Реактивного движения нет!

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

Сложившаяся за последний век теория утверждает о том, что реактивная тяга, к примеру, в ракетных двигателях, возникает от того, что газы, которые образуются при сгорании топлива в камере двигателя (см. рис.1), вылетая через сопло в одном направлении (по рис.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.

Рис.1.

Т.е. существующей теорией утверждается, что базисным фактором для создания тяги двигателя являются вылетающие из сопла газы (масса и скорость — m · v). 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 в других книгах, к примеру, в книге «Основы космонавтики», М.Фертрегт, издательство «Просвещение», 1969 год (перевод с английского) на стр.141 «Реактивное сопло», и в школьных учебниках по физике, и в трудах ученых по реактивному движению.

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).

А эта сила равна  F = (Р_уд – Р_ат) · S,
где Р_уд — удельное давление газов в данном месте; Р_ат — атмосферное давление воздуха вокруг двигателя; S — площадь давления.

Значит, для двигателя по рис.1 тяга

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

Поэтому для двигателя основное уравнение

Или для безвоздушного пространства

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 F₁, форсунки для подачи топлива и окислителя надо направить от центра двигателя вдоль поверхности передней стенки камеры (на которую давит P₁) к ее цилиндру, т.к. около цилиндра будет получаться наибольшая температура газов (а значит и наибольшее P_уд.) и там же будет и максимальная площадь передней стенки камеры.

Тормозящие двигатель (уменьшающие тягу) давления P_уд.2 будут еще более неравномерны в разных зонах камеры, чем P_уд.1.

В зоне 1 по рис.1 Р_уд.2 будет максимальным (и площадь давления тоже максимальная). А в зоне 3 Р_уд.2 будет минимальным (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 F'₂.

Аналогично газы работают и в сопле — в зонах 5,6,7. При работе двигателя в атмосфере (Р_ат=1 атм.) сопло по рис.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 рис.2. В безвоздушном пространстве сопло по рис.1 создает большую тягу, чем в атмосфере, а значит и тяга двигателя по рис.1 в безвоздушном пространстве больше его тяги при работе в атмосфере.

Рис.2.

Как же увеличить Р_уд.3? К примеру, устанавливать плиту 8 на старте ракеты может и надо, а может и нет. При ее установке 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 синус их угла наклона, можно получить рассчетами 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.

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 рис.1, а никакой реактивной силы от вылетающих газов нет, можно доказать на следующем примере — см. рис.3.

Рис.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. Этих роликов 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. рис.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 рис.1,2) дело» (ее положению) — сколько газов из нее вылетают и с какой скоростью.

Почему же тогда на практике камера двигателя выполняется по рис.1 (рис.2), а не применяется труба 11 — вроде бы в трубе не создается тормозящая сила Р'₂. Да только потому, что в камере по рис.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 рис.1, зона 4(d).

Особенно это сказывается на величине F · T — 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. там, дескать, газам не от чего будет отталкиваться.

По моему мнению, теория «реактивного движения» является надуманной и в ней все основные понятия (базы) поставлены «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.

Рис.4.

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 рис.4. 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 на рис.4 от двигателя на рис.1 следующие:

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

А у двигателя на рис.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 на рис.4 будет намного больше (при равной длине сопла и равных углах α), чем у двигателя на рис.1, т.к. площадь поверхности 10 намного больше площади поверхности сопла на рис.1.

3) В двигателе на рис.4 появляется (для тяги) еще сила Р'₄.

Значит: Р · Т = (Р + Р'₃ + Р'₄ – Р'₂) · Т (4).

В двигателе на рис.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 (подобный 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 использовать больше базовых величин: Р_уд.1, Р_уд.2, Р_уд.3, Р_уд.4 и S₁, S₂, S₃, S₄.

А разработанные под существующую теорию реактивного движения различными авторами формулы для определения тяги как бы и отражают реальную ее величину, но в эти формулы, выведенные на косвенных параметрах (к примеру, m·v), введены различные эмпирические коэффициенты, «добытые», как правило, опытным путем во время многих испытаний двигателей.

В заключение хочу добавить то, что в двигателях прямого действия тяга создается в том направлении — куда действуют наибольшие силы, создаваемые от давления газов на поверхности стенок камеры сгорания и поверхности сопла, а истечение газов из сопла на тягу двигателя напрямую (через какое-то реактивное воздействие) не влияет. Если через «горловину» сопла истекают газы — то значит, площадь горловины не участвует в создании в двигателе силы, противоположной тяге, и среднее удельное давление на заднюю стенку камеры сгорания меньше среднего удельного давления на переднюю стенку из-за ускоряющегося истечения газов. А на переднюю стенку камеры сгорания газы давят на всей ее поверхности, и с наибольшим удельным давлением. А реактивное движение по причине истекающих из сопла газов, это, на мой взгляд, надуманная теория.

Выношу эти свои размышления для обсуждения.

Специалистам-двигателистам конечно трудно будет переосмыслить существующую теорию, т.к. в нашем сознании всегда играет большой фактор: «принцип колеи». Но согласитесь, сама реакция (на силу) не создает никакого движения, а движение создает только сила, приложенная к телу...

♦