Tunicata: Thaliacea)». Журнал зоологии . 201 (4): 481–506. дои : 10.1111/j.1469-7998.1983.tb05071.x .
^ Боун, К.; Труман, Э. (1984). «Реактивное движение в Doliolum (Tunicata: Thaliacea)». Журнал экспериментальной морской биологии и экологии . 76 (2): 105–118. дои : 10.1016/0022-0981(84)90059-5 .
^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения медузы Hydromedusan Polyorchis Pexicillatus : I. Механические свойства локомоторной структуры» . Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 313–332. дои : 10.1242/jeb.134.1.313 .
^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения гидромедузы Polyorchis Pexicillatus : II. Энергетика реактивного цикла» . Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 333–345. дои : 10.1242/jeb.134.1.333 .
^ Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения у гидромедузанской медузы Polyorchis Pexicillatus : III. Естественный резонирующий колокол; наличие и важность резонансного явления в локомоторной структуре» . Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 347–361. дои : 10.1242/jeb.134.1.347 .
^ Мадин, LP (1990). «Аспекты реактивного движения в сальпах». Канадский журнал зоологии . 68 (4): 765–777. дои : 10.1139/z90-111 .

[Packard1972-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Паккард, А. (1972). «Головоногие моллюски и рыбы: пределы конвергенции». Биологические обзоры . 47 (2): 241–307. дои : 10.1111/j.1469-185X.1972.tb00975.x . S2CID 85088231 .

[ref_d-2] Сазерленд, КР; Мадин, LP (2010). «Сравнительная структура реактивного следа и плавательные качества сальп» (PDF) . Журнал экспериментальной биологии . 213 (Часть 17): 2967–75. дои : 10.1242/jeb.041962 . ПМИД 20709925 .

[ref_e-3] Дабири, Дж.О.; Гариб, М. (2005). «Роль оптимального вихреобразования в транспорте биологических жидкостей» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 272 (1572): 1557–1560. дои : 10.1098/rspb.2005.3109 . ПМЦ 1559837 . ПМИД 16048770 .

[QRG1-4] Перейти обратно: ^а ^б «Что такое удельный импульс?» . Группа качественных рассуждений . Проверено 22 декабря 2009 г.

[SINasa-5] Перейти обратно: ^а ^б Бенсон, Том (11 июля 2008 г.). «Специальный импульс» . НАСА . Архивировано из оригинала 24 января 2010 года . Проверено 22 декабря 2009 г.

[ars20130414-6] Хатчинсон, Ли (14 апреля 2013 г.). «Новый ракетный двигатель F-1B модернизирует конструкцию эпохи Аполлона с тягой 1,8 миллиона фунтов» . Арс Техника . Проверено 15 апреля 2013 г. Мерой топливной эффективности ракеты называется ее удельный импульс (сокращенно «ISP» — или, точнее, Isp)… «Массовый удельный импульс… описывает эффективность химической реакции, создающую тягу, и его легче всего измерить. считается величиной силы тяги, создаваемой каждым фунтом (массой) топлива и окислителя, сгоревшими в единицу времени. Это что-то вроде меры миль на галлон (миль на галлон) для ракет».

[Hanken1993-7] Уэйк, Миннесота (1993). «Череп как орган движения». В Ханкене, Джеймс (ред.). Череп . Издательство Чикагского университета . п. 460. ИСБН 978-0-226-31573-7 .

[Mill2004-8] Милль, П.Дж.; Пикард, RS (1975). «Реактивное движение у личинок бескрылых стрекоз». Журнал сравнительной физиологии . 97 (4): 329–338. дои : 10.1007/BF00631969 . S2CID 45066664 .

[9] Чемберлен-младший, Джон А. (1987). «32. Передвижение Наутилуса ». В Сондерсе, ВБ; Ландман, Нью-Хэмпшир (ред.). Наутилус: биология и палеобиология живого ископаемого . ISBN 9789048132980 .

[ref_-10] Боун, К.; Труман, скорая помощь (2009). «Реактивное движение сифонофоров Каликофора Chelophyes и Abylopsis ». Журнал Морской биологической ассоциации Соединенного Королевства . 62 (2): 263–276. дои : 10.1017/S0025315400057271 . S2CID 84754313 .

[ref_a-11] Перейти обратно: ^а ^б Боун, К.; Труман, скорая помощь (2009). «Реактивное движение в сальпах (Tunicata: Thaliacea)». Журнал зоологии . 201 (4): 481–506. дои : 10.1111/j.1469-7998.1983.tb05071.x .

[ref_b-12] Боун, К.; Труман, Э. (1984). «Реактивное движение в Doliolum (Tunicata: Thaliacea)». Журнал экспериментальной морской биологии и экологии . 76 (2): 105–118. дои : 10.1016/0022-0981(84)90059-5 .

[13] Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения медузы Hydromedusan Polyorchis Pexicillatus : I. Механические свойства локомоторной структуры» . Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 313–332. дои : 10.1242/jeb.134.1.313 .

[14] Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения гидромедузы Polyorchis Pexicillatus : II. Энергетика реактивного цикла» . Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 333–345. дои : 10.1242/jeb.134.1.333 .

[15] Демонт, М. Эдвин; Гослайн, Джон М. (1 января 1988 г.). «Механика реактивного движения у гидромедузанской медузы Polyorchis Pexicillatus : III. Естественный резонирующий колокол; наличие и важность резонансного явления в локомоторной структуре» . Дж. Эксп. Биол . 134 (134): 347–361. дои : 10.1242/jeb.134.1.347 .

[ref_c-16] Мадин, LP (1990). «Аспекты реактивного движения в сальпах». Канадский журнал зоологии . 68 (4): 765–777. дои : 10.1139/z90-111 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]