Номер 10, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

10. Как устроен ракетный двигатель?

Решение

Ракетный двигатель — это тип реактивного двигателя, который создаёт тягу для движения, отбрасывая с высокой скоростью рабочее тело (продукты сгорания топлива). Главная особенность ракетного двигателя заключается в том, что все компоненты, необходимые для его работы (и топливо, и окислитель), находятся на борту ракеты. Это позволяет ему работать в безвоздушном пространстве (вакууме), в отличие от, например, воздушно-реактивных двигателей самолётов.

Принцип работы

В основе работы ракетного двигателя лежит третий закон Ньютона: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Двигатель с огромной скоростью выбрасывает раскалённые газы (продукты сгорания) в одном направлении (действие). В результате этого на корпус ракеты действует сила в противоположном направлении — сила тяги (противодействие), которая и заставляет ракету двигаться.

Этот процесс также описывается законом сохранения импульса. В замкнутой системе "ракета + газы" суммарный импульс остаётся постоянным. До старта он равен нулю. Когда двигатель выбрасывает порцию газа массой $m_г$ со скоростью $v_г$ относительно ракеты, ракета массой $M_p$ приобретает скорость $\Delta V_p$ в противоположном направлении, так что выполняется равенство модулей импульсов: $M_p \cdot \Delta V_p = m_г \cdot v_г$. Сила тяги $\text{F}$ создаётся за счёт непрерывного отброса массы и может быть выражена как $F = \dot{m} \cdot v_e + (p_e - p_a)A_e$, где $\dot{m}$ — массовый расход топлива в секунду, $v_e$ — скорость истечения газов из сопла, $p_e$ — давление на срезе сопла, $p_a$ — давление окружающей среды, $A_e$ — площадь среза сопла.

Устройство жидкостного ракетного двигателя (ЖРД)

Рассмотрим устройство на примере наиболее распространённого типа — жидкостного ракетного двигателя. Его основные компоненты:

Баки с компонентами топлива: раздельные ёмкости для горючего (например, керосин, жидкий водород) и окислителя (например, жидкий кислород). Окислитель необходим для поддержания горения в космосе, где нет атмосферного кислорода.

Турбонасосный агрегат (ТНА): система из мощных насосов, которые под высоким давлением подают компоненты топлива из баков в камеру сгорания. Насосы приводятся в действие газовой турбиной, которая, в свою очередь, работает на газе, получаемом при сжигании небольшой части тех же компонентов топлива.

Камера сгорания: прочная жаростойкая полость, куда через форсунки впрыскиваются и смешиваются горючее и окислитель. Здесь происходит их возгорание и экзотермическая химическая реакция, в результате которой образуется газ с очень высокой температурой (тысячи градусов Цельсия) и давлением.

Сопло: специальный канал переменного сечения (сужающийся, а затем расширяющийся — сопло Лаваля), присоединённый к камере сгорания. В сопле потенциальная энергия (тепло и давление) горячего газа преобразуется в кинетическую энергию. Газ разгоняется до сверхзвуковых скоростей (несколько километров в секунду), создавая реактивную тягу.

Система зажигания: устройство, которое инициирует горение топлива в камере сгорания. Это может быть пиротехническое устройство, электрическая искра или использование самовоспламеняющихся (гиперголических) компонентов топлива.

Система охлаждения: так как температура в камере сгорания и сопле достигает экстремальных значений, их стенки нуждаются в постоянном охлаждении, чтобы не расплавиться. Часто используется регенеративное охлаждение: один из компонентов топлива (обычно горючее) перед подачей в камеру сгорания пропускается по каналам, проложенным в стенках сопла и камеры, отбирая у них избыточное тепло.

Существуют и другие типы двигателей, например, твердотопливные (где топливо и окислитель заранее смешаны и представляют собой твёрдую массу, "шашку") и электрические (ионные, плазменные), которые используют электроэнергию для ускорения рабочего тела, обладая малoй тягой, но очень высокой эффективностью.

Ответ: Ракетный двигатель устроен как машина, преобразующая химическую энергию топлива в кинетическую энергию реактивной струи. Он состоит из баков с топливом и окислителем, системы их подачи (насосов), камеры сгорания, где они смешиваются и горят, образуя газ под высоким давлением, и сопла, которое ускоряет этот газ до огромных скоростей. Выброс газа в одном направлении создает силу тяги в противоположном, что толкает ракету вперёд в соответствии с третьим законом Ньютона.