Электроракетный двигатель принцип работы

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель) – ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.

• Электроракетный двигатель, сущность, устройство, принцип работы
• История возникновения электрических ракетных двигателей
• Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей
• Как работают ракетные двигатели?
• Тяга
• Будущее ракетных двигателей
• Основные типы ракетных двигателей
• Источники:

Электроракетный двигатель, сущность, устройство, принцип работы

Принцип работы основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. В таких двигателях в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического аппарата. Электрические ракетные двигатели имеют исключительно высокий удельный импульс, составляющий до 100 км/с и более. Однако большой потребный расход энергии (1-100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м2) ограничивают максимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками ньютон.

Недостатком электрических ракетных двигателей также является малое ускорение космического аппарата, которое составляет десятые или даже сотые доли ускорения свободного падения (g), что ограничивает применение таких двигателей только космическим пространством. Поэтому для запуска космического аппарата с Земли к другим планетам необходимо комбинировать обычные химические ракетные двигатели с электрическими.

История возникновения электрических ракетных двигателей

Впервые идею использования электрической энергии высказывал К.Э. Циолковский в 1912 г.  В статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (Вестник воздухоплавания, №9, 1912 г.) он писал: «… с помощью электричества можно будет придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам…»

В 1916-1917 гг. Р. Годдард экспериментально подтвердил реальность осуществления этой идеи. В 1929-1933 гг. под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих электрических ракетных двигателей. Впоследствии на некоторое время работы по разработке ЭРД были прекращены.

Они возобновились только в конце 1950-х – начале 1960-х гг. и уже к началу 1980-х гг. в СССР и США испытано около 50 различных конструкций электрических ракетных двигателей в составе космических аппаратов и высотных атмосферных зондов. В настоящее время ЭРД широко используются в космических аппаратах: как в спутниках, так и в межпланетных космических аппаратах.

Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей

По принципу действия:

– электротермические (электронагревные) ракетные двигатели,

– электростатические ракетные двигатели,

– электромагнитные ракетные двигатели.

Для каждого типа и вида двигателя используется определенное рабочее тело: газ, жидкость или твердое вещество.

По режиму работы различают стационарные и импульсные электромагнитные ракетные двигатели.

Стационарные электромагнитные ракетные двигатели работают непрерывно. Их разновидностями являются холловские двигатели (двигатели на основе эффекта Холла) и МГД-двигатели.

Импульсные электромагнитные ракетные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые необходимые значения суммарного импульса тяги.

Разновидностями импульсных электромагнитных ракетных двигателей являются пинчевые двигатели, двигатели с бегущей волной, коаксильные и линейные (шинные, рельсовые) двигатели.

На базе указанных основных типов (классов) ЭРД создаются различные промежуточные и комбинированные варианты, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям использования.

Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

Тяга

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Основные типы ракетных двигателей

Источники:

• втораяиндустриализация.рф
• Пикабу!
• Военное обозрение
• SYL.ru
• мастерок
• FB.ru
• meanders.ru
• bigenc.ru
• Hi-News.ru
• Студопедия
• У Самоделкина
• Asutpp

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 5 чел.
Средний рейтинг: 2.8 из 5.

Принцип работы реактивного и турбореактивного двигателя самолета и ракеты

Современный мир трудно представить без самолетов. Авиация прочно вошла в нашу жизнь и помогает путешественникам преодолевать тысячи километров за считанные часы, что, в еще недавнем прошлом, казалось фантастикой. Не говоря уже о полетах в космос и путешествиях к дальним планетам. Все это стало возможным благодаря изобретению реактивных двигателей. Давайте разберемся в принципе их работы.

Первые двигатели появились давным-давно и преобразовывали мускульную силу животных в полезную для достижения конкретной цели энергию. Простейший пример – лошадь, помогающая крутить эернова мельницы. Затем появились ветряные мельницы, где жернова приходили в движение за счет энергии ветра, иди водяные мельницы, использующие течение рек.

Двигатели, работающие на топливе

Общество сразу по достоинству оценило преимущества использование простейших двигателей и в последующие годы многие ученые трудились над разработкой моделей, работа которых не зависела бы от природных и погодных условий, усталости животного, выступающего в качестве источника энергии.

Гюйгенс ван Зейлихем

Наибольшего успеха на этом поприще добился голландский физик Христиан Гюйгенс ван Зейлихем, который в 1687 году первым предложил использовать порох в качестве источника энергии. Согласно замыслу, в двигателе создавалась камера внутреннего сгорания, в которой должен был сжигаться порох, а выделенная в результате горения энергия, преобразовываться в силу, приводящую определенный элемент в движение. Порох являлся первым прототипом современного топлива.

Примечательно, что идея была позаимствована у артиллеристов, наблюдая за которыми, Гюйгенс обратил внимание на то, что после выстрела, орудия откатывались в сторону, противоположную выстрелу.

Наработки голландца, а также ряда других заслуженных ученых, значительно облегчили путь создания топливных двигателей, которыми мы пользуемся до сих пор. На место пороха пришли бензин и солярка, обладающие иными физическими свойствами и температурами горения, необходимыми для выделения энергии.

Явление отдачи

Шло время, наука не стояла на месте. На смену простейшим механическим двигателям пришли паровые, топливные, электрические.

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались.

Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Реактивный двигатель и принцип его работы

Таким образом, мы постепенно подошли к рассмотрению самого распространенного в самолетостроении и ракетной отрасли типа двигателя – реактивный двигатель.

Любой из нас способен воочию наблюдать явление реактивной реакции. Все что необходимо, надуть воздушный шарик и отпустить. Каждый знает, что произойдет далее: из шарика будет вырываться поток воздуха, который будет двигать тело шарика в противоположном направлении.

Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.

Наблюдения, описанные выше, получили точные научные объяснения, были отображены в физических законах:

• закон сохранения импульса;
• третий закон Ньютона.

Именно на них основывается принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере внутреннего сгорания, смешиваясь с топливом, в результате чего образуется реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.

Принцип работы достаточно прост, однако устройство подобного двигателя довольно сложное и требует точнейших расчетов.

Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель состоит из следующих основных элементов:

• компрессор, который засасывает в двигатель поток воздуха;
• камера внутреннего сгорания, где происходит смешивание топлива с воздухом, их горение;
• турбина – придает дополнительное ускорение потоку тепловой энергии, полученной в результате горения топлива и воздуха;
• сопло, важнейший элемент, который преобразует внутреннюю энергию в «движущую силу» – кинетическую энергию.

Благодаря совместному взаимодействию этих элементов, на выходе реактивного двигателя образуется мощнейшая реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, высочайшую скорость.

Реактивные двигатели в самолете

В преддверии Мировой Войны, ученые ведущих стран старательно трудились над разработками самолетов с реактивными двигателями, которые бы позволили их странам безоговорочно диктовать свои условия на небесном фронте.

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.

В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.

Мессершмитт Me-262 Швальбе/Штурмфогель

В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Реактивные двигатели в космосе

После освоения неба человечество поставило перед собой задачу покорить космос.

Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.

Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?

В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.

Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.

Содержание

• Двигатели, работающие на топливе
• Явление отдачи
• Принцип работы
• Устройство реактивного двигателя
• Реактивные двигатели в самолете
• Реактивные двигатели в космосе

Electric Rocket Propulsion — Propulsion 2

1. Что такое Electric Rocket Propulsion?
2. Типы электрических ракетных двигателей
3. Преимущества электрических ракетных двигателей
4. Недостатки электрических ракетных двигателей

Электрическая ракетная двигательная установка представляет собой двигательную установку, которая использует электрические и, возможно, также магнитные поля для изменения скорости космического корабля . Большинство таких двигательных установок космических кораблей работают за счет электрического выбрасывания топлива (реактивной массы) на высокой скорости. Электрические двигатели обычно используют гораздо меньше топлива, чем химические ракеты, потому что они имеют более высокую скорость выхлопа (работают с более высоким удельным импульсом), чем химические ракеты. Из-за ограниченной электрической мощности тяга намного слабее по сравнению с химическими ракетами, но электрическая тяга может обеспечивать тягу в течение более длительного времени.

Во всех электрических силовых установках источник электроэнергии (ядерная энергетика, приемники солнечного излучения или батареи) физически отделен от механизма, создающего тягу. Этот тип силовой установки был ограничен тяжелыми и неэффективными источниками энергии. Тяга обычно невелика, обычно от 0,005 до 1 Н. Чтобы обеспечить значительное увеличение скорости транспортного средства, необходимо применять малую тягу и, следовательно, небольшое ускорение в течение длительного времени (недели или месяцы).

Упрощенная принципиальная схема электрической ракетной двигательной установки с дуговым нагревом

Типы электрической ракетной двигательной установки :

В основном существует три основных типа электрической ракетной двигательной установки:

1. Электростатическая ракетная двигательная установка
2. ракетный двигатель
3. Электромагнитный ракетный двигатель

Из трех основных типов электротермический ракетный двигатель больше всего напоминает химические ракетные установки; топливо нагревается электрически (с помощью нагревательных резисторов или электрических дуг), а затем горячий газ термодинамически расширяется и ускоряется до сверхзвуковой скорости через выхлопное сопло. Эти электротермические установки обычно имеют диапазон тяги от 0,01 до 0,5 Н, скорость истечения от 1000 до 5000 м/с, а в качестве топлива используются газообразные продукты разложения аммония, водорода, азота или гидразина.

Два других типа – электростатический или ионный двигатель и электромагнитный или магнитоплазменный двигатель – осуществляют движение по разным принципам, и термодинамическое расширение газа в сопле как таковое не применяется. Оба будут работать только в вакууме. В ионной ракете рабочее тело (обычно ксенон) ионизируется (путем отрыва электронов), а затем электрически заряженные тяжелые ионы разгоняются до очень высоких скоростей (2000—60 000 м/сек) с помощью электростатических полей. Впоследствии ионы электрически нейтрализуются; они объединяются с электронами, чтобы предотвратить накопление пространственного заряда на транспортном средстве.

В магнитоплазменной ракете электрическая плазма (активированный горячий газ, содержащий ионы, электроны и нейтральные частицы) ускоряется за счет взаимодействия электрических токов и магнитных полей и выбрасывается с высокой скоростью (от 1000 до 50 000 м/с).

• Электротермический — топливо нагревается электрически и термодинамически расширяется; т. е. газ разгоняется до сверхзвуковых скоростей через сопло, как в химической ракете.
• Электростатический. Ускорение достигается за счет взаимодействия электростатических полей с ненейтральными или заряженными частицами топлива, такими как атомарные ионы, капли или коллоиды.
• Электромагнитный. Ускорение достигается за счет взаимодействия электрического и магнитного полей в плазме. Умеренно плотная плазма представляет собой высокотемпературные или неравновесные газы, электрически нейтральные и достаточно хорошие проводники электричества.

Упрощенная принципиальная схема типичной ионной ракеты

Преимущества электрического ракетного двигателя :

1. Электрические ракетные двигатели более эффективны, чем химические, в том смысле, что им требуется гораздо меньше топлива для производства того же общий эффект.
2. Предлагает очень гибкую компоновку и, следовательно, имеет 30% уменьшение объема по сравнению с системой механического привода.
3. Предлагает разнообразие нагрузки благодаря единой централизованной выработке электроэнергии.
4. Обеспечивает большую пользу для окружающей среды за счет снижения расхода топлива на 14 000 тонн в год.
5. Создает меньше шума, так как электродвигатель имеет низкие вибрационные характеристики.
6. Система разработана с учетом высокой степени автоматизации и самоконтроля.
7. Имеет очень низкий уровень выбросов.
8. Предлагает гибкость в пространстве.
9. Электрические двигатели также позволяют очень точно регулировать силу, прикладываемую к космическому кораблю, что позволяет с несравненной точностью контролировать положение и ориентацию космического корабля на его орбите.
10. Обеспечивает безопасность.
11. Обеспечивает резервирование.

Недостатки электрического ракетного двигателя :

1. Это дорогая система.
2. Имеет меньшую эффективность по сравнению с другими системами.
3. Это сложная система из-за большого количества оборудования.

Чтобы найти больше тем на нашем веб-сайте…

Ищите:

Хотите сослаться на Википедию? Пожалуйста, нажмите здесь…

Искать:

Пожалуйста, подпишитесь на нас и поставьте лайк 🙂

Силовая установка

Есть четыре основных составные части к любой полномасштабной ракете; в структурная система, или рама, система полезной нагрузки, система наведения и двигательная установка . Двигатель ракеты включает в себя все детали, из которых состоит ракетный двигатель; танки насосы, топливо, силовая головка и сопло ракеты. Функция двигательной установки заключается в создании тяги. Тяга – это сила, которая перемещает ракета по воздуху и через космос. Тяга создается за счет силовая установка ракеты. Различные двигательные установки развивают тягу в разными способами, но вся тяга создается за счет некоторых Применение третьего закона Ньютона движение. На каждое действие есть равное и противоположное противодействие. В любой силовой установке рабочая жидкость есть ускоряется системой и реакция на это ускорение создает силу в системе. А общий вывод уравнения тяги показывает, что величина создаваемой тяги зависит от массовый поток через двигатель и выходная скорость газа. В ракетном двигателе топливо и источник кислорода, называемый окислителем, смешиваются и взрываются в камере сгорания. горение производит горячий выхлоп, который проходит через сопло ускорить течение и производить тягу. Для ракеты ускоренный газ или рабочее тело, — горячий выхлоп, образующийся при сгорании. Это другая рабочая жидкость, чем вы найдете в газотурбинный двигатель или винтовых самолетов. Турбинные двигатели и винты используют воздух из атмосферы в качестве рабочего тела, но ракеты используют горение выхлопных газов. В открытом космосе атмосферы нет, поэтому турбины и пропеллеры не может там работать. Это объясняет, почему ракета работает в космосе. а вот турбинный двигатель или пропеллер не работает. Есть две основные категории ракетных двигателей; жидкостные ракеты и твердотопливные ракеты . В жидкая ракета, топливо , горючее и окислитель, хранятся отдельно в виде жидкостей и перекачиваются в камера сгорания форсунки где происходит горение. В твердотопливная ракета, пропелленты смешаны вместе и упакован в прочный цилиндр. В нормальных температурных условиях, топливо не горит; но они сгорают при воздействии источник тепла, обеспечиваемый воспламенителем. Как только начнется горение, это продолжается до тех пор, пока все топливо не будет исчерпано. С жидкостной ракетой можно остановить тягу, отключив поток пропелленты; а вот с твердотопливной надо разрушить обшивку чтобы остановиться двигатель. Жидкостные ракеты, как правило, тяжелее и больше сложный из-за насосов и накопительных баков. Пропелленты загружается в ракету непосредственно перед запуском. Твердотопливная ракета намного проще в обращении и может простоять годами перед стрельбой. На этом слайде мы показываем изображение Saturn 1B. слева и фото испытания ракетного двигателя на право. На картинке справа мы видим только вне сопла ракеты, при этом горячий газ выходит из нижний. первый этап «Сатурн-1В» был оснащен восемью жидкостными ракетными двигателями, сжигающими углеводородное топливо с жидким кислородом. Используется второй этап единый двигатель, работающий на жидком водороде и жидком кислороде, и использовался для вывода космического корабля «Аполлон» на низкую околоземную орбиту. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника