Silnik odrzutowy

Silnik odrzutowy jest silnik przeznaczony do napędzania pojazdu (antena głównie, ale nie wyłącznie). Podstawowa zasada opiera się na rzucie płynu ( gazu lub cieczy ) w określonym kierunku; w wyniku reakcji płyn ten przekazuje następnie ciąg na pojazd w przeciwnym kierunku.

Bardzo korzystny stosunek masy do mocy tego typu silnika otwiera dla niego liczne zastosowania w sektorach lotniczym (szybkie samoloty) i kosmicznym , a także w sektorze morskim ( hydrojet ).

Napęd odrzutowy

Napęd odrzutowy oparty jest na zasadzie działania-reakcji sformułowanej przez Izaaka Newtona . Tę zasadę można zilustrować na przykładzie doświadczenia myślowego dwóch kosmonautów, którzy odpychają się nawzajem w przestrzeni (ilustracja po lewej). W tym eksperymencie myślowym lepiej jest wyobrazić sobie, że tylko jeden kosmonauta zapewnia projekcję drugiego (co jest ważne tylko dla masy, którą reprezentuje). Zachowanie pędu całego układu (rzut kosmonauta 1 + rzut kosmonauta 2) oznacza, że ​​wyrzucenie masy w jednym kierunku tworzy siłę w kierunku przeciwnym.
Jeśli obaj kosmonauci mają taką samą masę, po rzucie będą mieli jednakową prędkość w przeciwnym kierunku.
Jeśli jeden z kosmonautów jest lżejszy, to samo prawo zachowania pędu spowoduje, że będzie on oddalał się od drugiego z większą prędkością (rzucając lub rzucając).

W przeciwieństwie do tego, co się często myśli, ten kosmiczny eksperyment można przeprowadzić na Ziemi: jeden łyżwiarz może w ten sposób odepchnąć drugiego (dwóch rolkarzy można zastąpić dwoma ćwiczącymi wrotkami). Nawet bez użycia kółek, jeśli umieścisz dwoje dzieci twarzą w twarz, końce ich stóp się stykają i poprosisz jedno z nich o bardzo mocne pchnięcie drugiego bez zmiany pozycji stóp, odmówi tego, ponieważ zintegrował od najmłodszych lat, że czyniąc to, również zostanie odepchnięty. Odrzutu broni palnej jest przykładem napędu strumieniowego. Istnieją dwa główne typy silników odrzutowych, w zależności od pochodzenia odrzucanego materiału:

• które wystają z materiału zawartego w korpusie maszyny: silnik rakietowy , napędów elektrycznych ,  itd. i wszystkie beztlenowe silniki odrzutowe ( rakiety wodne , balony;
• te, które wykorzystują płyn uprzednio wchłonięty przez pojazd z przodu i przyspieszony przed wyrzuceniem go w tył; są różne typy silników (lub prościej reaktory ) silniki turboodrzutowe , Silniki strumieniowe , superstatorjet  ; z hydrojets mogą być klasyfikowane w tego typu silniki odrzutowe.

Przykłady w przyrodzie

Wiele zwierząt porusza się pod wpływem reakcji. Możemy wspomnieć o ośmiornicach, meduzach i wielu małży, takich jak przegrzebki (wideo obok). Napęd ptaków i nietoperzy jest również zapewniany przez reakcję (ptaki te wyrzucają powietrze do tyłu, aby wytworzyć siłę do przodu); ponadto samo ich pożywienie zależy od zasady reakcji (ich skrzydła, ze względu na swoją prędkość i zasięg, wyrzucają powietrze w dół).

Przykłady z życia codziennego

Jeśli pominiemy fakt, że lecimy samolotem odrzutowym (na przykład Airbus lub Boeing), w życiu codziennym znajdziemy przykłady obiektów sterowanych odrzutowcem, z tą przewagą, że te obiekty demonstrują zimną reakcję . Na przykład :

• Zagięta słomka: Kiedy dmuchasz w zagiętą słomkę skierowaną w dół i delikatnie trzymaną ustami, obserwujesz, jak unosi się w wyniku reakcji (animacja poniżej).
• Balon (balon lateksowy) napompowany ciepło wywołuje reakcję po upuszczeniu. Dzięki małej sztuczce możesz nawet zrobić rakiety balonowe, które mogą latać prosto (zdjęcie poniżej takiej rakiety na jej wyrzutni).
• Rakiety wodne są również przykładem napędu odrzutowego. Wyrzucają wodę wyrzuconą przez ciśnienie sprężonego powietrza dostarczanego przez pompkę rowerową lub inne urządzenie. Flyboard wynaleziony przez francuskiego Franky Zapata jest zabawa i komercyjne wykorzystanie zasady reakcji wody (naprzeciwko video).
• Prawo akcji i reakcji można udowodnić (a nawet doświadczyć), ćwicząc eksperyment łodzi Ciołkowskiego (animacja poniżej). Co więcej, każdy był w stanie zaobserwować, że kiedy ktoś porusza się w kierunku przodu lekkiego statku, sam statek porusza się do tyłu (proporcjonalnie do zaangażowanych mas): czujemy, że każdy z naszych kroków do przodu pociąga łódź do tyłu ( Akcja reakcja).

• Przykłady prostych silników odrzutowych

• Eksperyment ze zgiętą słomą reakcyjną

• Animacja pokazu „Łódź Ciołkowskiego”

• Rakiety balonowe

Analiza fizyczna

Napędowa siła (zwane w tym przypadku naporu ) jest czas pochodna pędu ( drugie prawo Newtona ):

fa→=re(MV→)ret=-re(mv→)ret{\ Displaystyle {\ vec {F}} = {\ mathrm {d} (M {\ vec {V}}) \ ponad \ mathrm {d} t} = - {\ mathrm {d} (m {\ vec { v}}) \ over \ mathrm {d} t}}

lub:

• fa→{\ displaystyle {\ vec {F}} \!} jest wypadkowym wektorem siły działającym na pojazd;
• M{\ Displaystyle M \!}i są masą pojazdu i jego wektorem prędkości  ;V→{\ displaystyle {\ vec {V}} \!}
• m{\ Displaystyle m \!}i są wyrzuconą masą i jej prędkością;v→{\ displaystyle {\ vec {czas}} \!}
• t{\ displaystyle t \!}jest czas .

W praktyce możemy znaleźć uproszczone formy tej formuły; na przykład dla silnika lotniczego (pomijając masę spalonego paliwa, która jest bardzo mała w porównaniu z masą mieszanego powietrza), staje się:

faPchać=m˙×(vWyjście-vWejście){\ displaystyle F _ {\ text {push}} = {\ kropka {m.}} \ razy (v _ {\ tekst {wyjście}} - v _ {\ tekst {wpis}})}

lub:

• m˙{\ displaystyle {\ kropka {m.}}} to masowe natężenie przepływu powietrza przepływającego przez silnik, przy czym natężenie przepływu paliwa jest nieistotne (kg / s);
• vWyjście{\ displaystyle v _ {\ text {wyjście}}} jest prędkością wylotową gazów z dyszy (m / s);
• vWejście{\ displaystyle v _ {\ text {wpis}}} jest prędkością wlotu gazów do silnika (m / s).

Jeśli chodzi o energię , Prace dostarczone przez ciąg jest bardziej wydajne, jak prędkość pojazdu jest wysoki i że z niskiego ejectate (w odniesieniu do punktu wyjścia, z których jedno zmierza do odejścia). Idealny byt, aby wyrzucony mógł stać nieruchomo (jego prędkość zerowa nie daje mu energii kinetycznej, a cała energia jest następnie przekazywana do pojazdu); co oznacza ciągłe dostosowywanie prędkości wyrzutu do prędkości pojazdu. W praktyce jest to niemożliwe, każdy silnik będzie miał optymalną prędkość roboczą, dostosowaną do prędkości jazdy pojazdu.

Rodzaje

W najczęstszym przypadku wydalany gaz jest wynikiem kontrolowanej reakcji chemicznej, w wyniku której powstaje gaz o wysokiej temperaturze, który rozprężając się w silniku uzyskuje dużą prędkość (im wyższa prędkość, tym silniejszy ciąg).

Aeolipyle od Heron z Aleksandrii jest przodkiem silnikach tego typu (gaz wyrzucany tutaj jest para wodna ). W połowie XVIII XX  wieku The Austrian matematyk Segner studiował kołowrót hydraulicznych opartych na tej samej zasadzie reakcji, ale działa w wodospadzie  : maszyna ogłasza turbin hydraulicznych z XIX th  wieku , co z kolei inspiracją pojęcie gazu silnik turbinowy .

Generalnie możemy podzielić ten typ silnika na trzy kategorie:

Silnik aerobowy

Silniki tlenowe wykorzystują tlen z powietrza jako utleniacz lub utleniacz w reakcji chemicznej. Można ich używać tylko w atmosferze ziemskiej . W tej kategorii znajdziemy:

• turboodrzutowe  ;
• Silniki strumieniowe  ;
• superstatoreactor  ;
• pulsoreactor i impulsowej fali detonacji silnika .

Silnik beztlenowy

Silniki beztlenowe przenoszą utleniacz i paliwo niezbędne do reakcji chemicznej, aby wytworzyć wyrzut z dowolnej atmosfery. W tej kategorii pojawiają się w szczególności silniki rakietowe, ale także w pociskach rakietowych , wyrzutniach kosmicznych , a także w satelitach i niektórych sondach kosmicznych . Rozróżnia się pędniki ze względu na rodzaj paliwa:

• stałe ( miotające ): paliwa prochowe stosowane w dopalaczach niektórych rakiet lub jako wspomagacze startu (samolot lub rakieta);
• ciecz ( propelent );
• hybryda ( lithergol ).

Silnik niechemiczny

Inne silniki wykorzystują reakcję niechemiczną do wytwarzania ciągu. Chociaż ich moc często pozostaje skromna, ich impuls właściwy I sp (im większy, tym mniej paliwa zużywa) jest znacznie większy niż w przypadku silników chemicznych. Zapewniają one stałe przyspieszenie o bardzo długim czasie trwania (paradoksalnie pozwalające osiągnąć duże prędkości po długim przyśpieszaniu ). Służą do napędu sond lub wehikułów międzyplanetarnych.

Opierają się na podstawowych aspektach fizyki. Istnieją trzy rodzaje silników w zależności od rodzaju napędu:

• elektrodynamika, taka jak silnik jonowy, który może być siatką lub efektem Halla  ;
• fotonika jak żagiel słoneczny  ;
• jądrowa z wykorzystaniem rozszczepienia i (przynajmniej teoretycznie) syntezy jądrowej w silniku atomowym .

Pędniki typu VASIMR wykorzystują wszystkie trzy aspekty napędu elektrycznego.

Uwagi i odniesienia

Uwagi

1. Obliczając odrzut broni, często rozdziela się balistykę wewnętrzną (tj. To, co się dzieje, gdy pocisk wciąż jest w lufie) i balistykę zewnętrzną (gdy wystrzeliwuje). Lufa). Ale skutki reakcji zaczynają się, gdy pocisk zaczyna poruszać się w lufie.
2. Napęd elektryczny (przestrzeń) o różnych wartościach I sp .

Bibliografia

1. G. Pichon, „  Zasady napędu odrzutowego  ” , na www.avionslegendaires.net ,2009(dostęp 6 listopada 2014 ) .
2. Musimy zauważyć, że zwykli ludzie łączą zasadę działania silnika odrzutowego z płomieniami, które z niego wydobywają (w przypadku silników rakietowych lub reaktorów lotniczych). Jednak temperatura płynu uwalnianego przez silnik odrzutowy jest tylko niepożądanym produktem ubocznym (jest to utrata energii).

Zobacz też

Powiązane artykuły

• Zobacz historię rozwoju pierwszych silników odrzutowych w artykułach poświęconych ich konstruktorom:
  • Francja: René Lorin
  • Rumunia: Henri Coandă
  • Niemcy: Hans von Ohain , Wernher von Braun
  • Anglia: Frank Whittle
  • Włochy: Campini Caproni CC1 i CC2
• Napęd elektryczny i jonowy
• Turboodrzutowe • Statorjet • Superstatorjet

Linki zewnętrzne

• Silniki odrzutowe , 1952, Gaston LAVOISIER Dyrektor studiów technicznych w Centre for Higher Air Education, École Militaire, Paryż (Zasady, opis, wywiad)