Номер 11, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

11. Чем отличается турбореактивный двигатель от турбовинтового?

10. Ракетный двигатель — это тип реактивного двигателя, который создает тягу за счет отбрасывания с высокой скоростью продуктов сгорания. Его ключевая особенность заключается в том, что все компоненты рабочего тела (топливо и окислитель) находятся на борту летательного аппарата, что позволяет ему работать в безвоздушном пространстве (вакууме).

Основные компоненты ракетного двигателя:
1. Баки с компонентами топлива: емкости для хранения горючего и окислителя. В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) это раздельные баки, в твердотопливных (РДТТ) — топливо и окислитель представляют собой единую твердую массу (топливную шашку), размещенную непосредственно в корпусе, который является и камерой сгорания.
2. Камера сгорания: место, где смешиваются и сгорают топливо и окислитель. В результате образуется газ с высокой температурой и давлением.
3. Сопло: специальное профилированное устройство (чаще всего сопло Лаваля), предназначенное для преобразования тепловой энергии горячего газа в кинетическую энергию. Газ, проходя через сужающуюся, а затем расширяющуюся часть сопла, ускоряется до сверхзвуковых скоростей.
4. Система подачи топлива: в ЖРД это сложная система, включающая турбонасосный агрегат (ТНА) или вытеснительную систему для подачи компонентов топлива под высоким давлением в камеру сгорания.
5. Система зажигания: устройство, инициирующее горение топлива.

Принцип действия:
Работа ракетного двигателя основана на третьем законе Ньютона (законе сохранения импульса). Двигатель с большой скоростью выбрасывает массу продуктов сгорания в одном направлении, что создает силу реакции (тягу) в противоположном направлении, толкающую ракету вперед. Сила тяги $\text{F}$ определяется формулой:

$F = \dot{m} \cdot v_e + (p_e - p_a) \cdot A_e$

где $\dot{m}$ — массовый расход рабочего тела в секунду, $v_e$ — скорость истечения газов из сопла, $p_e$ — давление газов на срезе сопла, $p_a$ — давление окружающей среды, $A_e$ — площадь выходного сечения сопла. В вакууме $p_a = 0$, и формула упрощается.

Ответ: Ракетный двигатель состоит из баков с топливом и окислителем, камеры сгорания, где они смешиваются и сгорают, и сопла, которое ускоряет раскаленные газы до сверхзвуковой скорости. Работа двигателя основана на третьем законе Ньютона: отбрасывание массы газов в одном направлении создает силу тяги в противоположном. В отличие от других реактивных двигателей, ракетный несет окислитель на борту и может работать в космосе.

11. Турбореактивный (ТРД) и турбовинтовой (ТВД) двигатели являются разновидностями газотурбинных двигателей, но они создают тягу разными способами.

Турбореактивный двигатель (ТРД):
В этом двигателе почти вся тяга создается за счет реактивной струи. Воздух засасывается, сжимается компрессором, нагревается в камере сгорания за счет сжигания топлива, а затем полученный горячий газ вращает турбину. Основная задача турбины — приводить в действие компрессор. После турбины газ с высокой температурой и давлением выбрасывается через реактивное сопло с огромной скоростью, создавая тягу. ТРД эффективен на больших скоростях (близких к скорости звука и сверхзвуковых) и больших высотах.

Турбовинтовой двигатель (ТВД):
В ТВД основная часть (около 90%) тяги создается воздушным винтом (пропеллером), и лишь небольшая часть (около 10%) — за счет выхлопных газов. Газогенератор (компрессор, камера сгорания, турбина) работает так же, как и в ТРД, но турбина спроектирована так, чтобы отбирать у потока газов максимальную мощность. Эта мощность через редуктор передается на вращение большого воздушного винта. Винт отбрасывает большую массу воздуха с относительно небольшой скоростью. ТВД наиболее эффективен на дозвуковых скоростях (до 700–800 км/ч) и на малых и средних высотах.

Ключевые отличия:
Источник тяги: У ТРД — реактивная струя газов. У ТВД — в основном воздушный винт.
Принцип создания тяги: ТРД отбрасывает малую массу воздуха с очень высокой скоростью. ТВД отбрасывает большую массу воздуха с относительно низкой скоростью.
Роль турбины: В ТРД турбина в основном приводит в действие компрессор. В ТВД турбина приводит в действие и компрессор, и воздушный винт.
Эффективность: ТРД эффективен на высоких скоростях, ТВД — на низких и средних.
Конструкция: ТВД имеет дополнительный узел — редуктор и воздушный винт, которых нет у ТРД.

Ответ: Основное отличие заключается в способе создания тяги. Турбореактивный двигатель создает тягу, выбрасывая струю горячего газа с высокой скоростью. Турбовинтовой двигатель использует энергию газов для вращения винта (пропеллера), который и создает основную часть тяги, отбрасывая большой объем воздуха с меньшей скоростью. Поэтому турбовинтовой двигатель эффективнее на дозвуковых скоростях, а турбореактивный — на высоких и сверхзвуковых.