Jump to content

Уравнение ракеты Циолковского

ракеты Требуемая масса как функция скоростей истечения эффективного отношения

Классическое уравнение ракеты , или уравнение идеальной ракеты, представляет собой математическое уравнение, описывающее движение транспортных средств, которое следует основному принципу ракеты : устройство, которое может придавать себе ускорение, используя тягу , выбрасывая часть своей массы с высокой скоростью и тем самым может двигаться за счет сохранения импульса .Приписывается Константину Циолковскому , который независимо вывел его и опубликовал в 1903 году. [1] [2] хотя он был независимо получен и опубликован Уильямом Муром в 1810 году, [3] и позже опубликовано в отдельной книге в 1813 году. [4] Роберт Годдард также разработал его независимо в 1912 году, а Герман Оберт независимо вывел его примерно в 1920 году.

Максимальное изменение скорости автомобиля, (без действия внешних сил):

где:

Учитывая эффективную скорость выхлопа, определяемую конструкцией ракетного двигателя, желаемую дельта-v (например, орбитальную скорость или скорость убегания ) и заданную сухую массу. , уравнение можно решить для требуемой массы пороха :

Необходимая влажная масса растет в геометрической прогрессии с желаемой дельтой-v.

Уравнение названо в честь русского учёного Константина Циолковского , который независимо вывел его и опубликовал в своей работе 1903 года. [5] [2]

Уравнение было получено ранее британским математиком Уильямом Муром в 1810 году. [3] и позже опубликовано в отдельной книге в 1813 году. [4]

Американец Роберт Годдард независимо разработал это уравнение в 1912 году, когда начал исследования по улучшению ракетных двигателей для возможных космических полетов. Немецкий инженер Герман Оберт независимо вывел уравнение примерно в 1920 году, изучая возможность космических путешествий.

Хотя вывод уравнения ракеты представляет собой простое вычислительное упражнение, Циолковский удостоен чести быть первым, кто применил его к вопросу о том, могут ли ракеты развивать скорости, необходимые для космических путешествий .

Эксперимент с лодкой Циолковского.

[ редактировать ]

Эксперимент с лодкой Циолковского.

Чтобы понять принцип движения ракеты, Константин Циолковский предложил знаменитый эксперимент «лодочки». Человек находится в лодке вдали от берега без весел. Они хотят достичь этого берега. Они замечают, что лодка загружена некоторым количеством камней, и им приходит в голову мысль бросить по одному и как можно быстрее эти камни в сторону, противоположную берегу. Фактически количество движения камней, брошенных в одном направлении, соответствует такому же количеству движения лодки в другом направлении.

[ редактировать ]

Рассмотрим следующую систему:

Теоретическая ракета Циолковского от t=0 до t=delta_t

В следующем переводе термин «ракета» понимается как «ракета и все ее неизрасходованное топливо».

Второй закон движения Ньютона связывает внешние силы ( ) к изменению импульса всей системы (включая ракету и выхлоп) следующим образом: где это импульс ракеты в момент времени : и - импульс ракеты и отработанная масса в момент времени : и где по отношению к наблюдателю:

  • это скорость ракеты в момент времени
  • это скорость ракеты в момент времени
  • - это скорость массы, добавляемой к выхлопу (и теряемой ракетой) за время
  • это масса ракеты в момент времени
  • это масса ракеты в момент времени

Скорость выхлопа в системе наблюдателя связана со скоростью выхлопа в системе координат ракеты к: таким образом, Решение этого вопроса дает: Если и противоположны, иметь то же направление, что и , пренебрежимо малы (поскольку ), и используя (с момента выброса положительного приводит к уменьшению массы ракеты во времени),

Если внешних сил нет, то ( сохранение импульса ) и

Предполагая, что постоянна (известна как гипотеза Циолковского [2] ), поэтому оно не подлежит интегрированию, то приведенное выше уравнение можно проинтегрировать следующим образом:

Тогда это дает или эквивалентно или или где - начальная общая масса, включая топливо, конечная масса и скорость истечения ракеты относительно ракеты ( удельный импульс или, если измерять во времени, умноженный на ускорение силы тяжести на Земле). Если НЕ является константой, у нас может не быть таких простых уравнений ракеты, как приведенные выше формы. Многие исследования ракетной динамики основывались на постоянной Циолковского. гипотеза.

Значение – общая рабочая масса израсходованного топлива.

( дельта v ) — это интегрирование во времени величины ускорения, создаваемого ракетным двигателем (каким было бы фактическое ускорение, если бы внешние силы отсутствовали). В свободном пространстве для случая ускорения по направлению скорости – это увеличение скорости. В случае ускорения в противоположном направлении (замедления) – это уменьшение скорости. Конечно, гравитация и сопротивление также ускоряют транспортное средство и могут увеличивать или уменьшать изменение скорости, испытываемое транспортным средством. Следовательно, дельта-v не всегда может быть фактическим изменением скорости или скорости транспортного средства.

Другие производные

[ редактировать ]

Импульсный

[ редактировать ]

Уравнение также можно вывести из основного интеграла ускорения в виде силы (тяги) по массе.Представляя уравнение дельта-v следующим образом:

где Т — тяга, - начальная (влажная) масса и - начальная масса минус конечная (сухая) масса,

и понимая, что интеграл результирующей силы с течением времени представляет собой полный импульс, предполагая, что тяга является единственной задействованной силой,

Интеграл оказывается:

Понимая, что импульс изменения массы эквивалентен силе, воздействующей на массовый расход топлива (p), который сам по себе эквивалентен скорости истечения, интеграл можно приравнять

На основе ускорения

[ редактировать ]

Представьте себе ракету, покоящуюся в космосе, на которую не действуют никакие силы ( Первый закон движения Ньютона ). С момента запуска двигателя (часы установлены на 0) ракета выбрасывает массу газа с постоянным массовым расходом R (кг/с) и скоростью истечения относительно ракеты v e (м/с). Это создает постоянную силу F, приводящую в движение ракету, равную R × v e . На ракету действует постоянная сила, но ее общая масса постоянно уменьшается, поскольку она выбрасывает газ. Согласно Второму закону движения Ньютона , его ускорение в любой момент времени t равно его движущей силе F, деленной на его текущую массу m :

Теперь масса топлива, изначально находящегося на борту ракеты, равна m 0 m f . Следовательно, при постоянном массовом расходе R потребуется время T = ( m 0 m f )/ R , чтобы сжечь все это топливо. Интегрируя обе части уравнения по времени от 0 до T (и отмечая, что R = dm/dt допускает замену справа), получаем:

Предел выброса «пеллеты» конечной массы

[ редактировать ]

Уравнение ракеты также можно вывести как предельный случай изменения скорости ракеты, выбрасывающей топливо в виде гранулы последовательно, так как , с эффективной скоростью выхлопа так что механическая энергия, полученная на единицу массы топлива, определяется выражением .

В системе центра масс ракеты, если шарик массой выбрасывается со скоростью а оставшаяся масса ракеты равна , количество энергии, преобразуемой в увеличение кинетической энергии ракеты и пули, равно

Используя сохранение импульса в корпусе ракеты непосредственно перед выбросом, , из чего находим

Позволять быть исходной массовой долей топлива на борту и начальная заправленная масса ракеты. Разделите общую массу топлива в дискретные гранулы, каждая массой . Оставшаяся масса ракеты после катапультирования тогда пеллеты . Общее изменение скорости после выброса пеллеты это сумма [6]

Обратите внимание, что для больших последнее слагаемое в знаменателе и им можно пренебречь, чтобы дать где и .

Как эта сумма Римана становится определенным интегралом поскольку конечная оставшаяся масса ракеты равна .

Специальная теория относительности

[ редактировать ]

Если принять во внимание специальную теорию относительности можно вывести следующее уравнение , для релятивистской ракеты : [7] с снова означает конечную скорость ракеты (после выброса всей ее реакционной массы и уменьшения ее до массы покоя ) в инерциальной системе отсчета , где ракета стартовала в состоянии покоя (масса покоя, включая топливо, равна изначально) и что означает скорость света в вакууме:

Письмо как позволяет переписать это уравнение в виде

Затем, используя тождество (здесь «exp» обозначает показательную функцию ; см. также Натуральный логарифм , а также «степенное» тождество в логарифмических тождествах ) и тождество ( см. Гиперболическую функцию ), это эквивалентно

Члены уравнения

[ редактировать ]

Дельта- v (буквально « изменение скорости , »), обозначаемая как Δ v и произносится как дельта-vee используемая в динамике полета космического корабля , является мерой импульса , необходимого для выполнения маневра, такого как запуск или приземление на планета или луна, или орбитальный маневр в космосе . Это скаляр , имеющий единицы скорости . В данном контексте это не то же самое, что физическое изменение скорости транспортного средства.

Дельта- v создается реактивными двигателями, такими как ракетные двигатели , пропорциональна тяге на единицу массы и времени горения и используется для определения массы топлива, необходимой для данного маневра, через уравнение ракеты.

Для нескольких маневров дельта- v суммируется линейно.

Для межпланетных миссий дельта- v часто отображается на графике , который отображает требуемую дельту- v миссии как функцию даты запуска.

Массовая доля

[ редактировать ]

В аэрокосмической технике массовая доля топлива — это часть массы транспортного средства, которая не достигает пункта назначения, обычно используемая в качестве меры производительности транспортного средства. Другими словами, массовая доля топлива — это отношение массы топлива к начальной массе транспортного средства. Для космического корабля пунктом назначения обычно является орбита, а для самолетов — место приземления. Более высокая массовая доля означает меньший вес конструкции. Другой связанной мерой является доля полезной нагрузки , которая представляет собой долю первоначального веса, составляющую полезную нагрузку.

Эффективная скорость выхлопа

[ редактировать ]

Эффективная скорость выхлопа часто определяется как удельный импульс , и они связаны друг с другом следующим образом: где

  • – удельный импульс в секундах,
  • — удельный импульс, измеренный в м/с , который совпадает с эффективной скоростью выхлопа, измеренной в м/с (или фут/с, если g выражено в фут/с). 2 ),
  • стандартная сила тяжести , 9,80665   м/с. 2 британских единицах 32,174   фута/с 2 ).

Применимость

[ редактировать ]

Уравнение ракеты отражает основы физики полета ракеты в одном коротком уравнении. Это также справедливо для ракетоподобных реактивных транспортных средств, когда эффективная скорость выхлопа постоянна, и может суммироваться или интегрироваться, когда эффективная скорость выхлопа меняется. Уравнение ракеты учитывает только силу реакции ракетного двигателя; он не включает другие силы, которые могут действовать на ракету, такие как аэродинамические или гравитационные силы. Таким образом, при использовании его для расчета потребности в топливе для запуска с планеты с атмосферой (или механического спуска на нее) эффекты этих сил должны быть включены в требование дельта-V (см. Примеры ниже). В так называемом «тирании ракетного уравнения» существует ограничение на количество полезной нагрузки , которую может нести ракета, поскольку большее количество топлива увеличивает общий вес и, таким образом, также увеличивает расход топлива. [8] Уравнение не применимо к неракетным системам, таким как аэродинамическое торможение , артиллерийские пуски , космические лифты , стартовые петли , тросовые двигательные установки или легкие паруса .

Уравнение ракеты можно применять к орбитальным маневрам, чтобы определить, сколько топлива необходимо для перехода на определенную новую орбиту или для нахождения новой орбиты в результате определенного сгорания топлива. При применении орбитальных маневров предполагается импульсный маневр , при котором топливо выбрасывается и мгновенно применяется дельта-v. Это предположение является относительно точным для кратковременных ожогов, например, для коррекций на середине курса и маневров по выведению на орбиту. По мере увеличения продолжительности горения результат становится менее точным из-за воздействия силы тяжести на транспортное средство во время маневра. Для малой тяги и длительного движения, такого как электрическое движение , для прогнозирования орбитального движения используется более сложный анализ, основанный на распространении вектора состояния космического корабля и интегрировании тяги.

Предположим, что скорость выхлопа равна 4500 метров в секунду (15000 футов/с) и 9700 метров в секунду (32000 футов/с) (от Земли до НОО , включая преодолевать гравитацию и аэродинамическое сопротивление).

  • Одноступенчатая ракета для вывода на орбиту: = 0,884, следовательно, 88,4% от начальной общей массы должно составлять топливо. Остальные 11,6% приходится на двигатели, танк и полезную нагрузку.
  • Двухступенчатый вывод на орбиту : предположим, что первая ступень должна обеспечивать 5000 метров в секунду (16000 футов/с); = 0,671, следовательно, 67,1% от начальной общей массы должно приходиться на топливо первой ступени. Оставшаяся масса составляет 32,9%. После утилизации первой ступени масса остается равной этим 32,9% за вычетом массы танка и двигателей первой ступени. Предположим, что это 8% от первоначальной общей массы, тогда останется 24,9%. Второй этап должен обеспечить 4700 метров в секунду (15 000 футов/с); = 0,648, следовательно, 64,8% оставшейся массы должно составлять топливо, что составляет 16,2% от первоначальной общей массы, а 8,7% остается на бак и двигатели второй ступени, на полезную нагрузку, а в случае с космическим челноком , а также орбитальный аппарат. в совокупности доступно 16,7% исходной стартовой массы . Таким образом, для всех двигателей, баков и полезной нагрузки

В случае последовательных ступеней ракеты уравнение применяется для каждой ступени, где для каждой ступени начальная масса в уравнении представляет собой полную массу ракеты после отказа от предыдущей ступени, а конечная масса в уравнении представляет собой полную массу. ракеты непосредственно перед выбросом соответствующей ступени. Для каждого этапа удельный импульс может быть разным.

Например, если 80% массы ракеты составляет топливо первой ступени, 10% — сухая масса первой ступени и 10% — остальная ракета, то

С тремя одинаковыми, впоследствии меньшими ступенями с одинаковыми для каждого этапа дает:

а полезная нагрузка составляет 10% × 10% × 10% = 0,1% от начальной массы.

Сопоставимая ракета SSTO , также с полезной нагрузкой 0,1%, могла бы иметь массу топливных баков и двигателей 11,1% и топлива 88,8%. Это дало бы

Если двигатель новой ступени зажигается до того, как была сброшена предыдущая ступень и одновременно работающие двигатели имеют разный удельный импульс (как это часто бывает с твердотопливными ракетными ускорителями и жидкотопливной ступенью), ситуация усложняется.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ К. Ціолковскій, Изслѣдованіе мировыхъ пространствъ реактивными приборами, 1903 (available online here Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine in a RARed PDF)
  2. Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Циолковский, К. «Реактивные летательные аппараты» (PDF) .
  3. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Мур, Уильям (1810). «О движении ракет как в несопротивляющихся, так и в сопротивляющихся средах» . Журнал естественной философии, химии и искусств . 27 : 276–285.
  4. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Мур, Уильям (1813). «Трактат о движении ракет», к которому добавлен «Очерк морской артиллерийской стрельбы в теории и практике» и т. д . Г. и С. Робинсоны.
  5. ^ К. Ціолковскій, Изслѣдованіе мировыхъ пространствъ реактивными приборами, 1903 (available online here Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine in a RARed PDF)
  6. ^ Бланко, Филип (ноябрь 2019 г.). «Дискретный, энергетический подход к ракетному движению». Физическое образование . 54 (6): 065001. Бибкод : 2019PhyEd..54f5001B . дои : 10.1088/1361-6552/ab315b . S2CID   202130640 .
  7. ^ Вперед, Роберт Л. «Прозрачный вывод уравнения релятивистской ракеты» (см. правую часть уравнения 15 на последней странице, где R — это отношение начальной к конечной массе, а w — скорость истечения, соответствующая v e в обозначениях этой статьи)
  8. ^ «Тирания ракетного уравнения» . НАСА.gov . Архивировано из оригинала 06 марта 2022 г. Проверено 18 апреля 2016 г.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b6af910b997164e4d650c5f35e21b31e__1718471400
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b6/1e/b6af910b997164e4d650c5f35e21b31e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Tsiolkovsky rocket equation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)