împingere

Impulsul este o forță descrisă cantitativ de legile a doua și a treia ale lui Newton . Când un sistem scoate sau accelerează masa într-o direcție, masa accelerată exercită o forță de aceeași magnitudine, dar în direcția opusă asupra sistemului. În cazul rachetelor, forța depășește rezistența aerului și gravitația , generează propulsie și provoacă accelerare . În special, tracțiunea este utilizată ca parametru pentru performanța motoarelor cu reacție și a motoarelor rachete .

Unitatea de forță, ca și cea a forței în general, este newtonul (N). Uneori este încă folosit unitatea depășită kilopond (kp). În special în țările vorbitoare de limbă engleză, unitatea lbs sau lbf se găsește adesea ca o abreviere pentru lire sau lire forță ( efectul lirei germane sau forța lirei).

Noțiuni de bază

În sistemele de propulsie cu reacție, presiunea este parametrul preferat, deoarece la motoarele cu reacție pură nu este posibilă măsurarea directă a puterii pe un arbore de acționare. Pe de altă parte, în cazul motoarelor cu piston și al turbinelor cu elice , puterea nominală în kilowați este obișnuită. Cu toate acestea, forța motrice relevantă care provine de la o elice acționată de un motor cu piston sau de o turbină este forța generată.

Un motor PW4062 al unui Boeing 747-400 generează o tracțiune maximă de aproximativ 62.100 lbf sau 276 kN în timpul decolării. Pentru a atinge acest impuls, se ard trei litri de kerosen pe secundă. Dovada faptului că un motor generează efectiv această propulsie este demonstrată și certificată pe un stand de testare după producție sau reparații .

Un VTOL poate decola pe verticală numai dacă tracțiunea este mai mare decât greutatea aeronavei, a se vedea, de asemenea , raportul tracțiune-greutate . Într-un Hawker Siddeley Harrier de 17 tone z. B. cei 200 kN de la motorul său sunt suficienți pentru a-l accelera pe verticală. În cazul avioanelor cu aripi fixe, propulsia trebuie să fie doar o fracțiune din propria greutate, deoarece aripa „suportă” cealaltă parte din propria greutate. Această fracțiune se caracterizează prin raportul de alunecare .

Cel mai puternic motor de aeronave civile în prezent (2006) este General Electric GE90-115B cu 519 kN. În probele de testare a atins un impuls maxim de 569 kN. Este folosit pentru Boeing 777-300ER .

Valorile pentru rachete sunt în jur de 40.000 kN pentru fostele sovietice N1 și Energija și americanul Saturn V , 30.000 kN pentru naveta spațială sau 8.800 kN pentru Delta IV Heavy .

Bazele fizice

Împingerea motorului cu reacție

Impulsul apare din faptul că masa de aer care a trecut este accelerată. Pentru aceasta, energia cinetică trebuie furnizată aerului. Dacă pierderea de presiune cauzată de duza de împingere poate fi neglijată, se spune că duza este reglată.

Conform legii conservării impulsului, următoarele se aplică la tracțiunea netă a unui motor :

Cu

: Impingere (Forță)
: Debitul masic al aerului expulzat
: Fluxul de masă al aerului aspirat
: Viteza aerului expulzat ( viteza )
: Viteza aerului aspirat

Deoarece arderea combustibilului și creșterea asociată a temperaturii determină extinderea gazului și ieșirea volumului crescut prin secțiunea transversală îngustă a duzei, viteza c a debitului de aer crește (pentru mai multe detalii vezi: motor cu reacție ). În pistoalele cu ventilator, fluxul de aer este accelerat de o elice motorizată.

Deoarece nacela motorului creează o rezistență aerodinamică D (rezistența aerodinamică a aeronavei poate fi neglijată), aceasta trebuie scăzută din forța netă. Aceasta înseamnă că două aeronave pot avea o tracțiune diferită, chiar dacă sunt echipate cu aceleași motoare (de exemplu, A350 și Boeing 787 ). Deci se aplică

Deoarece aerul devine mai subțire cu cât zbori mai sus, fluxul de masă scade și odată cu creșterea altitudinii. Deci, definiți o tracțiune a motorului în condiții ISA și apoi spuneți

unde densitatea aerului (ρ - rho) poate fi estimată, de exemplu, utilizând formula altitudinii barometrice .

Împingerea motorului rachetei

Lansarea unei rachete Soyuz

Când propulsați o rachetă , viteza este deosebit de importantă atunci când combustibilul este consumat.

Pentru impulsul de impuls este valid (după rata pulsului ):

Î : forță propulsivă
Δ t : timpul de ardere a motorului
Δ m : Pierderea masei rachetei din cauza pierderii combustibilului ars
v s : viteza de ieșire

Notă: Acesta este unul dintre rare cazuri în mecanica elementară în care masa nu este o constantă. În acest caz, este de asemenea ușor să specificați performanța motorului rachetă ! Viteza efectivă de ieșire este denumită și impulsul specific (de masă) al motorului rachetă.

În cazul în care propulsia (nu li se acordă întotdeauna, a se vedea de exemplu , cursul forței de apăsare în rachete solide ), rezultă pentru viteza finală cu și luând în considerare masa rachetei și combustibil masa :

 ( Ecuația de bază a rachetei )

Viteza finală crește odată cu viteza de ejecție (valoarea tipică este de 4500 m / s) și raportul dintre masa inițială și masa finală (de obicei 30: 1 la 100: 1). Corecțiile pentru rezistența aerului trebuie luate în considerare în mod analog cu cazul motorului cu reacție.

O aplicație importantă pentru propulsia rachetelor este depășirea accelerației gravitaționale . Pentru a face acest lucru, racheta trebuie să atingă viteza de evacuare (e pentru evacuare ).

În cazul unui vehicul de lansare, de exemplu, masa finală este aproape identică cu sarcina utilă, doar aceasta atinge înălțimea țintă (cu carenajul pentru sarcina utilă ):

Ariane 5G : masă la decolare ≈750 t, sarcină utilă ≈20 t LEO , 7 t GTO, forță de decolare ≈12.000 kN, împingere maximă ≈14.400 kN

Impuls și performanță

Împingerea este o forță. Puterea netă se obține înmulțind-o cu viteza de mișcare:

P : putere (Putere)
F : Forța
v : viteza (viteza)

Un motor cu reacție aflat în funcțiune pe o aeronavă staționară (de exemplu, în așteptarea distanței la decolare) nu se mișcă, puterea sa utilă și, prin urmare, eficiența sa este zero. Cu toate acestea, o performanță este întotdeauna necesară pentru orice impuls. Acest lucru rezultă din energiile furnizate maselor de aer pe unitate de timp, dacă se presupun mase de aer inițiale statice.

Deoarece viteza are doar un efect liniar asupra tracțiunii, se poate genera mai multă tracțiune cu mai puțină putere, cu o secțiune transversală mai mare a motorului și, astfel, cu mase de aer mai mari. Acest lucru explică, de asemenea, tendința către motoare cu rapoarte de bypass din ce în ce mai mari și cu rotoare mai mari.

Puterea P este produsul forței F și al vitezei de mișcare v ; este astfel definit ca multiplicarea forței cu viteza:

Factorul v , de exemplu viteza de mișcare a unei unități de putere, nu este în niciun caz constant. Numai dacă se dă o viteză v mai mare de 0, forța, adică forța, înmulțită cu viteza, poate duce la putere (mai mare de 0).

exemplul 1

La o viteză de croazieră de 900 km / h (= 250 m / s), motoarele unui avion comercial funcționează la aproximativ 80% din forța maximă, care în cazul unui Boeing 737 este de ordinul a 122 kN pe motor . Apoi, un motor oferă o putere de aproximativ

Adică aproximativ 33.000 CP.

Exemplul 2

Eurofighter Typhoon aduce aproximativ 180 kN , cu utilizarea deplină a afterburners ambelor motoare. Este necesară o tracțiune completă pentru a atinge viteza maximă de aproximativ Mach 2 (aproximativ 2.300 km / h ≈ 639 m / s). Apoi, motoarele oferă o putere de aproximativ

Acest lucru corespunde aproximativ cu puterea de 156.000 CP.