Уравнение ракеты Циолковского
Часть серии о |
Астродинамика |
---|
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:
- – эффективная скорость истечения ;
- – удельный импульс в измерении времени;
- стандартная гравитация ;
- – функция натурального логарифма ;
- — начальная общая масса, включая топливо , т. е. влажная масса;
- — это конечная общая масса без топлива, т. е. сухая масса.
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.
История
[ редактировать ]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 ]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.
Вывод
[ редактировать ]Самый популярный вывод
[ редактировать ]Рассмотрим следующую систему:
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 ]Delta- v
[ 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 (в 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.
Примеры
[ редактировать ]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
Этапы
[ редактировать ]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 ]- Delta-v budget
- Проблема с джипом
- Соотношение масс
- Эффект Оберта — применение дельта-v в гравитационной скважине увеличивает конечную скорость.
- Релятивистская ракета
- Обратимость орбит
- Роберт Х. Годдард - добавлены термины для гравитации и сопротивления в вертикальном полете.
- Движение космического корабля
- Закон эпонимии Стиглера
Ссылки
[ редактировать ]- ^ К. Ціолковскій, Изслѣдованіе мировыхъ пространствъ реактивными приборами, 1903 (available online here Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine in a RARed PDF)
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Циолковский, К. «Реактивные летательные аппараты» (PDF) .
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ^ К. Ціолковскій, Изслѣдованіе мировыхъ пространствъ реактивными приборами, 1903 (available online here Archived 2011-08-15 at the Wayback Machine in a RARed PDF)
- ^ 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 .
- ^ 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)
- ^ «Тирания ракетного уравнения» . НАСА.gov . Архивировано из оригинала 06 марта 2022 г. Проверено 18 апреля 2016 г.