full screen background image

Тяга двигателя автомобиля это

10

Содержание

Тяга двигателя автомобиля это

Indivel › Блог › Мощность двигателя и крутящий момент

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) это устройство, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Под широкоупотребимым термином «обороты двигателя» имеется в виду количество оборотов коленчатого вала в единицу времени (в минуту).

И мощность, и крутящий момент — величины не постоянные, они имеют сложную зависимость от оборотов двигателя. Эта зависимость для каждого двигателя выражается графиками, подобными нижеследующему:

Чем выше мощность, тем большую скорость развивает авто

Мощность — это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения.

Мощность двигателя последнее время все чаще указывают в кВт, а ранее традиционно указывали в лошадиных силах.

Как видно на приведенном выше графике, максимальная мощность и максимальный крутящий момент достигаются при различных оборотах коленвала. Максимальная мощность у бензиновых двигателей обычно достигается при 5-6 тыс. оборотов в минуту, у дизельных — при 3-4 тыс. оборотов в минуту.

График мощности для дизельного двигателя:

Крутящий момент характеризует способность ускоряться и преодолевать препятствия

Крутящий момент (момент силы) — это произведение силы на плечо рычага. В случае кривошипно-шатунного механизма, данной силой является сила, передаваемая через шатун, а рычагом — кривошип коленчатого вала. Единица измерения — Ньютон-метр.

Иными словами, крутящий момент характеризует силу, с которой будет вращаться коленвал, и насколько успешно он будет преодолевать сопротивление вращению.

На практике высокий крутящий момент двигателя будет особенно заметен при разгонах и при передвижении по бездорожью: на скорости машина легче ускоряется, а вне дорог — двигатель выдерживает нагрузки и не глохнет.

Для большего практического понимания важности крутящего момента приведем несколько примеров на гипотетическом двигателе.

Даже без учета максимальной мощности, по графику, отражающему крутящий момент, можно сделать некоторые выводы. Разделим количество оборотов коленчатого вала на три части — это будут низкие обороты, средние и высокие.

Крутящий момент отвечает за способность ускоряться и преодолевать препятствия,
мощность ответственна за максимальную скорость автомобиля,

а обороты двигателя все усложняют, так как каждому значению оборотов соответствует свое значение мощности и крутящего момента.

А вцелом все выглядит так:

высокий крутящий момент на низких оборотах дает автомобилю тягу для передвижения по бездорожью (таким распределением сил могут похвастать дизельные двигатели). При этом мощность может стать уже вторичным параметром — вспомним, хотя бы, трактор Т25 с его 25 л.с.;

высокий крутящий момент (а лучше — «полка крутящего момента) на средних и высоких оборотах дает возможность резко ускоряться в городском потоке или на трассе;

высокая мощность двигателя обеспечивает высокую максимальную скорость;

низкий крутящий момент (даже при высокой мощности) не позволит реализовать потенциал двигателя: имея возможность разогнаться до высокой скорости, автомобиль будет достигать этой скорости невероятно долго.

Тяга двигателя

Смотреть что такое «Тяга двигателя» в других словарях:

тяга двигателя — Результирующая всех гидродинамических сил (давления), приложенных к внутренней и наружной поверхностям двигателя в предположении, что давление на наружной поверхности равно атмосферному. Примечание. В случае турбовинтового двигателя тяга… … Политехнический терминологический толковый словарь

тяга двигателя — тяга двигателя — реактивная сила, являющаяся результирующей газодинамических сил давления и трения, приложенных к внутренней и наружной поверхностям двигателя. Различают внутреннюю тягу (реактивную тягу) P — результирующую всех… … Энциклопедия «Авиация»

тяга двигателя — тяга двигателя — реактивная сила, являющаяся результирующей газодинамических сил давления и трения, приложенных к внутренней и наружной поверхностям двигателя. Различают внутреннюю тягу (реактивную тягу) P — результирующую всех… … Энциклопедия «Авиация»

тяга (двигателя или винта) — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN thrust … Справочник технического переводчика

удельная тяга двигателя — Тяга, развиваемая двигателем, отнесенная к секундному весовому расходу воздуха через двигатель … Политехнический терминологический толковый словарь

лобовая тяга двигателя — Отношение тяги двигателя к его лобовой площади. Примечание. Под лобовой площадью понимается площадь максимального сечения двигателя … Политехнический терминологический толковый словарь

тяга ЖРД (камеры ЖРД) — тяга двигателя (камеры) Равнодействующая реактивной силы ЖРД (камеры ЖРД) и сил давления окружающей среды, действующих на его (ее) внешние поверхности, за исключением сил внешнего аэродинамического сопротивления. Обозначения: тяга ЖРД R тяга… … Справочник технического переводчика

Тяга — В Викисловаре есть статья «тяга» Тяга: Тяга (авиация) сила движителя самолёта. Реактивная тяга кинетичес … Википедия

Тяга судов — по внутренним водным путям (на морях и больших озерах суда передвигаются исключительно паровою силою или под парусами, а лодки при небольших переходах на веслах) производится разнообразными способами. При движении вниз по течению пользуются силою … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

приведенная тяга — Тяга двигателя, приведенная к стандартным атмосферным условиям … Политехнический терминологический толковый словарь

Тест: что надо знать про мощность и крутящий момент в автомобиле

Gonschiki MRW_zr 11_15

Мощность — это работа, совершаемая за единицу времени. Можно сказать, что мощность — это скорость выполнения работы. Например, трактор за секунду накосит больше сена, чем газонокосилка. Основная единица измерения мощности — ватт (Вт). Численно она характеризует собой работу в один джоуль (Дж), совершенную за одну секунду. Распространенная внесистемная единица — лошадиная сила, равная 0,736 кВт. Для примера: мощность двигателя 170 кВт соответствует 231,2 л.с.

А что такое крутящий момент? Со школы помним про силу, помноженную на плечо, — измеряется в ньютон-метрах (Н·м). Смысл очень простой: если момент, приложенный к колесу радиусом 0,5 м, составляет, скажем, 2000 Н·м, то толкать наш автомобиль будет сила в 4000 Н (с округлением — 400 кгс). Чем больше момент, тем энергичнее мотор тащит машину.

Связь между этими двумя основными параметрами неразрывная: мощность — это крутящий момент, умноженный на угловую скорость (грубо говоря, обороты) вала. А может ли существовать крутящий момент при нулевой мощности? Способна ли коробка передач увеличить мощность?

Tires_1600

Оцените уровень своих знаний — ответьте на вопросы. Это не так просто, как кажется на первый взгляд. Исходные условия: разного рода потери, например на трение, не учитываем, а нагрузки на колёса и условия сцепления шин с покрытием считаем одинаковыми, если не оговорено иное.

1. Автомобиль в глубокой колее сел на брюхо: ведущие колеса вертятся, не касаясь земли. Водитель упрямо газует. Какую полезную мощность может при этом выдать двигатель?

Б — в зависимости от оборотов;

Г — в зависимости от включенной передачи.

Правильный ответ: В. Автомобиль не движется, мотор не совершает полезной работы. Значит, и полезная мощность равна нулю.

2. Заднеприводный автомобиль с блокированным дифференциалом движется по плохой дороге. Как распределена мощность между ведущими колесами?

Б — обратно пропорционально частоте вращения каждого из колес;

В — в зависимости от сил сцепления с покрытием;

Г — прямо пропорционально частоте вращения каждого из колес.

Правильный ответ: В. При блокированном дифференциале ведущие колеса вращаются с одинаковой скоростью, но моменты на них не выравниваются — они зависят только от сцепления с дорогой. Следовательно, реализуемые колесами мощности тоже определяются силами сцепления с покрытием.

колесо

3. На что влияет мощность мотора?

А — на динамику разгона;

Б — на максимальную скорость;

В — на эластичность;

Г — на все перечисленные параметры.

Правильный ответ: Г. Часто полагают, что машину тащит исключительно крутящий момент. Но поставщиком крутящего момента является мотор. Если тот перестанет снабжать колеса энергией, то все динамические параметры будут равны нулю. Например, резко тронуться на повышенной передаче не удастся: при низких оборотах просто не хватит мощности. А она-то и определяет запас энергии, которую способен выдать двигатель. И влияет на все перечисленные параметры.

Мощность двигателя или Крутящий момент…

Основной характеристикой двигателя автомобиля обычно считают его Мощность. Именно этот показатель вводит в заблуждение в понимании динамичности разгона автомобиля.

Движение автомобиля происходит за счёт Мощности двигателя и Крутящего момента.

Мощность автомобиля определяется объёмом двигателя. Чем больше объём, тем больше мощность. Чем больше мощность, тем выше максимальная скорость автомобиля в каких-то режимах. Что же такое “Мощность”?

Мощность двигателя – это показатель вырабатываемой двигателем работы (энергии) в единицу времени. Пока двигатель работает, он производит работу, то есть переводит один вид энергии в другой. В данном случае тепловую энергию в крутящую (кинетическую) энергию движения.

Энергия образуется в двигателе за счёт сгорания горючего коктейля состоящего из воздуха и топлива. Чем точнее ингредиенты, тем лучше его сгорание. В разных режимах работы двигателя поджог горючей смеси и его сгорание происходят по-разному. Количество горючей смеси, частота его поджога определяет количество произведённой работы двигателем. Это выражается в количестве оборотов. Чем чаще сгорает смесь, тем больше двигатель производит работы. Менее часто – меньше работы производит. Соответственно и меньше оборотов двигателя.

Крутящий момент – это усилие, развиваемое двигателем. Крутящий момент определяет силу тяги на колесах и обеспечивает обычному автомобилю разгон и движение. Чем больше Крутящий момент, тем лучше динамика разгона автомобиля. Крутящий момент увеличивается с ростом рабочего объема двигателя. Поэтому двигатели, которым необходим значительный Крутящий момент, обладают большим объемом. От двигателя тяга быстрее передаётся к колесам, что позволяет машине интенсивнее разгоняться или же лучше тянуть.

Что же такое Крутящий момент и развиваемое усилие?

Например, чтобы переключиться на повышенную передачу, вам приходится раскручивать двигатель, чтобы создать крутящий момент. И когда вы переключились на повышенную передачу, крутящий момент компенсирует снижение мощности. Обороты снизились, и снизилась мощность. А динамика усилилась за счёт крутящего момента.

Для справки: Чем больше вы жмёте на педаль, тем больше обороты. А чем больше обороты, тем больше двигатель производит работы. А чем больше он производит работы, тем больше ему требуется топлива. Наибольшую мощность двигатель выдаёт при оборотах, близких к максимальным. Мощность двигателя и Крутящий момент зависят от наполняемости камеры сгорания горючей смесью.

На оборотах выше средних Крутящий момент достигает своего пика и начинает падать. В этом режиме наполнение камеры сгорания горючей смесью ухудшается, сила давления падает. Работа двигателя тратится на борьбу с инерцией и трением в двигателе. Из-за этого происходит снижение крутящего момента и динамики разгона.

На большинстве автомобилей тяга начинается от 2500 до 3500 об/мин. Возникает закономерный вопрос. Почему двигателю не хватает мощности и усилия до этих оборотов, чтобы задать Крутящий момент и создать инерцию движения? Дело в том, что идёт неправильное приготовление горючей смеси и происходит неполное сгорание топлива.

Когда мы делаем профессиональный тюнинг дросселя, то горючая смесь на малых-средних оборотах становится правильной. Она лучше сгорает, создавая лучшее давление. Например, все в детстве качались на качелях или кого-то качали. Что бы раскачать качели в определённый момент прикладывали усилие, чтобы усилить движение. Здесь происходит что-то подобное. Сгораемая горючая смесь производит наилучшее усилие.

На дизельных машинах воздуха подаётся столько, сколько нужно. Поэтому у дизельных авто хорошая тяга на малых оборотах. На бензиновых авто водитель подачу воздуха осуществляет нажатием педали газа, которая соединена с дроссельной заслонкой. Насколько педаль нажали, столько воздуха и пропустили. Поэтому приходится нажимать достаточно, чтобы автомобиль поехал. Поэтому у бензиновых авто тяга на малых оборотах оставляет желать лучшего. То есть в диапазоне от 950 до 2500 об/мин воздуха не достаёт, а топлива подаётся больше необходимого. По этой причине в городском цикле расход автомобиля повышенный, потому что не всё топливо сгорает.

Резюме. Чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего топлива. Крутящий момент обеспечивает тягу при трогании с места и разгоне, если он достаточно большой и относительно постоянный на низких и средних оборотах. Высокий Крутящий момент в области низких и средних оборотов более экономичен, чем теоретическая максимальная мощность при высоких оборотах. Двигатели, которые выдают высокий Крутящий момент в широкой области оборотов, обеспечивают более равномерную Мощность при разгоне автомобиля, чем двигатели, которые выдают высокую максимальную Мощность в узком диапазоне оборотов. Равномерное нажатие на педаль газа даёт наилучший Крутящий момент при ускорении авто.

Загадка!

Если вы поняли, что причина отсутствия тяги на малых оборотах, это недостаток воздуха и неполное сгорание топлива, то вот вам загадка!

На картинке изображёна условная схема механического дросселя Рено Дастер 1,6л или ВАЗ Ларгус с таким же двигателем К4М. Красным кружочком выделен один из выступов в этом дросселе.

Вопрос! Зачем нужны эти выступы, если они ограничивают подачу воздуха до того момента, пока заслонка не откроется настолько, чтобы выйти за эти выступы? Из-за этих выступов машина тупит и у неё повышенный расход. Чтобы машина ехала, педаль газа надо нажимать от половины до максимума.

Ответ! – А хрен его знает!

Двигатель придушен не только электроникой, но и механически в виде этих выступов. Если убрать эти выступы, то машина станет более живой. А после нашей доработки автомобиль станет динамичным, легким в движении, и расход снизится минимум на 1,5 литра.

Ваш браузер не поддерживает видео
Воспользуйтесь другим браузером

Для справки: выше перечисленные автомобили не являются единственными с данными проблемами. Возможно, ваш автомобиль исключение из правил! Даже владельцы автомобилей с двигателями 3-5,7 л после нашей услуги понимают, каких удовольствий их лишил автопроизводитель. Когда вы понимаете, что значит «автомобиль едет», вы слышите, как мучается чей-то автомобиль при наборе скорости. После нашей услуги двигатель 2 л. не становится 3-х литровым. Мы не увеличиваем заявленную мощность мотора. Мы просто увеличиваем тягу автомобиля на малых и средних оборотах, увеличив крутящий момент, через лучшее сгорание топлива.

Вам нужен автомобиль, который при трогании с места и при разгоне
не напрягаясь «следует» за педалью газа?!

Что надо знать про мощность и крутящий момент в автомобиле

Мощность двигателя – это величина, показывающая, какую работу способен совершить мотор в единицу времени. То есть то количество энергии, которую двигатель передает на трансмиссию за определенный временной промежуток. Измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с.).

Как рассчитывается мощность двигателя?

Расчет мощности мотора проводится несколькими способами. Самый доступный способ – через крутящий момент. Умножаем крутящий момент на угловую скорость – получаем мощность двигателя.

N_дв=M∙ω=2∙π∙M∙n_дв

N_дв – мощность двигателя, кВт;

M – крутящий момент, Нм;

ω – угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/сек;

π – математическая постоянная, равная 3,14;

n_дв – частота вращения двигателя, мин-1.

Мощность рассчитывается и через среднее эффективное давление. Камера сгорания имеет определенный объем. Разогретые газы воздействуют на поршень в цилиндре с определенным давлением. Двигатель вращается с некоторой частотой. Произведение объема двигателя, среднего эффективного давления и частоты вращения, поделенное на 120, и даст теоретическую мощность двигателя в кВт.

N_дв=(V_дв∙P_эфф∙n_дв)/120

V_дв – объем двигателя, см3;

P_эфф – эффективное давление в цилиндрах, МПа;

120 – коэффициент, применяемый для расчета мощности четырехтактного двигателя (у двухтактных ДВС этот коэффициент равен 60).

Для расчета лошадиных сил киловатты умножаем на 0,74.

N_(дв л.с.)=N_дв∙0,74

N_дв л.с. – мощность двигателя в лошадиных силах, л. с.

Другие формулы мощности двигателя используются в реальных расчетах реже. Эти формулы включают в себя специфичные переменные. И чтобы измерить мощность двигателя по другим методикам, нужно знать производительность форсунок или массу потребленного двигателем воздуха.

На практике расчет мощности автопроизводители выполняют эмпирическим способом, то есть замеряют на стенде и строят график зависимости по факту, на основании полученных во время испытаний показателей.

Мощность двигателя – величина непостоянная. Для каждого мотора есть кривая, которая отображает на графике зависимость мощности от частоты вращения коленчатого вала. До определенного пика, примерно до 4-5 тысяч оборотов, мощность растет пропорционально оборотам. Далее идет плавное отставание роста мощности, кривая наклоняется. Примерно к 7-8 тысячам оборотов мощность идет на спад. Сказывается перекрытие клапанов на большой частоте вращения коленвала и падение КПД мотора из-за недостаточно интенсивного газообмена.

Чтобы узнать мощность двигателя, обратитесь к инструкции по эксплуатации авто. В разделе с техническими характеристиками мотора будет указана мощность и обороты, при которых она достигает пикового значения. Если мощность указана киловаттах, чтобы рассчитать лошадиные силы двигателя, воспользуйтесь приведенной выше формулой. В некоторых случаях автопроизводитель предоставляет график, на котором есть зависимость мощности двигателя и крутящего момента от частоты оборотов.

Видео: Простыми словами без сложных формул и расчетов, что такое мощность, крутящий момент и обороты двигателя.

Мощность ДВС определяет, насколько быстро автомобиль способен передвигаться или ускоряться (совершать работу). Полезная мощность двигателя рассчитывается с учетом потерь в трансмиссии, то есть указывает, сколько от изначальной мощности мотора по факту доходит до колес авто.

Что такое крутящий момент

Крутящий момент в двигателе автомобиля – это вращающая сила, которая численно равна произведению приложенной силы (давление раскаленных газов на поршень) на плечо (расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала в проекции, перпендикулярной оси вращения коленвала). Измеряется крутящий момент в ньютонах на метр (Нм).

Крутящий момент ДВС зависит от силы давления на поршень и расстояния между коренными и шатунными шейками. Зависимость здесь прямая. Чем больше плечо и чем больше давление на поршень – тем больше крутящий момент двигателя.

У дизельных двигателей степень сжатия больше. Больше и ход поршня в цилиндре (при равном с бензиновым мотором диаметре цилиндров). А это значит, что и расстояние между коренными и шатунными шейками будет больше. То есть длиннее плечо. За счет большей степени сжатия при рабочем такте у дизелей выше сила, давящая на поршень. Крутящий момент в дизельных моторах при прочих равных больше, чем в бензиновых.

Крутящий момент влияет на то, сколько энергии отдает мотор в текущий момент времени. Крутящий момент есть та величина, которая определяет фактически передаваемую в данный момент времени энергию на трансмиссию. Чем больше момент, тем сильнее тяга двигателя при текущих оборотах.

Что лучше: мощность или крутящий момент

Мощность и крутящий момент двигателя – величины взаимосвязанные. Это хорошо видно в формуле из первого пункта.

Пик крутящего момента на графике зависимости от частоты вращения мотора появляется раньше, чем пик мощности. Это справедливо как для дизельных, так и для бензиновых моторов. Однако у дизелей крутящий момент достигается раньше, и плато (интервал частоты вращения при пиковом значении) длиннее. У бензиновых ДВС мощность выше, хотя для ее достижения нужно раскрутить мотор почти до максимальных оборотов.

Сказать определенно, что лучше: мощность или крутящий момент, нельзя. Все зависит от случая. Трансмиссия современного авто способна трансформировать эти величины под требуемые условия. Поясним на примерах.

Для тяжелой техники, которой важна тяга в широком диапазоне оборотов, важнее крутящий момент. Мотор должен хорошо тянуть. Раскручивать его до предельных оборотов не нужно. Отчасти поэтому почти вся коммерческая техника оснащается дизельными моторами.

В гоночных автомобилях важнее мощность. Моторы этих авто по оборотам пилоты во время заездов держат в красной зоне. Двигатель отдает максимальную мощность. А трансмиссия преобразовывает мощность в тягу.

Для гражданских авто важен стиль вождения. Для езды на автомате подойдут оба мотора. Автоматическая трансмиссия будет держать мотор в диапазоне оборотов, при которых двигатель отдает максимум своего потенциала.

Для агрессивной езды на механике с раскручиванием двигателя в красную зону тахометра лучше подойдет бензиновый мотор. Но в этом случае нужно понимать, что для получения максимальной производительности от мотора потребуется держать его на пике оборотов и часто переключать передачи. Пик мощности у бензинового ДВС имеет малый диапазон и находится около максимальных оборотов. Для уверенных обгонов и ускорений нужно будет понижать передачу и раскручивать двигатель.

Для размеренной езды, особенно в городе, больше подходит дизель. Для обгона на дизельном авто зачастую не потребуется переходить на пониженную передачу, а высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов позволит реже переключаться.

В чем измеряется тяга двигателя?

Тема 2. Тяга, мощность и удельные параметры авиационных двигателей

В чем измеряется тяга двигателя?

Следует различатьпонятия двигательи силоваяустановка.

Двигателемпринято называть устройство, участвующеев создании тяги (или мощности), необходимойдля движения летательного аппарата.Двигатель является составной частьюсиловой установки, той ее частью, котораяизготавливается и поставляетсядвигательным заводом.

Авиационнойсиловой установкой называютконструктивно объединенную совокупностьдвигателя с входным и выходным устройствами(с теми их элементами, которыеизготавливаются на самолетостроительномзаводе), встроенную в конструкцию планера(фюзеляжа или крыла) или скомпонованнуюв отдельных двигательных гондолах.

Силоваяустановка, помимо двигателя, входногои выходного устройств, включает в себяеще системы топливопитания, смазки,запуска и автоматического управления,обеспечивающие ее надежное функционирование,а также узлы крепления, необходимые дляпередачи усилий от двигателя к планеру.В теории авиадвигателей эти системы иузлы не рассматриваются.

2.2. Тяга реактивного двигателя

Под тягойдвигателя Рпонимают тягубез учета внешних сопротивлений входныхи выходных устройств и других элементовсиловой установки.

Тяга реактивного двигателя определяетсяпо формуле:

Эта формула получиланаименование формулыСтечкина.

Онабыла впервые получена БорисомСергеевичем Стечкинымв его знаменитой работе «Теория воздушногореактивного двигателя», опубликованнойв 1929 г. Она выведена в предположении,что двигатель расположен в мотогондоле,векторы скорости истечения и скоростиполета параллельны оси двигателя, авнешнее обтекание двигателя являетсяидеальным, т.е. происходит без трения,отрыва потока и без скачков уплотнения.

В формуле Стечкинав ряде случаев могут быть сделаныупрощения. Так, если пренебречь тем, чторасходы воздуха на входе в двигатель и газа на выходе из негоотличаются, получим.

отличается отпо той причине, что в ГТД подводитсятопливо и могут быть отборы воздуха нанужды летательного аппарата.

При полном расширении газа в сопле доатмосферного давления (рс=рН)формула тяги приобретает еще болеепростой вид

2.3. Эффективная тяга силовой установки

Под эффективной тягой силовойустановки Рэфпонимаютту часть силы тяги двигателя, котораянепосредственно используется длядвижения самолета, т.е. идет на совершениеполезной работы по преодолению лобовогосопротивления и инерции летательногоаппарата. ВеличинаРэфравнатяге двигателяРза вычетом всехвнешних сопротивлений, создаваемыхсамой силовой установкой.

По физическому смыслу Рэфявляется равнодействующей всех силдавления и трения, действующих наэлементы проточной части со стороныгазового потока, протекающего черезсиловую установку изнутри, и внешнегопотока воздуха, обтекающего силовуюустановку снаружи. Задача определенияэффективной тяги сводится к нахождениювекторной суммы всех указанных сил. Этисилы принято разделять на внутренние(вн) и наружные (нар).

Внутренние силыпредставляют собой сумму сил давленияи трения, действующих на рабочиеповерхности силовой установки изнутри.Величина равнодействующей внутреннихсил зависит от термодинамическогосовершенства рабочего процесса двигателяи практически не зависит от способаустановки двигателя на летательномаппарате.

Наружные силыпредставляютсобой совокупность сил давления итрения, действующих на силовую установкусо стороны обтекающего ее внешнегопотока. Этисилы существенно зависят от способаразмещения силовой установки налетательном аппарате.

Рассмотрим наиболеепростой с точки зрения учета условийвнешнего обтекания случай — изолированнаясиловая установка в отдельной мотогондоле.

Наружная поверхностьсиловой установки здесь условно разделенана три части: лобовую часть вхМ,центральную часть М–и кормовую часть–c.

Набегающийпоток воздуха разделяется поверхностьютока Н–1–2–вхна внутренний, проходящий через двигатель,и внешний, обтекающий силовую установкуснаружи. Сечения в невозмущенном потокеперед силовой установкой, на входе ввоздухозаборник и на выходе из сопладвигателя обозначим Н–Н,вх–вхи с–с.Соответственно, площади нормальныхсечений будут FН,Fвхи Fс.

Главной причинойвозникновения внешнего сопротивлениясиловой установки при сверхзвуковыхскоростях полета является повышениедавления на головном участке гондолывх–Ми наличие разрежения на ее кормовомучастке –c.К этому прибавляется сопротивление отсил трения по всей поверхности гондолыот сечения вх–вхдо сечения с–с.

Эффективная тяга силовой установки,согласно определению, равна

где Rвн– равнодействующаясил давления и трения, действующих навнутренние поверхности силовой установки;

Rнар– равнодействующая силдавления и трения, действующих на всюнаружную поверхность гондолывхМ––c.

Зная характерраспределения давлений по наружнойповерхности гондолы, величину силы Rнарможно определить непосредственныминтегрированием сил давления и тренияпо этой поверхности. Тогда

где иXтр – равнодействующие сил давления итрения, приложенные к наружной поверхностигондолы;dF =dS cos– проекция элемента поверхностигондолы на плоскость, перпендикулярнуюнаправлению полета (– угол между нормалью к элементуповерхности и этой плоскостью).

Величину Rвнопределим,пользуясь уравнением сохраненияколичества движения для некоторогоконтрольного объема, включающего всевнутренние поверхности силовой установки.В качестве такого контрольного объемавыберем объем внутренней струи,заключенный между сечениямиННисс.

где pН FНиpсFс– силы давления,приложенные к торцевым поверхностямвыделенного участка струи;–равнодействующая сил давления, приложенныхк боковой поверхности струи токаН–1–2–вх;Rвн –равнодействующая сил давления и трения,действующих на внутренние поверхностисиловой установки (равная по модулюсиле,действующей со стороны СУ на выделенныйконтрольный объем газа).

Подставляя выражения Rнариз(2.6) иRвниз (2.8) в уравнение(2.5), получим

Для перехода от абсолютных давлений кизбыточным воспользуемся следующимочевидным тождеством:

Оно позволяет выражение (2.9) привести квиду

Эта формулаявляется общим выражением эффективнойтяги для силовой установки рассмотреннойсхемы. Приэтом необходимо иметь в виду, что тягареактивного двигателя является векторнойвеличиной. Если формулу (2.9) представитьв векторной форме, то вектор тягинеобязательно будет направлен вдольоси двигателя, как было принято привыводе, а может отклоняться от нее,например, при полетах со значительнымиуглами атаки или при повороте сопла.

Что такое сила тяги и по какой формуле её находить ?

В чем измеряется тяга двигателя?

Разберёмся в вопросе, что такое сила тяги. Как следует из самого названия – это сила, которую необходимо прикладывать к телу, чтобы оно находилось в состоянии постоянного движения.

Если её убрать, то тело, будь то автомобиль, электровоз, космическая ракета или санки, со временем остановится. Это произойдёт потому, что на тело всегда действуют силы, которые заставляют его стремиться к состоянию покоя:

  • силы трения (покоя, качения, скольжения),
  • сопротивления воздуха (газа),
  • сопротивления воды и др.

Первый и второй законы Ньютона

Обратимся к законам Ньютона, которые хорошо описывают механическое движение тел. Из школьной программы мы знаем, что есть первый закон Ньютона, который описывает закон инерции. Он гласит, что любое тело, если на него не действуют силы, или если их равнодействующая равна нулю, движется прямолинейно и равномерно, или же находится в состоянии покоя. Это означает, что тело, пока на него ничто не действует, будет двигаться с постоянной скоростью v=const или пребывать в состоянии покоя сколько угодно долго, пока какое-то внешнее воздействие не выведет тело из этого состояния. Это и есть движение по инерции.

Надо сказать, что этот закон справедлив лишь в так называемых инерциальных системах отсчёта. В неинерциальных системах отсчёта этот закон не действует и нужно использовать второй закон Ньютона. В таких системах отсчёта тело тоже будет двигаться по инерции, но оно будет двигаться с ускорением, стремясь сохранять своё движение, т.е.

на него также не будут действовать никакие внешние силы, кроме силы инерции, стремящейся двигать тело в том направлении, в каком оно двигалось до воздействия. Тут мы приходим к рассмотрению второго закона Ньютона, который также справедлив в инерциальных системах отсчёта, т. е.

в таких системах отсчёта, в которых тело движется с постоянной скоростью либо находится в покое.

Этот закон утверждает, что для того, чтобы вывести тело из состояния покоя или равномерного движения, к нему необходимо приложить силу, равную F=m•a, где m — это масса тела, a — ускорение, сообщаемое телу. Зная эти законы, можно рассчитать силу тяги (двигателя автомобиля, ракетного двигателя или, например, лошади, тянущей нагруженную повозку).

Насколько вы сильны?

Рассмотрим простейший пример. Ваш ребёнок сел на санки и просит вас его покатать. С какой силой вам нужно тянуть эти санки, чтобы ребёнок остался доволен быстрой ездой ? Пока санки с ребёнком остаются в состоянии покоя, все силы, действующие на них, уравновешены. Состояние покоя — это частный случай инерции. Здесь на санки действуют две силы: тяжести Fт = m•g, направленная вертикально вниз, и нормального давления N, направленная вертикально вверх. Поскольку санки не движутся, то N – m•g = 0. Тогда из этого равенства следует, что N = m•g.

Когда вы решили покатать своего ребёнка, вы прикладываете силу тяги (Fтяги) к санкам с ребёнком. Когда вы начинаете тянуть санки, возникает сопротивление движению, вызванное силой трения (Fтр.), направленной в противоположную сторону. Это так называемая сила трения покоя. Когда тело не движется, она равна нулю. Стоит потянуть за санки — и появляется сила трения покоя, которая меняется от нуля до некоторого максимального значения (Fтр. max). Как только Fтяги превысит Fтр.max, санки с ребёнком придут в движение.

Чтобы найти Fтяги, применим второй закон Ньютона: Fтяги – Fтр.max = m•a, где a – ускорение, с которым вы тянете санки, m – масса санок с ребёнком. Допустим, вы разогнали санки до определённой скорости, которая не изменяется. Тогда a = 0 и вышеприведённое уравнение запишется в виде: Fтяги – Fтр. max = 0, или Fтяги = Fтр.max. Есть известный закон из физики, который устанавливает определённую зависимость для Fтр.max и N. Эта зависимость имеет вид: Fтр.max = fmax • N, где fmax – максимальный коэффициент трения покоя.

Если в эту формулу подставить выражение для N, то мы получим Fтр.max = fmax•m•g. Тогда формула искомой силы тяги примет вид: Fтяги = fmax•m•g = fск•m•g, где fск = fmax – коэффициент трения скольжения, g – ускорение свободного падения. Допустим, fск = 0,7, m = 30 кг, g = 9,81 м/с², тогда Fтяги = 0,7 • 30 кг • 9,81 м/с² = 206,01 Н (Ньютона).

Насколько силён ваш автомобиль?

Рассмотрим ещё пример. У вас есть автомобиль, мощность двигателя которого N. вы едете со скоростью v. Как в этом случае узнать силу тяги двигателя вашего автомобиля ? Поскольку скорость автомобиля не меняется, то Fтяги уравновешена силами трения качения, лобового сопротивления, трения в подшипниках и т. д. (первый закон Ньютона). По второму закону Ньютона она будет равна Fтяги = m•a. Чтобы её вычислить, достаточно знать массу автомобиля m и ускорение a.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v за какое-то время t, проехав расстояние s. Тогда Fтяги будет легко рассчитана по формуле: Fтяги = m•v/t. Как и в примере с санками, справедлива также такая формула: Fтяги = f•m•g, где f – коэффициент трения качения, который зависит от скорости автомобиля (чем больше скорость, тем меньше этот коэффициент).

Но что делать, если масса автомобиля m, коэффициент трения качения f и время разгона t неизвестны ? Тогда можно поступить по-другому. Двигатель вашего автомобиля при разгоне совершил работу A = Fтяги • s. Поскольку формула расстояния имеет вид s = v•t, то выражение для работы будет таким: A = Fтяги • v • t. Разделив обе части этого равенства на t, получим A/t = Fтяги • v. Но A/t = N – это мощность двигателя вашего автомобиля, поэтому N = Fтяги • v. Отсюда уже получим искомую формулу: Fтяги =N/v.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v = 180 км/ч, а мощность его двигателя N = 200 л. с. (лошадиных сил). Чтобы вычислить Fтяги двигателя, необходимо прежде перевести указанные единицы измерения в единицы СИ, т. е. международной системы измерения. Здесь 1 л. с. = 735,499 Вт, поэтому мощность двигателя составит N = 200 л. с. • 735,499 Вт/л. с. = 147099,8 Вт. Скорость в системе СИ будет равна v = 180 км/ч = 180 • 1000 м/3600 с = 50 м/с. Тогда искомое значение будет равно Fтяги = 147099,8 Вт/50 (м/с) = 2941,996 Н

2,94 кН (килоньютона).

Около 3 килоньютонов. Много это или мало ? Допустим, вы жмёте 100 килограммовую штангу. Чтобы её поднять, вам нужно преодолеть её вес, равный P = m•g = 100 кг • 9,81 м/с² = 981 Н (ньютон)

0,98 кН. Полученное для автомобиля значение Fтяги больше веса штанги в 2,94/0,98 = 3 раза. Это равносильно тому, что вы будете поднимать штангу массой в 300 кг. Такова сила тяги двигателя вашего автомобиля (на скорости 180 км/ч).

Таким образом, зная школьный курс физики, мы можем с лёгкостью вычислить силу тяги:

  • человека,
  • лошади,
  • паровоза,
  • автомобиля,
  • космической ракеты и всех прочих видов техники.

В нашем видео вы найдете интересные опыты, поясняющие, что такое сила тяги и сила сопростивления.

Что надо знать про мощность и крутящий момент в автомобиле

В чем измеряется тяга двигателя?

Мощность двигателя – это величина, показывающая, какую работу способен совершить мотор в единицу времени. То есть то количество энергии, которую двигатель передает на трансмиссию за определенный временной промежуток. Измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с.).

Как рассчитывается мощность двигателя?

Расчет мощности мотора проводится несколькими способами. Самый доступный способ – через крутящий момент. Умножаем крутящий момент на угловую скорость – получаем мощность двигателя.

N_дв=M∙ω=2∙π∙M∙n_дв

N_дв – мощность двигателя, кВт;

M – крутящий момент, Нм;

ω – угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/сек;

π – математическая постоянная, равная 3,14;

n_дв – частота вращения двигателя, мин-1.

Мощность рассчитывается и через среднее эффективное давление. Камера сгорания имеет определенный объем. Разогретые газы воздействуют на поршень в цилиндре с определенным давлением. Двигатель вращается с некоторой частотой. Произведение объема двигателя, среднего эффективного давления и частоты вращения, поделенное на 120, и даст теоретическую мощность двигателя в кВт.

N_дв=(V_дв∙P_эфф∙n_дв)/120

V_дв – объем двигателя, см3;

P_эфф – эффективное давление в цилиндрах, МПа;

120 – коэффициент, применяемый для расчета мощности четырехтактного двигателя (у двухтактных ДВС этот коэффициент равен 60).

Для расчета лошадиных сил киловатты умножаем на 0,74.

N_(дв л.с.)=N_дв∙0,74

N_дв л.с. – мощность двигателя в лошадиных силах, л. с.

Другие формулы мощности двигателя используются в реальных расчетах реже. Эти формулы включают в себя специфичные переменные. И чтобы измерить мощность двигателя по другим методикам, нужно знать производительность форсунок или массу потребленного двигателем воздуха.

На практике расчет мощности автопроизводители выполняют эмпирическим способом, то есть замеряют на стенде и строят график зависимости по факту, на основании полученных во время испытаний показателей.

Мощность двигателя – величина непостоянная. Для каждого мотора есть кривая, которая отображает на графике зависимость мощности от частоты вращения коленчатого вала. До определенного пика, примерно до 4-5 тысяч оборотов, мощность растет пропорционально оборотам. Далее идет плавное отставание роста мощности, кривая наклоняется. Примерно к 7-8 тысячам оборотов мощность идет на спад. Сказывается перекрытие клапанов на большой частоте вращения коленвала и падение КПД мотора из-за недостаточно интенсивного газообмена.

Чтобы узнать мощность двигателя, обратитесь к инструкции по эксплуатации авто. В разделе с техническими характеристиками мотора будет указана мощность и обороты, при которых она достигает пикового значения. Если мощность указана киловаттах, чтобы рассчитать лошадиные силы двигателя, воспользуйтесь приведенной выше формулой. В некоторых случаях автопроизводитель предоставляет график, на котором есть зависимость мощности двигателя и крутящего момента от частоты оборотов.

: Простыми словами без сложных формул и расчетов, что такое мощность, крутящий момент и обороты двигателя

Мощность ДВС определяет, насколько быстро автомобиль способен передвигаться или ускоряться (совершать работу). Полезная мощность двигателя рассчитывается с учетом потерь в трансмиссии, то есть указывает, сколько от изначальной мощности мотора по факту доходит до колес авто.

Что такое крутящий момент

Крутящий момент в двигателе автомобиля – это вращающая сила, которая численно равна произведению приложенной силы (давление раскаленных газов на поршень) на плечо (расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала в проекции, перпендикулярной оси вращения коленвала). Измеряется крутящий момент в ньютонах на метр (Нм).

Крутящий момент ДВС зависит от силы давления на поршень и расстояния между коренными и шатунными шейками. Зависимость здесь прямая. Чем больше плечо и чем больше давление на поршень – тем больше крутящий момент двигателя.

У дизельных двигателей степень сжатия больше. Больше и ход поршня в цилиндре (при равном с бензиновым мотором диаметре цилиндров). А это значит, что и расстояние между коренными и шатунными шейками будет больше. То есть длиннее плечо. За счет большей степени сжатия при рабочем такте у дизелей выше сила, давящая на поршень. Крутящий момент в дизельных моторах при прочих равных больше, чем в бензиновых.

Крутящий момент влияет на то, сколько энергии отдает мотор в текущий момент времени. Крутящий момент есть та величина, которая определяет фактически передаваемую в данный момент времени энергию на трансмиссию. Чем больше момент, тем сильнее тяга двигателя при текущих оборотах.

Что лучше: мощность или крутящий момент

Мощность и крутящий момент двигателя – величины взаимосвязанные. Это хорошо видно в формуле из первого пункта.

Пик крутящего момента на графике зависимости от частоты вращения мотора появляется раньше, чем пик мощности. Это справедливо как для дизельных, так и для бензиновых моторов. Однако у дизелей крутящий момент достигается раньше, и плато (интервал частоты вращения при пиковом значении) длиннее. У бензиновых ДВС мощность выше, хотя для ее достижения нужно раскрутить мотор почти до максимальных оборотов.

Сказать определенно, что лучше: мощность или крутящий момент, нельзя. Все зависит от случая. Трансмиссия современного авто способна трансформировать эти величины под требуемые условия. Поясним на примерах.

Для тяжелой техники, которой важна тяга в широком диапазоне оборотов, важнее крутящий момент. Мотор должен хорошо тянуть. Раскручивать его до предельных оборотов не нужно. Отчасти поэтому почти вся коммерческая техника оснащается дизельными моторами.

В гоночных автомобилях важнее мощность. Моторы этих авто по оборотам пилоты во время заездов держат в красной зоне. Двигатель отдает максимальную мощность. А трансмиссия преобразовывает мощность в тягу.

Для гражданских авто важен стиль вождения. Для езды на автомате подойдут оба мотора. Автоматическая трансмиссия будет держать мотор в диапазоне оборотов, при которых двигатель отдает максимум своего потенциала.

Для агрессивной езды на механике с раскручиванием двигателя в красную зону тахометра лучше подойдет бензиновый мотор. Но в этом случае нужно понимать, что для получения максимальной производительности от мотора потребуется держать его на пике оборотов и часто переключать передачи. Пик мощности у бензинового ДВС имеет малый диапазон и находится около максимальных оборотов. Для уверенных обгонов и ускорений нужно будет понижать передачу и раскручивать двигатель.

Для размеренной езды, особенно в городе, больше подходит дизель. Для обгона на дизельном авто зачастую не потребуется переходить на пониженную передачу, а высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов позволит реже переключаться.

Рф готовит для космоса принципиально новые двигатели

В чем измеряется тяга двигателя?

Исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке Александр Блошенко заявил, что для скоростных перемещений человечества в космосе потребуется разработка двигателей, основанных на новых физических принципах. О чём идёт речь, какими будут космические двигатели будущего и какие разработки на эту тему ведутся в России и в мире?

Начать придется издалека, с самой простой теории.

Наша планета, Земля — удобное место для жизни, но и столь же неудобное для начала космической экспансии. Дело в том, что среди планет земной группы Земля имеет самое высокое ускорение свободного падения. С одной стороны, это позволяет нашей планете удерживать возле себя плотную атмосферу, но с другой — создаёт неудобный гравитационный «колодец», выход из которого на орбиту стоит немалых усилий.

Из-за наличия такого колодца, того самого притяжения Земли, для стартовых ракетных двигателей очень важным становится параметр отношения реактивной тяги двигателей к массе всей ракеты. Именно поэтому для стартов с поверхности Земли мы до сих пор используем ракеты на химическом топливе.

Да, неэффективно, но зато тяги получается вполне достаточно, чтобы вытолкнуть космический аппарат на орбиту, за пределы атмосферы Земли. А вот масса очень интересных двигателей — ионных, плазменных, солнечных парусов, которые имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, совсем не годятся для старта с планеты.

Они просто не могут вытащить нас из земного гравитационного колодца. Тяга их слишком слаба для того, чтобы поднять корабль на орбиту.

Поэтому большинство современных или гипотетических двигательных систем для космических кораблей делятся на две большие категории: либо экономичные и слабосильные — для космоса, либо мощные и прожорливые — для старта. В мире космических ракет экономичный и эффективный двигатель означает высокое значение удельного импульса и высокую скорость истечения реактивной массы. И это — ключевое понятие для понимания всей проблематики создания новых космических двигателей, на новых физических принципах.

Магия удельного импульса

Удельный импульс двигателя — это, можно сказать «святой Грааль» космического двигателестроения. Измеряется удельный импульс в метрах в секунду и его физический смысл прост — это скорость истечения рабочего тела. От чего, в свою очередь, прямо зависит и скорость космического корабля.

Фраза о «рабочем теле» вместо «продуктов сгорания» химического двигателя взялась неслучайно — во многих космических двигателях ничего не горит, а кинетическая энергия и импульс «закачиваются» в рабочее тело иными способами. Например, в ионном или плазменном двигателе рабочее тело разгоняется в электромагнитном поле.

А в солнечном парусе импульс и вовсе передаётся в обратную сторону — от фотонов солнечного ветра на конструкции паруса, закреплённого на космическом корабле.

Чем выше удельный импульс двигателя — тем большее приращение скорости можно получить за счёт эквивалентного количества рабочего тела. А рабочее тело, напомним, нам надо каким-то образом ещё вывести на околоземную орбиту вместе с космическим кораблём. Ну — или добыть на какой-нибудь негостеприимной Луне, Марсе или астероидах, тоже с немалыми затратами. Приращение космических скоростей обозначают символом Dv и считают в его балансе как ускорения, так и торможения — ведь на каждое из таких действий в космосе требуется расходы рабочего тела.

Удельный импульс лучших кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей, которые пригодны для старта с Земли, составляет около 4500 м/с. Кажущаяся громадной цифра скорости истечения (без малого в 4,5 километра в секунду) оказывается предельно скромной для обеспечения выхода гравитационного колодца Земли — ракета буквально «выползает» на орбиту, да ещё и сбрасывая ступени. Напомним, огромная американская лунная ракета «Сатурн-5» при стартовой массе в 3000 тонн выводила на орбиту всего лишь 140 тонн полезной нагрузки, менее 5% от своего общего веса. А к Луне получалось отправить и того меньше — всего около 65 тонн.

Ещё печальнее становилась ситуация, если на химических двигателях просчитывали полёт куда-то дальше, чем Луна, например, к Марсу. Когда американцы в 1960 годах посчитали стоимость полёта на Марс на химическом топливе, они ужаснулись. Получалось, что от Земли надо стартовать кораблём массой в 4 000 тонн, для вывода которого на околоземную орбиту потребуется минимум 40 ракет, эквивалентных «Сатурну-5».

Немного улучшить ситуацию могли ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Разработки, проведенные в СССР и США в 1960 годах показали, что ЯРД могут иметь удельный импульс в пределе 8500-9500 м/с — вдвое больше, чем у лучших ЖРД. Но даже уникальный ЯРД не обеспечивал настоящего освоения Марса — на орбите Земли пришлось бы всё равно собирать громадного «марсианского монстра» весом больше 1200 тонн, а результатом бы была двухлетняя экспедиция на Марс трёх космонавтов, причём на Марсе они бы провели всего 30 суток.

Так что, всё, Марс недостижим? Нет, не так. Ведь ЯРД — отнюдь не рекордсмен в части величины удельного импульса, а разгонятся к Марсу или другим планетам можно медленно и не спеша. Но в итоге получить впечатляющую скорость перелёта и прилететь даже быстрее корабля с ЯРД.

Первое крыло — высокий удельный импульс

Несмотря на то, что скорость истечения рабочего тела у ЯРД всего лишь вдвое превосходила лучшие ЖРД, поднять её выше уже было практически невозможно. Всё дело в том, что и в ЖРД, и в ЯРД скорость истечения задаётся температурой рабочего тела, а обеспечить дополнительный нагрев внутри корпуса ЯРД было нереально — разрушался сам реактор, который не мог нагреваться выше 3000 градусов К.

Разумным решением, которое напрашивалось для совершенствования ЯРД, стало разделение процессов получения энергии и последующего нагрева рабочего тела. Вместо прямого теплообмена с нагретыми конструкциями реактора рабочее тело решили греть с использованием промежуточного носителя энергии — электричества.

В силу этого, уже начиная с начала 1970 годов усилия конструкторов пошли по двум независимым направлениям. С одной стороны, началось конструирование максимально эффективных, высокоимпульсных космических двигателей.

С другой стороны — стартовала разработка столь же компактных и мощных источников электрической энергии на борту космического корабля.

Наиболее доведенными высокоимпульсными космическими двигателями пока что являются ионные. Им сегодня принадлежит рекорд ускорения космических аппаратов в открытом космосе: ещё в 1998 году ионные двигатели смогли ускорить аппарат Deep Space-1 массой в 374 килограмма на Dv, равную 4,3 км/c, потратив на эту операцию всего лишь 74 килограмма ксенона. Аналогичное приращение Dv, если бы его пришлось обеспечивать за счёт химического топлива, потребовало бы разгонного блока весом в добрую тонну.

Справедливые надежды возлагаются на ещё одну разработку — двигатель VASIMR, магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом.

Внутри VASIMR плазму, которая выступает в качестве рабочего тела, помещают в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счёт высокой температуры.

Разработки VASIMR ведутся в США уже более 20 лет и за это время были достигнуты впечатляющие успехи. В августе 2019 года очередной прототип VX-200SS продемонстрировал тягу в 5,4 Н (540 грамм тяги) на мощности в 200 кВт и при удельном импульсе в диапазоне от 50 до 300 км/c, на порядок больше ионных двигателей. Такой импульс в идеале позволит с помощью VASIMR добраться до Марса всего лишь за 39 дней вместо 250 суток, как в случае использования ЖРД или ЯРД.

Но для этого, конечно, тяга плазменных двигателей должна измеряться сотнями килограмм, а не сотнями грамм. Впечатляющим должен быть и источник электричества на борту такого гипотетического марсианского корабля — он должен иметь мощность около 200 МВт.

Второе крыло — энергетическая установка

Немалые электрические «аппетиты» ионных и особенно плазменных двигателей наглядно можно показать на примере VASIMR. Достаточно небольшой плазменный двигатель VX-200SS давно хотят отправить для испытаний на МКС. Если установить его на станцию, то можно радикально сократить расходы на постоянные усилия по поддержанию орбиты МКС. Ведь плазменный двигатель нуждается лишь в 1-2% рабочего тела по сравнению с ЖРД, что сегодня используют для подъёма орбиты МКС.

Но установить VASIMR на МКС оказалось отнюдь не просто. Вся доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, хотя станция сегодня обладает самой внушительной площадью солнечных батарей и является самым энергетически мощным объектом человечества в космосе. Поэтому в проект МКС-VASIMR включили ещё целую дополнительную систему солнечных батарей, которая будет часами накапливать энергию на 15-минутные циклы включений плазменного двигателя.

Следующий, напрашивающийся шаг после испытаний на МКС — это использование VASIMR для целей орбитального буксира. Например, если мы хотели бы достичь Луны за короткий промежуток времени, сопоставимый с временем полёта миссии «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы 5 двигателей VХ-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии.

Чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна-5», сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, такой буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Однако получить 1,5 МВт электроэнергии за счёт солнечных батарей — это пока что очень сложная задача.

Для получения 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной в 71 метр, гораздо больше любых существующих конструкций, включая МКС.

И вот здесь как раз и может сыграть роль опыт России в создании космических ядерных энергетических установок. Ещё в 2009 году Роскосмосом была начата программа создания транспортно-энергетического модуля, ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) которого должна была обеспечивать около 1 МВт электрической мощности, чего бы хватило не только для околоземного, но и в перспективе — для лунного буксира. За прошедший период времени был выполнен значительный объём уникальных работ по конструкции космического ядерного реактора. Были созданы уникальные ионные двигатели ИД-500, чьи параметры оказались не хуже разработок НАСА.

При мощности в 32-35 кВт российские двигатели ИД-500 обеспечили тягу в 375-750 мН и удельный импульс в 71 км/с.

К сожалению, в конце апреля 2020 года Роскосмос заявил, что приостанавливает создание космического буксира с ядерным двигателем из-за недостроенного стенда для его испытаний. Формально виноватым был назначен ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», который не смог обеспечить постройку испытательного стенда, где можно было бы проверить работоспособность действующего макета ЯЭДУ в условиях вакуума.

Пока что дальнейшая судьба уникальных российских разработок неизвестна, хотя ещё в январе 2020 года транспортно-энергетический модуль с ЯЭДУ фигурировал в презентации первого заместителя генерального директора Роскосмоса, Юрия Урличича. Представленный на «Королёвских чтениях» доклад сообщал о планах запустить в 2030 году на орбиту космический ядерный буксир для проведения его летных испытаний.

Насколько декларации Урличича и Блошенко соотносятся с реальными действиями представляемого ими Роскосмоса — вопрос открытый. Да, человечеству нужна новая космическая скорость.

Да, у России есть уникальные наработки. И только от руководителей космической отрасли России зависит, насколько быстро все эти разработки воплотятся в новую реальность. В ту самую «птицу-феникс», которая домчит людей и до Луны, и до Марса, и даже дальше.

Как работают ракетные двигатели?

В чем измеряется тяга двигателя?

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.

Понятие «выбрасывания массы и движения по принципу Ньютона» может быть сложно понять с первого раза, потому что ничего не разобрать. Ракетные двигатели, кажется, работают с огнем, шумом и давлением, а не «толкают вещи». Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы получить более полную картину реальности.

Если вы когда-нибудь стреляли из оружия, желательно из дробовика 12-го калибра, то вы знаете, что такое отдача. Когда вы стреляете из оружия, оно отдает вам в плечо, достаточно ощутимо. Этот толчок и есть реакция. Дробовик выпуливает около 30 грамм металла в одном направлении со скоростью больше 1000 км/ч, и ваше плечо чувствует отдачу. Если бы вы стояли на скейтборде или были в роликах, то выстрел из дробовика сработал бы как реактивный двигатель, и вы покатились бы в противоположном направлении.

Если вы когда-либо наблюдали за работой пожарного шлага, вы наверняка заметили, что его достаточно сложно удержать (иногда пожарные вдвоем и втроем его держат). Шланг работает как ракетный двигатель. Он выбрасывает воду в одном направлении, а пожарные используют свою силу, чтобы противостоять реакции. Если они упустят рукав, он будет метаться повсюду. Если бы пожарные стоял на скейтбордах, пожарный рукав разогнал бы их до приличной скорости.

Когда вы надуваете воздушный шарик и выпускаете его, он летает по всей комнате, испуская воздух, — так работает ракетный двигатель. В данном случае вы выпускаете молекулы воздуха из шара. Многие считают, что молекулы воздуха ничего не весят, но это не так. Когда вы выпускаете их из шарика, шарик летит в противоположном направлении.

Еще один сценарий, который поможет объяснить действие и противодействие, — это космический бейсбол. Представьте, что вы вышли в скафандре в космос недалеко от своего космического судна, и у вас в руке бейсбольный мяч. Если вы его бросите, ваше тело среагирует в противоположном направлении от мяча.

Допустим, он весит 450 гр, а ваше тело вместе со скафандром весит 45 кг. Вы бросаете бейсбольный мяч весом почти в полкило со скоростью 34 км/ч. Таким образом, вы ускоряете полукилограммовый мяч своей рукой так, что он набирает скорость 34 км/ч. Ваше тело реагирует в противоположном направлении, но весит в 100 раз больше мяча.

Таким образом, оно принимает одну сотую ускорения мяча, или 0,34 км/ч.

Если вы хотите создать большую тягу от своего бейсбольного мяча, у вас есть два варианта: увеличить его массу или увеличить ускорение. Вы можете бросить мячик потяжелее или бросать мячи один за другим, либо бросить мяч быстрее. Но на этом все.

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.

«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.

Далее мы рассмотрим топливные смеси твердотопливных ракет.

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе — это первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. О красных бликах ракет поется в национальном гимне (написанном в начале 1800-х) — имеются в виду небольшие боевые ракеты на твердом топливе, используемые для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давненько.

Идея, которая лежит в основе ракеты на твердом топливе, довольно проста. Вам нужно создать нечто, что будет быстро гореть, но не взрываться. Как вы знаете, порох не подходит. Оружейный порох на 75 % состоит из нитрата (селитры), 15 % угля и 10 % серы. В ракетном двигателе взрывы не нужны — нужно, чтобы топливо горело. Можно изменить смесь до 72 % нитрата, 24 % угля и 4 % серы. Вместо пороха вы получите ракетное топливо.

Эта смесь будет быстро гореть, но не взорвется, если правильно ее загрузить. Вот типичная схема:

Слева вы видите ракету до зажигания. Твердое топливо отображается зеленым цветом. Оно в форме цилиндра с трубой, просверленной по центру. При зажигании горючее сгорает вдоль стенки трубы. По мере горения оно выгорает к корпусу, пока не сгорит полностью. В небольшой модели ракетного двигателя или крошечной ракетке процесс горения может длиться в течение секунды или того меньше.

В большой ракете же топливо горит не менее двух минут.

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание для современных твердотопливных ракет, часто можно найти вот такое:

«Ракетное топливо состоит из перхлората аммония (окислитель, 69,6 % по весу), алюминия (топливо, 16 %), оксида железа (катализатор, 0,4 %), полимера (связующей смеси, удерживающей топливо вместе, 12,04 %) и эпоксидный отверждающий агент (1,96 %). Перфорация выполнена в форме 11-конечной звезды в переднем сегменте двигателя и в форме дважды усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, включая конечный. Такая конфигурация обеспечивает высокую тягу при розжиге, а затем уменьшает тягу примерно на треть спустя 50 секунд после старта, предотвращая перенапряжение аппарата во время максимального динамического давления». — NASA

Здесь объясняется не только состав топлива, но и форма канала, пробуренного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть вот так:

Смысл в том, чтобы увеличить площадь поверхности канала, а значит, увеличить площадь выгорания, а значит — тягу. По мере того, как топливо сгорает, форма меняется к кругу. В случае с космическим шаттлом такая форма дает мощную начальную тягу и чуть послабее — в середине полета.

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:

  • простота
  • низкая стоимость
  • безопасность

Но есть и два недостатка:

  • тягу невозможно контролировать
  • после зажигания двигатель нельзя отключить или запустить повторно

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для непродолжительных задач (ракеты) или систем ускорения. Если вам понадобится управлять двигателем, вам придется обратиться к системе жидкого топлива.

Жидкотопливные ракеты

В 1926 году Роберт Годдард испытал первый двигатель на основе жидкого топлива. Его двигатель использовал бензин и жидкий кислород. Также он пытался решить и решил ряд фундаментальных проблем в конструкции ракетного двигателя, включая механизмы накачки, стратегии охлаждения и рулевые механизмы. Именно эти проблемы делают ракеты с жидким топливом такими сложными.

Основная идея проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях топливо и окислитель (например, бензин и жидкий кислород) закачиваются в камеру сгорания. Там они сгорают, чтобы создать поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет (от 8000 до 16 000 км/ч, как правило), а после выходят. Ниже вы найдете простую схему.

Эта схема не показывает фактические сложности обычного двигателя.

К примеру, норальное топливо — это холодный жидкий газ вроде жидкого водорода или жидкого кислорода. Одной из крупных проблем такого двигателя является охлаждение камеры сгорания и сопла, поэтому холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей, чтобы охладить их. Насосы должны генерировать чрезвычайно высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо. Вся эта подкачка и охлаждение делает ракетный двигатель больше похожим на неудачную попытку сантехнической самореализации.

Давайте посмотрим на все виды комбинаций топлива, используемого в жидкотопливных ракетных двигателях:

  • Жидкий водород и жидкий кислород (основные двигатели космических шаттлов).
  • Бензин и жидкий кислород (первые ракеты Годдарда).
  • Керосин и жидкий кислород (использовались на первой ступени «Сатурна-5» в программе «Аполлон»).
  • Спирт и жидкий кислород (использовались в немецких ракетах V2).
  • Четырехокись азота/монометилгидразин (использовались в двигателях «Кассини»).

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.

Энциклопедия техники — значение слова Тяга Двигателя

В чем измеряется тяга двигателя?

реактивная сила, являющаяся результирующей газодинамических сил давления и трения, приложенных к внутренней и наружной поверхностям двигателя. Различают внутреннюю тягу (реактивную тягу) Р — результирующую всех газодинамических сил, приложенных к двигателю, без учёта внешнего сопротивления и эффективную тягу Рэф, учитывающую внешнее сопротивление силовой установки. Внутренняя тяга связана с эффективной соотношениемРэф = P — Xнар,где Xнар — внешнее сопротивление силовой установки ЛА. Внутреннюю тягу определяют с помощью уравнения количества движения для рабочего тела двигателя.

Для авиационных ВРД (ТРД, ТРДФ, ПВРД) тяга (в Н)Р = GгCc — GBVп + Fc(pc — pH),где Gг — расход газа, кг/с; Cc — скорость истечения газа из реактивного сопла, м/с; GB — расход воздуха, кг/с; Vп — скорость полёта, м/с; Fc — площадь сечения на выходе из реактивного сопла, м2; pc — статическое давление на выходе из реактивного сопла, Па; pH — давление окружающей среды, Па. Расход газа у ВРД связан с расходом воздуха следующим соотношением:Gг = Gв + Gт — Gв. отб,где Gт — расход топлива; Gв. отб — количество воздуха, отбираемого от двигателя на нужды ЛА.

У ракетных двигателей с окислителем, находящимся на борту ЛА,Р = GгCc + Fc(pc — pH).В этом уравнении Gг — сумма расходов горючего и окислителя. При полном расширении газа в реактивном сопле pc = pH, и уравнение внутренней тяги для ВРД упрощается:Р = GгCc — GвVп.Для ТРДД с раздельными газовоздушными трактами в случае полного расширения газа в реактивных соплах внутреннего и наружного контуровР = GгICcI — GвIVп + GвII(CcII — Vп).Здесь индексом I обозначены параметры внутреннего контура ТРДД, а индексом II — наружного. У ТВДгде Nв — мощность, передаваемая на воздушный винт, Вт; (η)в — кпд винта.

Максимальная взлётная тяга ГТД в начале 90-х гг. превысила 300 кН.

Смотреть значение Тяга Двигателя в других словарях

Тяга — Стремление куда-либо, влечение к кому-, чему-либо. Безумная, большая, великая, властная, внутренняя, глубокая, давняя, дикая (разг.), долголетняя, душевная, жадная, затаенная,……..

Тяга — тяги, ж. 1. только ед. Действие по глаг. тянуть в 4 знач. (устар.). судов бечевой. ? Тянущая, движущая сила. Артиллерия на конной и тракторной тяге. Лошадиная тяга. Паровая……..
Толковый словарь Ушакова

Тяга — -и; ж.1. к Тянуть (14-18 зн.) и Тяну́ться (11, 16-17 зн.). Т. к морю. Т. к свету. Т. к знаниям. Т. к общению. Т. к людям. Т. ветра, свежести.2. Сила, с помощью которой осуществляется……..

Толковый словарь Кузнецова

Фадек (полностью Автономный Электронно-цифровой Контроллер Двигателя — Fadec) — электронная система управления турбинным двигателем или двигателем комбинированного цикла с использованием цифровой ЭВМ для управления переменными параметрами,……..
Юридический словарь

Реактивная Тяга — , сила, которая создается в результате действия ПРОПЕЛЛЕРА, РЕАКТИВНОГО или РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ. Пропеллер самолета придает воздуху движение вперед, реактивные и ракетные……..
Научно-технический энциклопедический словарь

Цилиндр Двигателя — , одна из цилиндрических камер ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. В каждой такой камере расположен соответствующий внутреннему диаметру поршень, который движется вниз……..
Научно-технический энциклопедический словарь

Реактивная Тяга — (реактивная сила) — сила реакции (отдачи) струи рабочеготела (напр., газа), вытекающей из сопла реактивного двигателя и приводящейв движение устройство с двигателем в……..
Большой энциклопедический словарь

Тяга — в архитектуре — профилированный выступ, членящий стену погоризонтали, обрамляющий панно.
Большой энциклопедический словарь

Естественная тяга воздуха — в шахтах (a. natural draught; natural ventilation; н. naturlicher Luftzug; ф. tirage d'air naturel; и. ventilacion natural de aire) — движение воздуха в шахтных выработках под действием гл. обр. разл. его плотности (в меньшей……..
Горная энциклопедия

Тяга — — в архитектуре — профилирующий выступ, членящий стену по горизонтали, обрамляющий панно.
Исторический словарь

Компульсивность (навязчивая, Иррациональная Тяга К Чему-либо) — Устойчивая схема поведения, заставляющая человека совершать определенные поступки, чтобы предотвратить некое ужасное событие. Связь между компульсивным поведением……..
Психологическая энциклопедия

Тяга — – горизонтальный или вертикальный профилированный поясок, выступ (обычно штукатурный или каменный), членящий стены зданий или обрамляющий панно и потолки. Как правило,……..
Архитектурный словарь

Наметистая тяга — Штукатурная тяга большого сечения (например, между кессонами). (Термины российского архитектурного наследия. Плужников В.И., 1995)
Архитектурный словарь

Источник https://osandroids.ru/tyaga-dvigatelya-avtomobilya-eto/

Источник https://road-master.ru/v-chem-izmeryaetsya-tyaga-dvigatelya/

Источник

Источник




Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *