itme

İtme kuvveti , Newton'un ikinci ve üçüncü yasaları tarafından nicel olarak tanımlanan bir kuvvettir . Bir sistem kütleyi bir yönde fırlattığında veya hızlandırdığında, hızlanan kütle sisteme aynı büyüklükte ancak ters yönde bir kuvvet uygular. Füze durumunda, itme üstesinden hava direncini ve yerçekimi oluşturur tahrik ve nedenleri hızlanma . Özellikle itme kuvveti, jet motorlarının ve roket motorlarının performansı için bir parametre olarak kullanılır .

Genel olarak kuvvetinki gibi itme birimi de Newton'dur (N). Bazen güncel olmayan birim kilopond (kp) hala kullanılmaktadır. Özellikle İngilizce konuşulan ülkelerde, birim lbs veya lbf genellikle pound veya pound kuvvetinin ( Alman poundu veya pound kuvvet etkisi) kısaltması olarak bulunur .

Temel bilgiler

Jet tahrik sistemlerinde itme tercih edilen parametredir, çünkü saf jet motorlarında bir tahrik şaftında doğrudan güç ölçümü mümkün değildir. Pistonlu motor motorları ve pervane türbinleri söz konusu olduğunda ise , kilovat cinsinden güç oranı yaygındır. Bununla birlikte, bir pistonlu motor veya türbin tarafından tahrik edilen bir pervaneden gelen ilgili tahrik kuvveti , üretilen itme kuvvetidir .

Boeing 747-400'ün bir PW4062 motoru, kalkış sırasında yaklaşık 62,100 lbf veya 276 kN maksimum itme kuvveti üretir. Bu itişi sağlamak için saniyede üç litre gazyağı yakılır. Bir motorun gerçekten bu itişi oluşturduğunun kanıtı, üretim veya onarımdan sonra bir test standında gösterilir ve onaylanır.

Bir VTOL yalnızca, itme kuvveti uçağın ağırlığından büyükse dikey olarak kalkabilir , ayrıca bkz . Ağırlık / ağırlık oranı . 17 tonluk bir Hawker Siddeley Harrier z. B. Motorundan gelen 200 kN onu dikey olarak hızlandırmak için yeterli. Çünkü sabit kanatlı uçaklarla, itme sadece kendi ağırlığının bir kısmı olmak zorunda kanat kendi ağırlığının diğer kısmını "taşımaktadır". Bu fraksiyon, kayma oranı ile karakterize edilir .

Şu anda (2006) en güçlü sivil uçak motoru, 519 kN ile General Electric GE90-115B'dir . Test çalışmalarında maksimum 569 kN itme gücü elde etti. Boeing 777-300ER için kullanılır .

Roket değerleri, eski Sovyet N1 ve Energija ve Amerikan Saturn V için yaklaşık 40.000 kN , Uzay Mekiği için 30.000 kN veya Delta IV Heavy için 8.800 kN'dir .

Fiziksel temeller

Jet motoruna itme

İtme, içinden geçen hava kütlesinin hızlanmasından kaynaklanır. Bunun için havaya kinetik enerji verilmesi gerekir. İtme nozulunun neden olduğu basınç kaybı ihmal edilebilirse nozulun ayarlandığı söylenir.

Momentumun korunumu yasasına göre, bir motorun net itme kuvveti için aşağıdakiler geçerlidir :

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {N}} = {\ dot {m}} _ {\ mathrm {out}} \ cdot v _ {\ mathrm {out}} - {\ dot {m}} _ {\ mathrm {saf}} \ cdot v _ {\ mathrm {saf}}}$

İle

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {N}}}$: İtme (Kuvvet)

${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {\ mathrm {çıkış}}}$: Dışarı atılan havanın kütle akış hızı

${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {\ mathrm {saf}}}$: Emilen havanın kütle akışı

${\ displaystyle v _ {\ mathrm {çıkış}}}$: Dışarı atılan havanın hızı ( hız )

${\ displaystyle v _ {\ mathrm {saf}}}$: Emilen havanın hızı

Yakıtın yanması ve buna bağlı sıcaklık artışı, gaz genişlediğinden ve artan hacmin nozülün daralmış kesitinden çıkması gerektiğinden , hava akışının c hızı artar (daha fazla ayrıntı için bakınız: jet motoru ) . Fan tabancalarında, hava akışı, güçlendirilmiş bir pervane tarafından hızlandırılır.

Motor naseli bir hava direnci D oluşturduğundan (uçağın hava direnci ihmal edilebilir), bu net itme kuvvetinden çıkarılmalıdır. Bu, aynı motorlara sahip olsalar bile iki uçağın farklı itiş gücüne sahip olabileceği anlamına gelir (örneğin A350 ve Boeing 787 ). Yani geçerli

${\ displaystyle F = F _ {\ mathrm {N}} -D}$

Hava ne kadar yükseğe uçarsanız o kadar inceldiğinden, irtifa arttıkça kütle akışı da azalır. Yani ISA koşulları altında bir motor itme kuvveti tanımlarsınız ve sonra

${\ displaystyle F = F _ {\ mathrm {ISA}} \ cdot \ sol ({\ frac {\ rho} {\ rho _ {\ mathrm {ISA}}}} \ sağ) ^ {0 {,} 85} }$

hava yoğunluğu (ρ - rho) , örneğin, barometrik yükseklik formülü kullanılarak tahmin edilebilir.

Roket motoruna itme

A başlatın Soyuz roketi

Bir roketi hareket ettirirken , yakıt tükendiğinde hız özellikle önemlidir.

İtme darbesi için geçerlidir ( nabız hızından sonra ): ${\ displaystyle {\ vec {F}} \ cdot \ Delta t = \ Delta {\ vec {p}}}$

${\ displaystyle F \ cdot \ Delta t = \ Delta m \ cdot v_ {s}}$

Q : itme kuvveti

Δ t : motor yanma süresi

Δ m : Yanmış yakıtın kaybı nedeniyle roketin kütle kaybı

v _s : çıkış hızı

Not: Bu, temel mekaniğin kütlenin sabit olmadığı nadir durumlardan biridir. Bu durumda roket motorunun performansını belirlemek de kolaydır ! Etkili çıkış hızı, aynı zamanda roket motorunun (kütle) özel itkisi olarak adlandırılır . ${\ displaystyle P = F \ cdot v_ {s}}$

Tahrik ederse (her zaman verilmemiş, ör itme kuvvetinin seyri bakınız katı roket , nihai hız için aşağıdaki) ile ve dikkate boş roket kütlesi alarak ve yakıt kütlesini : ${\ displaystyle F = {\ text {sabit}}}$${\ displaystyle v_ {t}}$${\ displaystyle v_ {0} = 0}$${\ displaystyle m _ {\ mathrm {R}}}$${\ displaystyle m _ {\ mathrm {T}}}$

${\ displaystyle v_ {t} = v _ {\ mathrm {s}} \ cdot \ ln {\ frac {m _ {\ mathrm {R}} + m _ {\ mathrm {T}}} {m _ {\ mathrm {R}}}}}$ ( Temel roket denklemi )

Son hız, fırlatma hızı (tipik değer 4500 m / s'dir) ve başlangıç ​​/ son kütle oranı (tipik olarak 30: 1 ila 100: 1) ile artar. Hava direnci için düzeltmeler, jet motorunun durumuna benzer şekilde dikkate alınacaktır.

Roket itme gücü için önemli bir uygulama , yerçekimi ivmesinin üstesinden gelmektir . Bunu yapmak için, roket ulaşmalıdır kaçış hızını (e kaçış ). ${\ displaystyle v _ {\ mathrm {e}} \ yaklaşık 11200 \, \ mathrm {m / s}}$

Bir fırlatma aracı durumunda, örneğin, nihai kütle neredeyse yük ile aynıdır, yalnızca bu hedef yüksekliğe ulaşır ( faydalı yük kaplaması ile ):

Ariane 5G : kalkış kütlesi ≈750 t, faydalı yük ≈20 t LEO , 7 t GTO, kalkış itme kuvveti ≈12.000 kN, maksimum itme kuvveti ≈14.400 kN

İtme ve performans

İtme bir kuvvettir. Net güç, hareket hızıyla çarpılarak elde edilir:

${\ displaystyle P = F \ cdot v}$

P : güç (Güç)

F : Kuvvet

v : hız (hız)

Sabit bir uçakta çalışan bir jet motoru (örneğin, kalkış açıklığını beklerken) hareket etmez, yararlı gücü ve dolayısıyla verimliliği sıfırdır. Bununla birlikte, herhangi bir itme için her zaman bir performans gereklidir. Bu, statik başlangıç ​​hava kütleleri varsayılırsa, zaman birimi başına hava kütlelerine sağlanan enerjilerden kaynaklanır.

${\ displaystyle P = {\ frac {\ nokta {m}} {2}} \ cdot v ^ {2}}$

Hızın itme üzerinde yalnızca doğrusal bir etkisi olduğundan, daha büyük bir motor kesiti ve dolayısıyla daha büyük hava kütleleri ile daha az güçle daha fazla itme üretilebilir. Bu aynı zamanda daha büyük baypas oranlarına ve daha büyük rotorlara sahip motorlara yönelik eğilimi de açıklamaktadır.

Güç P kuvveti ürünüdür F ve hareket hızı v ; bu nedenle kuvvetin hız ile çarpımı olarak tanımlanır:

${\ displaystyle P = F \ cdot v}$

V faktörü , yani performans gösteren bir agregatın hareket hızı hiçbir şekilde sabit değildir. Yalnızca 0'dan büyük bir v hızı verilirse, itme, yani kuvvet, hız ile çarpılırsa, güçle sonuçlanabilir (0'dan büyük).

örnek 1

900 km / sa (= 250 m / sn) seyir hızında, ticari bir uçağın motorları, Boeing 737 durumunda motor başına 122 kN düzeyindeki maksimum itme gücünün yaklaşık% 80'inde çalışır. . Sonra bir motor yaklaşık bir güç sağlar

${\ displaystyle P = (250 \ \ mathrm {m / s} \ cdot 122 \ \ mathrm {kN} \ cdot 0 {,} 8) \ yaklaşık 24 \ \ mathrm {MW}}$

Bu yaklaşık 33.000 hp.

Örnek 2

Eurofighter Typhoon her iki motorun afterburner tam kullanımı ile itiş 180 kN beraberinde getirir. Mach 2 (yaklaşık 2.300 km / s ≈ 639 m / s) olan en yüksek hıza ulaşmak için tam itme gereklidir. Daha sonra motorlar yaklaşık bir güç sağlar

${\ displaystyle P = (639 \ \ mathrm {m / s} \ cdot 180 \ \ mathrm {kN}) \ yaklaşık 115 \ \ mathrm {MW}}$

Bu, kabaca 156.000 hp güce karşılık gelir.