Zasada działania silnika rakietowego

Zasada działania silnika rakietowego brzmi mniej więcej tak:

" Zadaniem silnika rakietowego jest przetwarzanie energii chemicznej paliwa na energię kinetyczną strumienia gazów, w wyniku czego powstaje ciąg potrzebny do ruchu rakiety na zasadzie odrzutu "

A prościej mówiąc tak:

" Paliwo jest spalane przy pomocy utleniacza, a spaliny wydostające się przez dyszę silnika są wyrzucane z ogromną prędkością co powoduje zaistnienie zjawiska odrzutu oraz nadanie przyspieszenia "

   
Zaczynając od początku...

Silnik rakietowy na paliwo stałe:
Jest to silnik rakietowy, w którym paliwo w postaci ziaren umieszczone jest w korpusie.
Spalanie tych ziaren i wypływ gazów przez dyszę powoduje powstanie siły ciągu.

  


Silnik rakietowy- To rodzaj silnika odrzutowego, wykorzystującego zjawisko odrzutu substancji roboczej, który nie pobiera w trakcie pracy żadnej substancji z otoczenia.

Substancją roboczą mogą być produkty spalania, powstałe przy utlenianiu paliwa, gdzie zarówno paliwo rakietowe jak i utleniacz znajdują się w zbiornikach napędzanego urządzenia, a tlen nie jest pobierany z atmosfery, dzięki czemu silnik może pracować w dowolnych warunkach, np. w przestrzeni kosmicznej i pod wodą.

Mogą nią być też jony rozpędzane elektromagnetycznie , plazma także rozpędzana elektromagnetycznie lub strumień fotonów gamma , stosowany najczęściej w rakietach i promach kosmicznych oraz pociskach rakietowych.

Pierwsze konstrukcje silnika rakietowego oparte były na prochu czarnym i zostały wymyślone w Chinach.

Silnik rakietowy będący już jednym z rodzajów silników odrzutowych ma również swoje inne rodzaje takie jak np:

 
a.) chemiczny silnik rakietowy
b.) silnik jonowy
c.) silnik plazmowy
d.) hipotetyczny silnik fotonowy

Silniki rakietowe można także dzielić ze względu na rodzaj paliwa np:

a.) paliwo ciekłe
b.) paliwo stałe (przy czym te na paliwo stałe są znacznie gorsze i słabsze)

Silnik rakietowy charakteryzuje się trzema podstawowymi parametrami:
 
a.) ciągiem
b.) czasem pracy
c.) impulsem właściwym

CIĄG - To siła jaka towarzyszy wyrzucaniu substancji roboczej przez dysze, oznaczany dużą literą P.

CZAS PRACY - Oznaczany jest literą t, a ze względu na ten parametr, silniki są dzielone na startowe i marszowe.

IMPULS WŁAŚCIWY - Określa się nim impuls przypadający na jednostkę masy lub ciężaru paliwa bądź samego paliwa.

WZÓR: 

Iw = (Ft)/Q,  gdzie:

F- ciąg,
 t - czas pracy silnika,
Q- ciężar paliwa
Iw- impuls właściwy względem ciężaru.

II Zasada dynamiki Newtona

Definicja II zasady dynamiki Newtona brzmi następująco:

"Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się (czyli siła wypadkowa jest różna od zera), to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała."

 II zasadę dynamiki zapisuje się wzorem:
 




II zasada dynamiki Newtona mówi o efekcie działania siły na swobodne ciało:
Siła nadaje ciału przyspieszenie, czyli zmienia prędkość ciała, a im większa jest siła, tym większe przyspieszenie może wywołać w tym samym czasie. 

Dla prędkości dużo mniejszych od prędkości światła zasadę można przedstawić w wersji uproszczonej, która obecnie funkcjonuje we wstępnych etapach nauczania i jest powszechnie stosowana do różnorakich obliczeń.

Zjawisko odrzutu i jego przykłady

  Zjawisko odrzutu - to efekt odpychania się ciał.

Występuje on w przypadku, gdy następuje rozdzielenie się układu ciał na dwa ciała poruszające się w przeciwne strony.
Ruch ciał powstałych po rozdzieleniu się układu materialnego jest konsekwencją zasady
zachowania pędu dla układu izolowanego.
Powstawanie siły odrzutu wynika z III zasady dynamiki Newtona (Fa=-Fb).
Obie siły mają takie same wartości i kierunki, przeciwne zwroty i są przyłożone do różnych ciał.

Zjawisko odrzutu jest powszechnie spotykane w przyrodzie i wykorzystywane w technice jako:

a.) Odrzut broni
b.) Odrzut jądra
c.) Silnik odrzutowy [turboodrzutowe, pulsacyjne i rakietowe]
d.) W przyrodzie

PRZYKŁADY ZJAWISKA ODRZUTU:

a.) Broń palna
Znane są zjawiska odrzutu przy użyciu broni palnej: dubeltówka czy karabin „uderzają” strzelca, a lufa cofa się przy wystrzale.





 b.) Samolot odrzutowy i rakieta

Zjawisko odrzutu jest wykorzystywane w samolotach odrzutowych i rakietach.
Zasada ich ruchu polega na tym, że w komorze wewnętrznej odbywa się spalanie mieszanki wybuchowej. Gazy z dużą prędkością, a więc i z dużym pędem, uchodzą przez otwór w tylnej części samolotu lub rakiety, które równocześnie uzyskują dodatkowy pęd równy co do wartości pędowi wyrzucanych gazów, lecz skierowany ku przodowi.

c.) Prysznic
Prysznic, gdy ustawiony zostanie na silny strumień wody, doznaje odrzutu i potrafi sam się unosić w powietrzu.
  








d.) Balon
Nadmuchany otwarty balon, gdy zostanie uwolniony, doznaje odrzutu i porusza się do czasu, aż powietrze w balonie osiągnie wartość ciśnienia atmosferycznego

Zasada zachowania pędu i jej przykłady

Zasada zachowania pędu brzmi następująco:

"Suma wektorowa pędów wszystkich elementów układu izolowanego pozostaje stała..."

A prościej mówiąc tak:

"Zmienić pęd układu może tylko siła działająca z zewnątrz układu"

Zaczynając od początku...

Układ izolowany - to taki układ, na który nie działają siły zewnętrzne lub siły te się równoważą. Oddziaływanie między elementami układu siłami wewnętrznymi nie zmienia pędu układu.

Zasada zachowania pędu wynika wprost z II zasady dynamiki w postaci uogólnionej.
Zasada ta jest zawsze spełniona (dla dowolnego układu izolowanego) w każdym procesie fizycznym.

Tylko w niektórych zjawiskach opisywanych przez mechanikę kwantową możliwe jest krótkotrwałe jej złamanie (w czasie zajścia oddziaływania), jednak już po bardzo krótkim czasie (potrzebnym światłu na przebycie odległości międzycząstkowych) zasada ta jest spełniona.

Zasadę zachowania momentu pędu można wraz z zasadą zachowania materii-energii połączyć w zasadę zachowania czteropędu. 

Pęd – to wielkość fizyczna opisująca ruch obiektu fizycznego. Pęd mogą mieć wszystkie formy materii, np. ciała o niezerowej masie spoczynkowej, pole elektromagnetyczne, pole grawitacyjne. Zależy on od prędkości i masy ciała.

Wartość pędu określa się ze wzoru p=mv gdzie:

~ p (pęd) jest wartością wektorową
~ m (masa) jest wyrażana w kilogramach [kg]
~ v (prędkość) jest wielkością wektorową wyrażaną w metrach na sekundę [m/s]. 

PRZYKŁADY ZASADY ZACHOWANIA PĘDU:

a.) Łódka
Wyskakując z łódki stojącej przy brzegu jeziora uzyskujemy pęd skierowany w stronę lądu.
Równocześnie łódka - zgodnie z zasadą zachowania pędu - oddala się nieco od brzegu uzyskując pęd równy co do wartości, lecz przeciwnie skierowany.
Wypadkowy pęd układu łódka-człowiek pozostaje nadal równy zeru.

b.) Pocisk

Pocisk porusza się w powietrzu, w pewnej chwili pod wpływem wybuchu wewnątrz niego (sił wewnętrznych) ulega rozerwaniu.
Ponieważ siły wewnętrzne nie zmieniają wypadkowego pędu układu, więc odłamki rozlatują się na wszystkie strony w ten sposób, że suma wektorowa pędów w chwili rozerwania jest równa pędowi pocisku tworzącego całość.
Pomijając zmiany oporu powietrza spowodowane zmianą kształtu i wielkości ciała, środek masy odłamków porusza się po takim samym torze, jak poruszał się pocisk.

c.)Śruba okrętowa i śmigło samolotu
Na zasadzie zachowania pędu opiera się działanie śruby okrętowej i śmigła samolotu.
Śruba odrzuca wodę do tyłu, statek uzyskuje pęd skierowany ku przodowi.
Podobnie śmigło odrzuca do tyłu masy powietrza, a samolot przesuwa się naprzód.