Заглядывая ракетам под юбки

[gcugreyarea]

Читая Википедию, обнаружил для себя удивительный факт - у большинства самолётов тяговооружённость меньше единицы. То есть двигатели их толкают вперёд с меньшей силой, чем Земля притягивает их к себе. И тем не менее, они умудряются успешно летать

Comments

[sanitareugen]

0. Про самолёты. Работа есть сила на путь. То есть при полёте по горизонтали работа на поддержание в воздухе не производится, только на преодоление сопротивления воздуха. Поэтому сила тяги может быть существенно ниже массы самолёта, а там, где надо потратить энергию на набор высоты - делается это медленно. Сила тяги, превышающая вес, бывает у аппаратов вертикального взлёта и у особо манёвренных самолётов (и у тех обычно лишь на форсаже - Су-57 имеет взлётную массу при 100% топлива 30610 кг, максимальную 35500, а тяга двигателей 2х9500=19000, а с форсажем 2х15000=30000)

1. Снижение скорости истечения - простейший способ ухудшить двигатель. Толкает ракету не "давление под юбкой" (гусары, мааалчать!), а Закон Сохранения Импульса. Который, импульс, есть масса на скорость, равно и сила на время. То есть сила это секундный расход массы на скорость истечения. "Задержать" - уменьшить и то, и то. Всякого рода проекты "воздушного старта", ракетоплана, как первой ступени, запуска с многокилометровой эстакады и т.п. основной выигрыш

[john_jack]

Всё так, подписываюсь.

>Сила тяги, превышающая вес, бывает у аппаратов вертикального взлёта

Добавлю, что именно у аппаратов. Садящихся на задницу. А самолёты вертикально взлетают или с помощью дополнительных воздушных винтов с приводом от основного двигателя, или просто на отдельных двигателях. В горизонтальном полёте тяги у них обычно даже меньше, чем у взлетающих с разбегом.

[vashu11]

> у большинства самолётов тяговооружённость меньше единицы

Из этого можно вывести забавный рояль для попаданца.

Пусть у местных есть магический камень который дает тягу порядка процентов от своей массы на любой скорости. Казалось бы на таком не полетаешь, верно?

Крутим таким камнем винт - один мультипликатор, добавляем крылья - второй. И со знаниями можно летать.

-

> а нельзя ли использовать атмосферное давление как мультипликатор для РАКЕТНОГО двигателя

Насколько я понимаю для космических ракет это смысла не имеет - слишком велик разброс скоростей и давлений - лучшее использование воздуха это самолетный пуск.

Самолетные реактивные уже используют столько внешнего воздуха сколько даст инженер.

А для специфического случая ПуВРД смысл возникает (тут и скорость обычно постоянная и сильно меньше скорости истечения - в отличии от ПВРД, и турбины нет - внешний воздух механически не ускоришь) - гуглим pulsejet augmentor.

[ab_uno_disce]

Если магического камня под рукой все таки не окажется, можно предложить туземцам соорудить воздушного змея, дельтаплан или даже что то вроде полноценного планера с гужевым разгоном. :-)

[vanxant]

Поздравляю, вы придумали расширяющееся сопло Лаваля:) "Юбка" так и работает - давление внутри больше, чем атмосферное давление снаружи. Разница давлений создаёт силу, направленную по нормали (перпендикулярно) поверхности юбки в каждой точке. Проекция этой силы на горизонтальную ось пытается разорвать юбку изнутри, а вот на вертикальную - создаёт дополнительную тягу.

Следующий вопрос в том, насколько широкой может быть юбка. И вот здесь вы уже не додумали. При расширении реактивной струи в k раз (по площади) её давление падает в те же k раз. В какой-то момент оно станет ниже атмосферного, и начиная с этого момента юбка станет работать наоборот - т.е. тормозить ракету, а не ускорять её.

И как раз в вакууме этого не происходит, потому что забортное давление 0 и расширять можно бесконечно (но каждый следующий слой юбки становится всё тяжелее, а добавку к тяге даёт всё меньшую).

А вот первые ступени обычно стартуют с Земли с избыточным расширением процентов на 40. Это контр-интуитивно, но фактически они засасывают под юбку забортный

[vashu11]

Смешивать реактивный выхлоп с неподвижным или разогнанным по нормали (как в этом случае) воздухом бесполезно - КПД это не увеличивает, закон сохранения импульса.

Для этого надо делать как в augmentor'е перерасширенное сопло ставить в сужение еще одного сопла Лаваля, где струя смешается с уже ускоренным тангенциально атмосферным.

Перерасширенный ракетный двигатель не использует воздух для поднятия массы рабочего тела, а мирится с его существованием. Что собственно и демонстрируется ростом КПД по мере падения атмосферного давления.

В augmentor'е подмешанный воздух передает импульс аппарату через стенки дополнительного сопла, а в перерасширенном реактивном ничего передать невозможно - вверх по сверхзвуковой струе выхлопа то.

[gcugreyarea]

Собственно это главный вопрос, которым я задаюсь. Как атмосфера помогает обходить закон сохранения импульса.
Возьмём четыре тела, высота которых не меняется:
1) Стоящая на огне ракета
2) Летящий на одной высоте самолёт
3) Зависший вертолёт
4) Пришвартованный дирижабль
И как они в смысле закона сохранения импульса.
Ракета отбрасывает вниз массу постоянно.
Дирижабль не отбрасывает ничего. Он на воздухе "лежит", как книга на полке.
А самолёт и вертолёт? Они в смысле вертикального баланса масс ближе к дирижаблю или к ракете? Отбрасывают ли крылья самолёта и лопасти вертолёта достаточно воздуха и с достаточной скоростью вниз, чтобы оправдать зависание? Или это фактически форма парения?

[vashu11]

Дирижабль это закон Архимеда, статика.

-

Самолет-вертолет естественно отбрасывают воздух вниз. (крыло создает +- давление, но к чему ведет наличие давления если оно не в замкнутом сосуде? к ускорению газа) Чем больше крыло ометает воздуха, тем больше отбрасывает вниз. Чем больше скорость и/или чем больше размер крыла.

Именно поэтому чтобы летать на небольшой скорости нужны большие крылья или лопасти - смотрим самолеты/вертолеты с мускульным приводом.

-

Ракета просто отбрасывает вниз массу которую несет.

-

В аугументоре воздух предварительно разгоняется перепадом от атмосферного до пониженного давления в сужении, смешивается с выхлопом ПуВРД, получается небольшой выигрыш по тяге.

-

То что использование массы воздуха в качестве рабочего тела увеличивает эфективность это правильно, импульс турбореактивного на порядок больше голого реактивного в первую очередь за счет этого.

Проблема в том что простое смешивание не повышает импульс из за его закона сохранения, нужна поверхность на которой газ совершит работу/получит импульс. Или

[john_jack]

Ещё более удивительный факт: у планеров тяговооружённость вообще нулевая! Подъёмная сила крыла - не процент от силы тяги, она РАЗЫ от силы тяги. Аэродинамическое качество называется, с весьма любопытными таблицами. А законы сохранения не нарушаются потому, что сила - не работа, и скорость тоже не работа. Планер некоторым образом подобен именно дирижаблю - ему не даёт упасть лёгкий воздух над крылом и тяжёлый под. Только ограничен этот лёгкий воздух не тканью, а струями.

Увеличить подъёмную силу крыла закачкой под него газов - вполне рабочее решение, хотя и узкой полезности. Но проблема в целеполагании. Космической ракете не надо летать, зря расходуя тягу (и топливо!) на постоянное движение, ей надо разгоняться. Для этого выгоднее как можно быстрее проскочить плотную часть атмосферы (вертикально вверх, лишь бы не разрушиться об воздух), а дальше как можно быстрее набирать скорость в пустоте. Ракетный двигатель позволяет легко иметь тягу в разы больше веса аппарата, вон первые ракетные самолёты летали на камере и сопле размером с кулак

[gcugreyarea]

Подъёмная сила крыла - не процент от силы тяги, она РАЗЫ от силы тяги.
Вот это я для себя и открыл, весьма удивившись.

Увеличить подъёмную силу крыла закачкой под него газов - вполне рабочее решение, хотя и узкой полезности.
О, вот это меня интересовало как раз! Зачем - напишу в следующем посте.

Но проблема в целеполагании. Космической ракете не надо летать, зря расходуя тягу (и топливо!) на постоянное движение, ей надо разгоняться. Для этого выгоднее как можно быстрее проскочить плотную часть атмосферы (вертикально вверх, лишь бы не разрушиться об воздух), а дальше как можно быстрее набирать скорость в пустоте.
Это при взлёте. А при посадке? Когда топлива осталось мало, а надо не разбиться - повисеть с малой вертикальной скоростью и покрутиться, выбирая место - оно вроде как не лишнее.
Шаттлы-то садились, откровенно говоря, как утюги, а у Старшипов каждая посадка - произведение искусства ("поймай левитирующий небоскрёб другим небоскрёбом").

[john_jack]

Поздравляю с обнаружением планеров. И птиц.

Тут нюанс: большую часть подъёмной силы создаёт (внезапно) не уплотнение под крылом, но разрежение над ним. Потому дуть под крыло несколько вредно, лишняя плотность добавляет сопротивления. А на большой скорости большая часть тяги и так уходит на преодоление этого сопротивления. Потому обдув крыла актуален для тихоходных машин, и делают его чаще сверху.

При посадке крыло имеет рацию, но таскать его с собой весь остальной полёт выходит дороговато. Крыло приличной подъёмной силы большое и прочное, а значит тяжёлое. А с небольшим крылом да, имеем утюг. Ракетная посадка выгодна тем, что использует имеющиеся конструкции, расход топлива на неё много меньше мёртвой массы ракеты - а крылатый аппарат тяжелее в полтора-два раза. К тому же крутиться перед посадкой можно и без двигателей, чистым планированием.
Небоскрёбом ловят ради экономии на ногах (и потом кранах), так-то Фальконы прекрасно садились на пассивную площадку.

[m0rbid_associat]

А еще тут многое от скорости зависит
Для дозвука вполне реально получить качество в диапазоне 15-25 без ухода в какую-то экзотическую геометрию. Прямое крыло большого удлинения, при желании - концевой вихрегенератор для ослабления индуктивного вихря.

А на гиперзвуке любой ЛА стремительно превращается в утюг, и качество 2-3 уже выглядит как чудо, требующее вылизывания геометрии с десятками часов (если не сотнями) численного моделирования на суперкомпьютерах и ловли всяких хитрых эффектов вроде удержания скачков уплотнения от крыла под корпусом. С другой стороны, там начинает работать кривизна подстилающей поверхности, и качество в 1.5 уже обеспечивает дальности глиссирования в 5000-7000км и аналогичные глубины бокового маневра.

[phdnk]

Мне это напомнило ракету Гном.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BD%D0%BE%D0%BC_(%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%B0)