pchnięcie

Pchnięcie jest siłą opisaną ilościowo przez drugie i trzecie prawo Newtona . Kiedy system wyrzuca lub przyspiesza masę w jednym kierunku, przyspieszona masa wywiera na układ siłę o tej samej wielkości, ale w przeciwnym kierunku. W przypadku pocisków, ciąg pokonuje opór powietrza i grawitację , generuje napęd i powoduje przyspieszenie . W szczególności ciąg jest używany jako parametr określający osiągi silników odrzutowych i rakietowych .

Jednostką ciągu, podobnie jak w przypadku siły w ogóle, jest niuton (N). Czasami nadal używana jest przestarzała jednostka kilopond (kp). Szczególnie w świecie anglojęzycznym jednostka lbs lub lbf jest często skrótem funtów lub funtów siły ( funt niemiecki lub funt siła).

Podstawy

W układach napędu odrzutowego preferowanym parametrem jest ciąg, ponieważ w przypadku silników odrzutowych nie jest możliwy bezpośredni pomiar mocy na wale napędowym. Z drugiej strony w przypadku silników tłokowych i turbin śmigłowych moc znamionowa w kilowatach jest powszechna. Jednak istotną siłą napędową pochodzącą ze śmigła napędzanego silnikiem tłokowym lub turbiną jest generowany ciąg.

PW4062 silnik o Boeing 747-400 generuje maksymalną siłę ciągu ok. 62,100 lbf lub 276 kN podczas startu. Aby osiągnąć ten ciąg, spalane trzy litry nafty na sekundę. Dowód, że silnik faktycznie wytwarza ten ciąg, jest zademonstrowany i certyfikowany na stanowisku testowym po zakończeniu produkcji lub naprawy .

VTOL może jedynie startować pionowo, gdy nacisk jest większy niż ciężar samolotu patrz stosunek ciągu do masy . Za 17-tonowy Hawker Siddeley Harrier z. B. 200 kN z jego silnika wystarczy, aby przyspieszyć go w pionie. W stałopłatach, ciąg musi stanowić tylko ułamek jego własnego ciężaru, ponieważ skrzydło „przenosi” pozostałą część własnego ciężaru. Ta frakcja charakteryzuje się współczynnikiem poślizgu .

Obecnie (2006) najsilniejszym silnikiem do samolotów cywilnych jest General Electric GE90-115B o mocy 519 kN. W testach osiągnął maksymalny nacisk 569 kN. Jest używany w Boeingach 777-300ER .

Wartości dla rakiet wynoszą około 40 000 kN dla byłego radzieckiego N1 i Energija oraz amerykańskiego Saturna V , 30 000 kN dla promu kosmicznego lub 8800 kN dla Delta IV Heavy .

Podstawy fizyczne

Ciąg na silniku odrzutowym

Ciąg wynika z tego, że przepływająca masa powietrza jest przyspieszana. W tym celu energia kinetyczna musi być dostarczona do powietrza. Jeśli można pominąć stratę ciśnienia spowodowaną przez dyszę oporową, mówi się, że dysza jest wyregulowana.

Zgodnie z prawem zachowania pędu, do ciągu netto silnika stosuje się :

Z

: Ciąg (siła)
: Masowy przepływ wydalanego powietrza
: Masowy przepływ zasysanego powietrza
: Prędkość wydmuchiwanego powietrza ( prędkość )
: Prędkość zasysanego powietrza

Ponieważ spalanie paliwa i związany z tym wzrost temperatury, gaz rozszerza się i zwiększona objętość musi wyjść przez zwężony przekrój dyszy, zwiększa się prędkość c przepływu powietrza (więcej szczegółów patrz: silnik odrzutowy ). W armatkach wentylatorowych przepływ powietrza jest przyspieszany przez napędzane śmigło.

Ponieważ gondola silnika wytwarza opór aerodynamiczny D (opór aerodynamiczny samolotu można pominąć), należy go odjąć od ciągu netto. Oznacza to, że dwa samoloty mogą mieć różny ciąg, mimo że są wyposażone w te same silniki (np. A350 i Boeing 787 ). Więc to dotyczy

Ponieważ powietrze staje się cieńsze, im wyżej lecisz, przepływ masy również maleje wraz ze wzrostem wysokości. Więc definiujesz ciąg silnika w warunkach ISA, a następnie mówisz

gdzie gęstość powietrza (ρ - rho) można oszacować, na przykład za pomocą wzoru na wysokość barometryczną .

Ciąg na silniku rakietowym

Wystrzelenie rakiety Sojuz

Podczas napędzania rakiety prędkość jest szczególnie ważna, gdy pali się wyczerpane.

Dla impulsu ciągu obowiązuje (po tętnie ):

P : siła napędowa
Δ t : czas spalania silnika
Δ m : Utrata masy rakiety z powodu utraty spalonego paliwa
v s : prędkość wypływu

Uwaga: jest to jeden z rzadkich przypadków w mechanice elementarnej, gdzie masa nie jest stała. W tym przypadku również łatwo jest określić osiągi silnika rakietowego ! Efektywna prędkość wypływu nazywana jest również (masowym) impulsem właściwym silnika rakietowego.

Jeżeli napęd (nie zawsze podawany, patrz np. Przebieg siły ciągu w rakietach litych ), to wynika z prędkości końcowej z uwzględnieniem masy pustej rakiety i masy paliwa oraz z uwzględnieniem :

 ( Podstawowe równanie rakiety )

Końcowa prędkość rośnie wraz z prędkością wyrzutu (typowa wartość to 4500 m / s) i stosunkiem masy początkowej do końcowej (typowo 30: 1 do 100: 1). Poprawki na opór powietrza należy uwzględniać analogicznie jak w przypadku silnika odrzutowego.

Ważnym zastosowaniem napędu rakietowego jest przezwyciężenie przyspieszenia ziemskiego . Aby to zrobić, rakieta musi osiągnąć prędkość ucieczki (e jak ucieczka ).

Na przykład w przypadku rakiety nośnej masa końcowa jest prawie identyczna z ładunkiem, tylko ten osiąga wysokość docelową (z owiewką ):

Ariane 5G : masa startowa ≈750 t, ładowność ≈20 t LEO , 7 t GTO, ciąg startowy ≈12.000 kN, maksymalny ciąg ≈14.400 kN

Ciąg i wydajność

Pchnięcie to siła. Moc netto uzyskuje się poprzez pomnożenie jej przez prędkość ruchu:

P : moc (moc)
F : Siła
v : prędkość (prędkość)

Pracujący silnik odrzutowy na nieruchomym statku powietrznym (np. Podczas oczekiwania na zezwolenie na start) nie porusza się, jego moc użyteczna, a tym samym sprawność wynosi zero. Niemniej jednak dla każdego ciągu zawsze wymagana jest wydajność. Wynika to z energii dostarczanych masom powietrza na jednostkę czasu, przy założeniu statycznych początkowych mas powietrza.

Ponieważ prędkość ma tylko liniowy wpływ na ciąg, większy ciąg można wygenerować przy mniejszej mocy przy większym przekroju silnika, a tym samym przy większych masach powietrza. Wyjaśnia to również trend w kierunku silników z coraz większymi przełożeniami obejścia i większymi wirnikami.

Moc P jest iloczynem siły F i prędkości ruchu v ; definiuje się go zatem jako zwielokrotnienie siły wraz z prędkością:

Współczynnik v , na przykład prędkość ruchu jednostki napędowej, w żadnym wypadku nie jest stały. Tylko wtedy, gdy podano prędkość v większą niż 0, siła ciągu, tj. Siła pomnożona przez prędkość, może dać moc (większą niż 0).

Przykład 1

Przy prędkości przelotowej 900 km / h (= 250 m / s) silniki komercyjnego statku powietrznego działają przy około 80% ciągu maksymalnego, który w przypadku Boeinga 737 jest rzędu 122 kN na silnik. Wtedy silnik dostarcza moc około

To około 33 000 KM.

Przykład 2

Eurofighter Typhoon przynosi około 180 kN przy pełnym wykorzystaniu dopalaczy obu silników. Do osiągnięcia maksymalnej prędkości około 2 Macha (około 2300 km / h ≈ 639 m / s) wymagany jest pełny ciąg. Wtedy silniki zapewniają moc około

Odpowiada to w przybliżeniu mocy 156 000 KM.