Информация к размышлению по общепринятой теории, так называемого «реактивного движения»

Информация  к размышлению  по общепринятой теории, так называемого «реактивного движения».

    Сложившаяся за последний век теория утверждает о том, что тяга, к примеру, в ракетных двигателях, возникает от того, что газы, которые образуются при сгорании топлива в камере двигателя (см. фиг.1), вылетая через сопло в одном направлении (по фиг. 1-вправо), создают в двигателе реактивные силы (а значит и тягу) - противоположного движению газов направления, т.е. тяга в двигателе создается за счет «вытекания» из сопла газов.

    Т.е. существующей теорией утверждается, что базисным фактором для создания тяги двигателя являются вылетающие из сопла газы (масса и скорость-mv). К примеру, смотри «Большую советскую энциклопедию», том 36, стр.142: « Реактивный двигатель - двигатель, сочетающий в себе тепловую машину, преобразующую химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, и движитель, создающий силу тяги за счет реакции отбрасываемой из реактивного сопла массы газа».

    Это же самое утверждается и на стр.141: «Реактивное сопло» и в школьных учебниках по физике и в трудах ученых по реактивному движению, - к примеру, в книге «Основы космонавтики», М.Фертрегт, издательство «Просвещение», 1969 год, перевод с английского.

    Но  разрешите с этим не согласиться. По моему мнению, базисным фактором для создания тяги (к примеру, в ракетных двигателях) является не вылет газов из сопла, а результативная сила давления газов на стенки двигателя на всей площади контакта газов с двигателем (на всей поверхности этого контакта: - и в камере сгорания топлива и в сопле).

Значит для  двигателя по фиг.1 тяга Р= Р₁+Р₃'-Р₂' (1), где

Р₁ – сила, действующая на поверхность камеры сгорания, противоположной расположению сопла;

Р₃'  - результативная сила, возникающая в сопле, действующая в направлении действия силы Р₁;

Р₂' -  результативная сила, действующая противоположно силам Р₁ и Р₃'.  

    Но  для тяги важным является так же и время (Т), в течение которого действуют эти силы.

Или для двигателя  основное уравнение: Р*Т= (Р₁+Рз'-Р₂')*Т (2)

    Или для безвоздушного пространства Р_уд.ср. – удельное среднее давление, создающее тягу в двигателе:

    Р_уд.ср.*Т=[Р_уд.ср.1*0,785*D²+ Р_уд.ср.3*0,785*(D₁²-d²) - Р_уд.ср.2 *0,785*(D²-d²)]*Т (3).

В атмосфере: Р_уд.ср. = (Р'_уд.ср.-Р_ат).

    Но  это уравнение приближенное, т.к. приращение площади и приращение удельного давления не имеют постоянной величины. Очевидно, для того чтобы увеличить Р₁, форсунки для подачи топлива и окислителя надо направить от центра двигателя вдоль поверхности передней стенки камеры (на которую давят силы Р₁) к ее цилиндру, т.к. около цилиндра будет получаться наибольшая температура газов (а значит и наибольшая Р_уд.) и там же будет и максимальная площадь передней стенки камеры.

    Тормозящие  двигатель (уменьшающие тягу) Р_уд.2 будут еще более неравномерные в разных зонах камеры, чем Р_уд.1.

    В зоне 1 по фиг.1 Р_уд.2 будет максимальной (и площадь давления тоже максимальная). А в зоне 3 Р_уд.2 будет минимальной (площадь давления тоже минимальная) - т.к. в этом месте скорость истечения газов (стрелки А), при входе в сопло, резко возрастает- значит, давление их падает. Причем, при виртуальной разбивке этой зоны торможения на большее число зон (а не на три) можно повысить точность определения силы Р'₂.

    Аналогично  газы работают и в сопле — в  зонах 5,6,7. При работе двигателя в атмосфере (Р_ат⁼1 атм.) сопло по фиг.1 будет создавать дополнительную тягу только в том случае, если Р_уд.ср.3 > Р_ат. Если же наоборот Р_уд.ср.3 < Р_ат, - то нужно применять сопло формой по фиг.2. Значит в безвоздушном пространстве сопло по фиг.1 создает большую тягу, чем в атмосфере, а значит и тяга двигателя по фиг.1 в безвоздушном пространстве больше его тяги при работе в атмосфере.  
 

    Как же увеличить Р_уд.3? К примеру, устанавливать плиту 8 на старте ракеты может и надо, а может и нет. При ее установке естественно увеличится Р_уд.ср.3, но и увеличится Р_уд.ср.2 и в каких это пропорциях скажется на тягу двигателя могут показать расчеты.

    Реально проверить правильность формул 1 и 3 можно при помощи монтажа двигателя на стенде с установкой датчиков давления и в камере сгорания и в сопле, на поверхностях действия сил Р₁, Р₂ и Р₃.

    Причем, датчики давления устанавливаются  близко друг к другу и заподлицо с поверхностями, по которым текут газы и их можно устанавливать не на всех площадях давления, а в линию, в продольной «секущей» плоскости.

    Затем, умножая эти местные удельные давления на площади их воздействия и на sin их угла наклона, можно получить расчетами реальную тягу.

    Конечно, по вытекающим газам тоже можно судить о величине тяги двигателя. Потому, что по количеству (массе) полученных газов в единицу времени можно определить Р_уд1, а по количеству газов и скорости их истечения можно определить Р_уд.2 и Р_уд.3. Но это косвенное, а не базисное определение, хотя результаты и будут совпадать - если определять тягу по базовым показателям: Р_уд.1; Р_уд.2; Р_уд.3 и S₁ ,S₂ ,S₃ 
 

     То, что мое умозаключение о том, что для создания тяги двигателя  работают только давления газов на переднюю стенку (поверхность) двигателя (Р₁) и на поверхность сопла (Р'₃) по фиг.1, а никакой реактивной силы от вылетающих газов нет, можно доказать на следующем примере - смотри фиг.3.

    На  стационарной плите 9 закреплен цилиндр 10, на котором свободно (по посадке с зазором) установлена труба 11.

    Труба 11 своими роликами 12 установлена в двух параллельных канавках 13 нижней плиты. Роликов 12-4 штуки: по два ролика от центральной оси трубы . Внутри трубы образована камера сгорания, при сгорании топлива в которой получаются газы, истекающие из трубы вправо (см. фиг.3).

    По  общепринятой теории реактивного движения труба 11 вроде бы должна двигаться влево (по чертежу). Но ничего подобного не произойдет -труба 11 (не зависимо от ее длины l₁) на роликах 12, за счет шероховатости внутренней поверхности трубы, вытекающими газами, передвинется вправо, или труба 11 останется в первоначальном положении.

Я в этом абсолютно  уверен.

    Тем более, при выполнении трубы 11 с соплом 14 (сопло как на фиг.1), ее газами просто отбросит вправо, т.к. Р'₂>Р'₃ - потому что Р_уд.ср.2 намного больше Р_уд.ср.3. А при установке цилиндра 10 на своих роликах, цилиндр 10 под действием сил Р₁ отбросит влево, а трубу 11 - с меньшей силой отодвинет вправо. В принципе, -«какое трубе (или двигателю по фиг.1,2) дело» (ее положению) - сколько газов из нее вылетают и с какой скоростью.

    Почему  же тогда на практике камера двигателя  выполняется по фиг.1 (фиг.2), а не применяется труба 11 - вроде бы в трубе не создается тормозящая сила Р'₂. Да только потому, что в камере по фиг.1 при равнозначности сгорания топлива создается Р_уд.₁ намного превышающее Р_уд.1 в трубе 11 за счет «замкнутости» газов в камере сгорания, при применении «горловины» сопла указанного на фиг.1, зона 4(d).

    Особенно  это сказывается на величине Р*Т - основной характеристике двигателя. 

    Значит, на тягу двигателя работает только давление газов и в камере и в сопле. И это согласуется с природой. В природе нет никакого аналогичного «реактивного движения», а есть только абсолютные(изначальные, отправные, базисные, исходные, первородные…) величины: давление, вес и т. д.

    Ведь  было же раньше даже такое утверждение  некоторых инженеров, что ракета в безвоздушном пространстве не полетит, т.к. дескать, газам не от чего будет отталкиваться.

    По  моему мнению, теория «реактивного движения» чисто надуманная и  в ней (основные понятия - базы) все поставлено «с ног на голову», т.к. базисом для создания тяги двигателя является давление газов, а не их истечение из двигателя, что является только следствием этого давления.

    И если исходить из этого,  можно сделать правильные выводы, которые (возможно) помогут при конструировании двигателей прямого действия:

    1. Форма камеры сгорания и ее габариты должны обеспечивать максимальное значение Р₁*Т и минимальное значение Р'₂*Т. Форма сопла - для большего Р'₃*Т. Т.е надо работать над формами частей камеры сгорания: где образуется Р₁ (даже, как и куда подавать топливо и окислитель); где образуется Р₂; работать над формой сопла для создания максимальной Р'₃ (вроде бы надо увеличить угол α, но с его увеличением уменьшится Р_уд.ср.3 - т.е. подходить к этому разумно). Или выяснить, как влияет длина камеры сгорания на тягу.

    Или, к примеру, ракетный двигатель (все-таки, в ракете наибольшее приращение ее скорости происходит в безвоздушном пространстве), согласно представленному мной утверждению, должен выглядеть схематически по фиг.4,5. Он содержит следующие основные детали: 1 - цилиндр, переходящий в правой части в конус; 2 -передняя стенка; 3 -ребра жесткости; 4- труба для подачи горючего; 5- труба для подачи окислителя; 6-центральная несущая труба на которой крепится конус 7, переходящий в обратный конус 8; 9-спицы-пластины, обтекаемой формы; 10- поверхность сопла. 

    В двигателе образованы камеры: 11 - камера сгорания; 12- сопло; 13-горловина сопла. Или горловина сопла может быть выполнена для повышения Р_уд.1, как показано штриховой линией 14.

    Существенные  отличия двигателя по фиг. 4,5 от двигателя  по фиг. 1 следующие:

    1) При одинаковой площади горловины сопла Р'₂ будет (по фиг.4) меньше, чем Р'₂ по фиг.1, т.к. при наибольшей площади S₂ по фиг.4 удельное давление газов у горловины сопла будет намного меньше, чем около трубы 6.

    А у двигателя по фиг.1 при наибольшей площади S₂ получается и наибольшее удельное давление газов (Р_уд.₂), а значит и наибольшее значение

    P_уд.2 * S₂ .  

    2) Сила Р'₃ у двигателя по фиг.4 будет намного больше (при равной длине сопла и равных углах α), чем у двигателя по фиг.1, т.к. площадь поверхности 10 намного больше площади поверхности сопла по фиг.1.

      3) В двигателе по фиг.4 появляется (для тяги) еще сила Р'₄.

Значит: Р*Т=(Р,+Р'₃+Р'₄-Р'2) *Т (4)

    В двигателе по фиг.4 вместо спиц 9 можно  установить рули поворота, оси которых будут служить в качестве спиц или сами рули поворота выполняют функцию спиц.

    Можно в сопле 12 около спиц 9 установить турбину, а на трубе 6 - компрессор, кинематически связанный через центральный вал с турбиной.

    Компрессор  будет нагнетать в камеру сгорания (около стенки 2) топливо и окислитель. Это чертежами не показано, т.к. ясно из описания и конструктивно легко выполнимо (опыт в мировой практике имеется при проектировании ПРД с турбонаддувом). При применении турбины повысится Р_уд.₃ и Р_уд.₄.

    2. Введением в двигатель различных  агрегатов и устройств можно  повысить его тягу.

    К примеру, как указывалось выше, применять  то, что уже применяется в самолетных реактивных двигателях - турбонаддув, который к тому же повышает эффективность сгорания топлива, - значит, повышает Р_уд.1; повышает скорость истечения газов, а значит, понижает Р_уд.2 и т.д.

    3. Нужна не масса газов, а способность  топлива при его сгорании развивать максимальное удельное давление и поддерживать это давление в течение длительного времени. Поэтому, может быть надо применять в качестве топлива и окислителя для ракет легкие компоненты с различными добавками для увеличения Р_уд.1 и времени его «работы»,- чтобы увеличить полезную нагрузку ракеты.

Но теперь уже при расчетах надо «работать» базовыми величинами: