2. Реактивныий двигатель

Определения и обозначения

Реактивный двигатель — устройство, создающее тягу за счёт истечения струи газа с большой скоростью. Он превращает энергию топлива в направленное движение. Такие двигатели используют в ракетах, самолётах и космических аппаратах.

Реактивная тяга — сила, возникающая при выбрасывании двигателем массы газа в противоположном направлении. Она сообщает двигателю импульс, направленный навстречу струе. Именно тяга разгоняет ракету или самолёт.

Рабочее тело — газ, который ускоряется внутри двигателя и выбрасывается через сопло. Обычно это горячие продукты сгорания топлива. Их движение наружу передаёт двигателю противоположный импульс.

Сопло — сужающаяся часть двигателя, превращающая энергию газа в направленное движение струи. В нём газ расширяется и ускоряется. От работы сопла зависит, насколько эффективно энергия газов создаёт тягу.

Как это устроено

Двигатель движется вперёд, потому что газовая струя получает импульс назад, а двигатель — противоположный импульс. Это проявление закона сохранения импульса: если первоначальный общий импульс системы был равен нулю, то после разделения частей импульсы направлены в разные стороны. Поэтому ракете не нужна опора, от которой можно было бы оттолкнуться.

Сначала в двигатель поступает топливо и окислитель. Топливо является источником энергии, а окислитель нужен для его горения. В ракетном двигателе оба вещества находятся на борту, потому что в космосе нет атмосферного кислорода; в двигателе самолёта окислитель обычно поступает вместе с воздухом.

В камере сгорания топливо соединяется с окислителем и сгорает. При этом химическая энергия превращается во внутреннюю энергию горячих газов, их температура и давление увеличиваются. Газ стремится расшириться, поэтому начинает двигаться из камеры в сторону сопла, где для него создан выход.

Сопло направляет поток преимущественно назад и помогает перевести энергию давления в скорость. По мере расширения газ ускоряется, а его движение становится более упорядоченным. Чем больше масса газа, выбрасываемая за секунду, и чем выше скорость истечения, тем больше изменение импульса и тяга.

Ракетному двигателю не нужен окружающий воздух, так как он несёт с собой окислитель и выбрасывает собственные продукты сгорания. Воздушно-реактивный двигатель устроен иначе: он засасывает атмосферный воздух, использует его кислород и поэтому не работает в безвоздушном пространстве. В обоих случаях движение создаётся не горячим газом как таковым, а его направленным истечением.

Устройство и работа реактивного двигателя

Таблица показывает последовательность превращения энергии топлива в реактивную тягу. Читая её сверху вниз, можно проследить путь от поступления веществ до движения двигателя. Последний результат появляется потому, что газ уходит назад с большой скоростью.

Разбор задач

Движение воздушного шара

Условие. Из воздушного шара выпускают воздух, и шар движется в сторону, противоположную струе. Нужно объяснить это движение. Сопротивлением воздуха можно пренебречь.

1. Рассмотрим шар и находящийся в нём воздух как одну систему. До выпуска общий импульс системы равен нулю, если шар покоится.
2. После выпуска воздух получает импульс в сторону струи. Чтобы общий импульс сохранился, шар получает импульс такой же величины, но в противоположную сторону.
3. Импульс шара связан с его движением, поэтому шар начинает перемещаться. Чем быстрее и больше воздуха выходит, тем заметнее толчок.

Ответ. Воздушный шар движется противоположно струе из-за закона сохранения импульса. Воздух уходит назад, а шар получает импульс вперёд. Это простой пример реактивного движения.

Ракетный и самолётный двигатели

Условие. Нужно сравнить два двигателя по источнику окислителя. Выясним, какой из них сможет работать в вакууме.

1. Ракетный двигатель хранит на борту топливо и окислитель. Поэтому он сам образует горячие газы и может выбрасывать их через сопло без забора воздуха.
2. Воздушно-реактивный двигатель забирает атмосферный воздух. Его кислород поддерживает горение, поэтому в вакууме такой двигатель не получит нужного окислителя.
3. Следовательно, наличие воздуха определяется не самой струёй, а способом получения газов. Оба двигателя создают тягу истечением, но устроены по-разному.

Ответ. В вакууме работает ракетный двигатель, так как несёт запас окислителя. Реактивному двигателю самолёта необходим воздух из атмосферы. Главное различие состоит именно в источнике окислителя.

Изменение импульса и сила тяги

Условие. За время Δt двигатель выбрасывает массу m газов со скоростью v относительно двигателя. Требуется связать изменение импульса газов со средней силой тяги. Направление струи считаем отрицательным, а направление движения двигателя — положительным.

1. Импульс выброшенных газов по модулю равен p = mv. Если газ движется назад, его импульс имеет отрицательное направление.
2. Средняя сила связана с изменением импульса формулой F = Δp/Δt. Для тяги берём модуль изменения импульса, поэтому Fтяг ≈ mv/Δt.
3. Введём массовый расход ṁ = m/Δt. Тогда при постоянной скорости истечения можно записать Fтяг ≈ ṁv.

Ответ. Газы получают импульс величиной mv, а средняя тяга примерно равна Fтяг = mv/Δt = ṁv. Если за то же время выбрасывать больше газа или увеличить скорость струи, тяга возрастёт. Формула показывает, почему оба фактора важны одновременно.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ракета отталкивается от воздуха. Так думают по аналогии с веслом или винтом, но в ракете тяга возникает из-за выбрасывания собственных газов. Проверка: представьте ракету в вакууме — если у неё есть топливо и окислитель, она всё равно будет двигаться.

Ошибка: путать направление ракеты с направлением струи. Газ летит назад, а двигатель получает противоположный импульс и движется вперёд. Проверка: нарисуйте две стрелки импульса, они должны быть направлены навстречу друг другу.

Ошибка: утверждать, что любой реактивный двигатель работает в вакууме. Это верно для ракетного двигателя, но воздушно-реактивному нужен атмосферный воздух с окислителем. Проверка: спросите, откуда двигатель получает кислород для горения.

Ошибка: считать, что одних горячих газов достаточно для тяги. Давление и температура создают условия для движения, но сила появляется при направленном истечении и изменении импульса. Проверка: уточните, есть ли у газов скорость и определённое направление выхода.

Связь с другими темами

Для понимания реактивного двигателя нужны закон сохранения импульса, третий закон Ньютона и понятие импульса тела. Они объясняют, почему газ и двигатель получают противоположные импульсы. Без этих идей трудно определить направление движения и тяги.

Тема связана с движением ракет, космонавтикой и авиационными двигателями. По одному принципу можно объяснить полёт ракеты, работу реактивного самолёта и движение шарика с выпускаемым воздухом. Различается главным образом источник топлива и окислителя.

Позже эти знания пригодятся при изучении закона сохранения энергии и движения тел переменной массы. При работе двигателя масса ракеты постепенно уменьшается, а энергия топлива превращается в энергию движения. Поэтому реактивное движение объединяет механику и физику энергии.

Что запомнить

• Реактивный двигатель создаёт тягу за счёт истечения газа.
• Струя газа движется назад, а двигатель получает импульс вперёд.
• Рабочее тело двигателя — ускоряемый и выбрасываемый газ.
• Сопло направляет и ускоряет поток газов.
• Ракетный двигатель несёт с собой не только топливо, но и окислитель.
• Для работы ракетного двигателя окружающий воздух не нужен.
• Тяга зависит от массы выбрасываемого газа и скорости его истечения.