Реактивное движение — принцип работы реактивных двигателей¶
Реактивное движение — это принцип перемещения тела в пространстве, основанный на отбрасывании части его массы с определённой скоростью в противоположном направлении. Явление описывается законом сохранения импульса: сумма импульсов тела и отброшенной массы остаётся неизменной, поэтому тело получает скорость, направленную навстречу потоку отбрасываемых частиц. Реактивное движение широко используется в авиации, космонавтике, морском и наземном транспорте.
¶Физическая основа
Принцип реактивного движения формулируется через закон сохранения импульса. Если тело массой M отбрасывает за малое время dt элементарную массу dm с относительной скоростью u (скоростью истечения), то тело получает приращение скорости dv, определяемое соотношением:
M·dv = -dm·u
Отрицательный знак отражает противоположность направлений: газы, покидающие сопло, движутся назад, а само тело — вперёд. Для разгонной ступени ракеты в вакууме конечная скорость определяется формулой Циолковского:
v = u·ln(M₀/M₁)
где M₀ — начальная масса ракеты, M₁ — масса после выработки топлива, u — скорость истечения рабочего тела. Из этой формулы следует, что максимальная скорость ракеты зависит только от скорости истечения и отношения масс, но не от наличия внешней среды.
¶История
Идея реактивного движения известна с античности. В I веке н. э. греческий математик и механик Александрийский Герон описал эолипил — шар, вращавшийся под действием пара, выходящего из изогнутых сопел. Устройство демонстрировало принцип, но не применялось практически.
В 1697 году русский изобретатель Иван Кулибин предложил «самоходную коляску» — экипаж, приводившийся в движение реактивными колёсами, снабжёнными соплами, через которые подавался сжатый воздух. В 1738 году швейцарский физик Даниил Бернулли теоретически обосновал реактивное движение в трудах по гидродинамике.
Основоположником теории ракетного движения считается русский учёный Константин Циолковский. В 1903 году он опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой сформулировал уравнение движения ракеты и обосновал возможность космических полётов. В 1929 году Циолковский предложил схему жидкостного ракетного двигателя с камерой сгорания и соплом.
Практическое воплощение идеи осуществили Константин Циолковский (теория), Роберт Годдард (США) — первый полёт ракеты на жидком топливе в 1926 году, и Герман Оберт (Германия) — разработчик баллистических ракет. В СССР первые работы по ракетной технике вёл Николай Кибальчич, затем — Валентин Глушко, Сергей Королёв и другие конструкторы.
¶Виды реактивных двигателей
Реактивные двигатели классифицируют по типу рабочего тела и способу его разгон:
| Тип двигателя | Принцип работы | Применение |
|---|---|---|
| Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) | Сгорание жидкого топлива и окислителя в камере | Ракеты-носители, космические аппараты |
| Твердотопливный ракетный двигатель | Горение твёрдого рабочего тела | Артиллерия, ступени ракет |
| Реактивный двигатель воздушно-реактивного типа (ВРД) | Сжатие и нагрев атмосферного воздуха | Самолёты, крылатые ракеты |
| Пузе-реактивный двигатель (ПРД) | Горение топлива в потоке набегающего воздуха без компрессора | Сверхзвуковые самолёты, ракеты |
| Гибридный двигатель | Твёрдое топливо и жидкий окислитель | Экспериментальные аппараты |
| Ионный двигатель | Электромагнитное ускорение ионов | Космические аппараты (манёвры на орбите) |
Воздушно-реактивные двигатели делятся на турбореактивные (ТРД), двухконтурные турбореактивные (ТРДД), турбовентиляторные (ТВД) и прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД). Использование воздуха как рабочего тела позволяет существенно увеличить тягу при меньшей массе топлива, однако ограничивает высоту полёта.
¶Применение
¶Авиация
Реактивные двигатели вытеснили поршневые на подавляющем большинстве современных самолётов. Первый серийный реактивный истребитель — немецкий Messerschmitt Me 262 — поднялся в воздух в 1942 году. В СССР первым серийным реактивным самолётом стал МиГ-15 (1947 год), оснащённый двигателем КЛ-1 конструкции Валентина Глушко.
¶Космонавтика
Реактивное движение — единственный способ создания тяги в вакууме. Все ракеты-носители работают на реактивном принципе. Первый искусственный спутник Земли (1957) и первый пилотируемый полёт Юрия Гагарина (1961) были осуществлены на ракетах, оснащённых жидкостными реактивными двигателями.
¶Наземный и морской транспорт
Реактивные установки применяются на скоростных судах (воздушные суда на эффекте земли), в экспериментальных наземных транспортных средствах и в пожарных автомобилях-ракетах, предназначенных для тушения нефтяных скважин.
¶Интересные факты
- Ракета, летящая в вакууме, может разгоняться только за счёт реактивного движения — гравитация и аэродинамические силы в этом случае не помогают.
- Скорость истечения газов в современных ЖРД достигает 4,5 км/с, в ионных двигателях — десятков км/с при очень малой тяге.
- Константин Циолковский сформулировал идею многоступенчатой ракеты, что позволяет компенсировать потери на перенос несработавших конструкций.
¶Источники
- Циолковский К. Э. «Исследование мировых пространств реактивными приборами», 1903
- Савельев В. И. Курс общей физики
- Суханов М. Н. Курс лекций по аэродинамике и динамике полёта
- Энциклопедия «Космонавтика», Большая российская энциклопедия