Реактивная тяга общая

Реакти́вная тя́га — сила, возникающая при истечении рабочего тела из реактивного двигателя или иного устройства и направленная в сторону, противоположную движению реактивной струи. В технической литературе реактивная тяга рассматривается как сила реакции струи газа, жидкости, плазмы или другого рабочего тела, ускоряемого и выбрасываемого из двигателя.

В Большой советской энциклопедии реактивная тяга определяется как реактивная сила, или сила реакции струи газов либо другого рабочего тела, вытекающего из сопла реактивного двигателя. Такая сила является равнодействующей сил давления рабочего тела на ограничивающие его рабочие поверхности двигателя и направлена вдоль оси сопла в сторону, противоположную скорости истечения рабочего тела.

В Большой российской энциклопедии реактивный двигатель описывается как двигатель, создающий силу тяги за счёт преобразования энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Величина тяги связывается с массовым расходом рабочего тела, скоростью истечения, площадью выходного сечения сопла и разностью давлений на срезе сопла и во внешней среде.

Физической основой реактивной тяги является закон сохранения импульса. Если система выбрасывает часть своей массы в одном направлении, оставшаяся часть системы получает импульс в противоположном направлении. Поэтому реактивная тяга не требует неподвижной опоры и может создаваться в вакууме.

В Международной системе единиц реактивная тяга, как и любая сила, измеряется в ньютонах:

$1\ {\text{Н}}=1\ {\text{кг}}\cdot {\text{м}}/{\text{с}}^{2}.$

В отечественной ракетно-технической литературе тяга двигателя часто обозначается буквой $P$; в современной международной записи также используются обозначения $T$ и $F$.

Физическая сущность

Реактивная тяга возникает вследствие взаимодействия двигателя с ускоряемым рабочим телом. Внутри двигателя рабочее тело получает энергию, ускоряется и покидает двигатель в виде струи. При этом рабочее тело приобретает импульс в направлении истечения, а двигатель и связанный с ним аппарат получают импульс в противоположном направлении.

В классической механике импульс системы материальных точек выражается через сумму импульсов отдельных частиц, а для замкнутой системы сохраняется при движении. Поэтому выброс рабочего тела в одну сторону сопровождается изменением импульса аппарата в противоположном направлении.

Файл:RocketThrust.jpg

Направление реактивной тяги в реактивном двигателе показано красной стрелкой

В простейшей схеме реактивную тягу рассматривают как силу реакции отделяющихся частиц рабочего тела. Её направление противоположно направлению скорости истечения струи. В инженерных расчётах линию действия тяги обычно связывают с осью сопла, а условной точкой приложения считают область центра среза сопла. В реальном двигателе тяга является равнодействующей распределённых сил давления и трения, действующих со стороны рабочего тела на внутренние поверхности камеры, сопла и других элементов двигателя.

Распространённое представление о том, что реактивный двигатель «отталкивается от воздуха», неверно для ракетного двигателя. Ракета создаёт тягу за счёт взаимодействия с собственным рабочим телом и поэтому способна работать вне атмосферы. Воздушно-реактивный двигатель, напротив, использует атмосферный воздух как часть рабочего тела и поэтому зависит от параметров окружающей среды.

Рабочее тело

Рабочее тело в реактивном двигателе — это вещество, которому двигатель сообщает импульс и которое затем покидает двигатель или движитель. Через рабочее тело энергия двигателя преобразуется в кинетическую энергию струи.

В химическом ракетном двигателе рабочим телом являются продукты сгорания топлива. В воздушно-реактивном двигателе рабочим телом является поток воздуха и продуктов сгорания топлива. В ионном и других электроракетных двигателях рабочим телом могут быть ускоренные ионы, плазма или поток заряженных частиц. В водомётном движителе рабочим телом является вода.

Характер рабочего тела и способ его ускорения определяют тип двигателя, величину тяги, удельный импульс, энергетические требования и область применения. Химические двигатели обычно создают большую тягу при сравнительно ограниченной эффективной скорости истечения. Электрореактивные двигатели, напротив, обычно создают малую тягу, но могут обладать большой эффективной скоростью истечения и высоким удельным импульсом.

Реактивное движение

Реактивное движение — движение тела, возникающее вследствие отделения от него части массы. В технике реактивное движение используется в ракетах, реактивных самолётах, водомётных движителях, двигателях ориентации космических аппаратов и других системах.

В простейшем случае до начала работы двигателя суммарный импульс системы «аппарат — рабочее тело» может быть равен нулю. После выброса рабочего тела импульсы аппарата и струи направлены противоположно, а их сумма сохраняется. Если внешними силами пренебречь, изменение импульса аппарата равно по модулю и противоположно по направлению изменению импульса выброшенного вещества.

Реактивное движение в природе

Реактивное движение встречается не только в технике. У ряда водных животных перемещение осуществляется за счёт выбрасывания воды: такой принцип характерен для кальмаров, осьминогов, каракатиц, медуз и некоторых других организмов. При выбросе воды назад тело животного получает импульс в противоположном направлении.

Среди растений часто приводится пример бешеного огурца: при созревании плод отделяется от плодоножки и выбрасывает жидкость с семенами; возникающий при этом импульс сообщает плоду движение в сторону, противоположную выбросу жидкости.

Величина реактивной тяги

Для замкнутой системы, состоящей из аппарата и выбрасываемого рабочего тела, суммарный импульс сохраняется. Поэтому изменение импульса аппарата компенсируется противоположно направленным изменением импульса струи. В простейшем приближении, когда внешними силами можно пренебречь, реактивная сила может быть записана как:

${\vec {F}}_{p}=-{\vec {u}}\,{\frac {\Delta m_{t}}{\Delta t}},$

где ${\vec {F}}_{p}$ — реактивная сила, ${\vec {u}}$ — скорость истечения рабочего тела относительно аппарата, $\Delta m_{t}/\Delta t$ — массовый расход рабочего тела. Знак минус отражает противоположность направлений скорости истечения и реактивной силы.

Если масса аппарата равна $m_{p}$, а его ускорение равно ${\vec {a}}$, то в отсутствие внешних сил можно записать:

$m_{p}{\vec {a}}=-{\vec {u}}\,{\frac {\Delta m_{t}}{\Delta t}}.$

Эта формула показывает, что при заданной скорости истечения величина реактивной силы определяется главным образом массовым расходом рабочего тела. Однако для реального двигателя на тягу влияют также давление на срезе сопла, внешнее давление, режим работы камеры, состав рабочего тела, степень расширения сопла и потери в реальном течении.

Уравнение Мещерского

 → Уравнение Мещерского

Для тела переменной массы движение нельзя во всех случаях описывать обычной формой второго закона Ньютона для тела постоянной массы. Если к телу присоединяются или от него отделяются частицы, уравнение движения включает реактивное слагаемое.

В одной из форм уравнение движения точки переменной массы может быть записано как:

$M{\dot {v}}=mw+\sum P_{i},$

где $M$ — текущая масса, ${\dot {v}}$ — ускорение, $m$ — секундный массовый расход отделяющейся массы, $w$ — относительная скорость истечения, а $\sum P_{i}$ — сумма внешних сил. Слагаемое $mw$ соответствует реактивной силе, обусловленной изменением массы системы.

Если обозначить внешнюю силу как ${\vec {F}}$, а реактивную силу как ${\vec {F}}_{p}$, то движение может быть представлено в виде:

$m_{p}{\frac {\Delta {\vec {v}}}{\Delta t}}={\vec {F}}+{\vec {F}}_{p},$

или:

${\vec {a}}={\frac {{\vec {F}}+{\vec {F}}_{p}}{m_{p}}}.$

Эта форма подчёркивает, что ускорение тела переменной массы определяется как внешними силами, так и реактивной силой, возникающей при отделении рабочего тела.

Реактивная тяга и формула Циолковского

 → Формула Циолковского

Реактивная тяга определяет мгновенное силовое воздействие двигателя на аппарат, однако конечное изменение скорости ракеты зависит не только от величины тяги, но и от скорости истечения рабочего тела и отношения начальной и конечной масс. Эту связь выражает формула Циолковского, или основное уравнение идеального ракетного движения.

В простейшем случае движения ракеты в отсутствие внешних сил и потерь приращение скорости определяется выражением:

$\Delta v=w_{e}\ln {\frac {M_{0}}{M_{f}}},$

где $\Delta v$ — идеальное приращение скорости, $w_{e}$ — эффективная скорость истечения рабочего тела, $M_{0}$ — начальная масса ракеты, $M_{f}$ — конечная масса после выработки топлива.

Формула Циолковского показывает, что достижимое приращение скорости растёт с увеличением эффективной скорости истечения и с увеличением отношения начальной массы к конечной. Поэтому высокий удельный импульс двигателя позволяет уменьшить требуемую массу топлива для заданного манёвра. В учебнике Сердюка влияние удельного импульса на параметры ракеты-носителя связывается именно с формулой Циолковского: с ростом удельного импульса уменьшается потребный запас топлива, что может снижать габариты ракеты, нагрузки и массу конструкции.

Из формулы Циолковского следует, что большая тяга и высокий удельный импульс являются разными характеристиками двигателя. Большая тяга обеспечивает высокое ускорение и необходима, например, для старта с поверхности Земли. Высокий удельный импульс характеризует эффективность расходования рабочего тела и особенно важен для верхних ступеней, разгонных блоков и межорбитальных перелётов.

В реальном полёте идеальное приращение скорости уменьшается из-за гравитационных, аэродинамических и управляющих потерь, а также из-за неидеальности работы двигателя. Поэтому при проектировании ракет формула Циолковского используется совместно с расчётом траектории, тяговооружённости, высотных характеристик двигателя и массовой структуры ракеты.

Тяга ракетного двигателя

В ракетном двигателе реактивная тяга создаётся ускорением рабочего тела и его истечением через сопло. В отличие от воздушно-реактивного двигателя, ракета несёт рабочее тело или компоненты для его образования на борту, поэтому может создавать тягу вне атмосферы.

Для ракетного двигателя тяга складывается из скоростной и давленческой составляющих:

$P=mw_{a}+S_{a}(p_{a}-p_{h}).$

Здесь $P$ — тяга двигателя на высоте $h$, $m$ — секундный массовый расход рабочего тела, $w_{a}$ — скорость истечения через выходное сечение сопла, $S_{a}$ — площадь выходного сечения сопла, $p_{a}$ — давление газа на срезе сопла, $p_{h}$ — давление окружающей среды на высоте $h$.

В современной международной записи та же зависимость часто записывается как:

$T={\dot {m}}v_{e}+(p_{e}-p_{a})A_{e},$

где $T$ — тяга, ${\dot {m}}$ — массовый расход продуктов истечения, $v_{e}$ — скорость истечения, $p_{e}$ — давление на срезе сопла, $p_{a}$ — давление окружающей среды, $A_{e}$ — площадь выходного сечения сопла. Эта форма эквивалентна отечественной записи и также показывает разделение тяги на импульсную и давленческую составляющие.

Первое слагаемое формулы характеризует перенос импульса выбрасываемым рабочим телом. Второе слагаемое учитывает разность между давлением газа на срезе сопла и внешним давлением. Если давление на срезе сопла равно внешнему давлению, давленческая составляющая равна нулю. Если давление на срезе больше внешнего, она увеличивает тягу; если меньше — уменьшает её.

В учебной литературе по жидкостным ракетным двигателям расчёт тяги рассматривается вместе с термогазодинамическими процессами в камере сгорания и сопле, выбором расхода рабочего тела, профилированием сопла, определением давления на срезе и расчётом высотных характеристик двигателя.

Способы ускорения рабочего тела и сопло

Реактивная тяга возникает не только из-за наличия рабочего тела, но и вследствие его ускорения. Чем больше скорость истечения рабочего тела и массовый расход, тем больше импульс, передаваемый струе и, соответственно, аппарату в противоположном направлении. В разных типах реактивных двигателей ускорение рабочего тела создаётся различными способами: газодинамическим расширением в сопле, нагревом газа, химическим сгоранием, механическим разгоном жидкости или газа, а также электрическими и электромагнитными полями.

В химических ракетных двигателях основным способом ускорения рабочего тела является газодинамическое расширение продуктов сгорания. В камере сгорания создаются высокие давление и температура, после чего газ истекает через сопло. При этом часть внутренней энергии газа преобразуется в кинетическую энергию направленной струи. Скорость истечения зависит от температуры в камере, давления, состава продуктов сгорания, средней молекулярной массы газа, показателя адиабаты, степени расширения сопла и потерь в реальном течении.

Наиболее характерным устройством для такого преобразования энергии является сопло Лаваля — канал переменного сечения с сужающейся и расширяющейся частями. В сужающейся части поток ускоряется до скорости звука в минимальном, или критическом, сечении; в расширяющейся части сверхзвуковой поток продолжает ускоряться, а его давление, температура и плотность уменьшаются. Таким образом, сопло Лаваля является частным случаем газодинамического способа ускорения рабочего тела с использованием специально выбранной геометрии канала.

Геометрия сопла не является самостоятельным источником энергии: она задаёт условия, при которых запас внутренней энергии газа наиболее полно переходит в кинетическую энергию струи. Поэтому увеличение скорости истечения достигается не только формой сопла, но и параметрами рабочего процесса в камере сгорания, свойствами топлива, составом газа и режимом расширения.

Одним из основных параметров сопла является геометрическая степень расширения — отношение площади выходного сечения сопла к площади критического, или минимального, сечения:

$\varepsilon ={\frac {F_{a}}{F_{*}}},$

где $\varepsilon$ — геометрическая степень расширения сопла, $F_{a}$ — площадь выходного сечения, $F_{*}$ — площадь критического сечения.

Увеличение степени расширения позволяет глубже расширить газ в сопле и получить большую скорость истечения в условиях малых внешних давлений. Поэтому двигатели верхних ступеней и разгонных блоков, работающие в разреженной атмосфере или вакууме, обычно имеют сопла с большей степенью расширения, чем двигатели первых ступеней.

Вместе с тем чрезмерное расширение сопла у поверхности Земли может привести к перерасширению газа: давление на срезе сопла становится ниже атмосферного. В этом случае внешнее давление уменьшает тягу, а в сопле могут возникать ударные волны, отрыв потока и нестационарные нагрузки. При недостаточной степени расширения газ выходит из сопла с давлением выше внешнего, что соответствует недорасширению и означает неполное использование перепада давления в сопле.

В идеальном изоэнтропическом приближении связь между площадью сечения и числом Маха в сопле описывается соотношением:

${\frac {F}{F_{*}}}={\frac {1}{M}}\left[{\frac {2}{k+1}}\left(1+{\frac {k-1}{2}}M^{2}\right)\right]^{\frac {k+1}{2(k-1)}},$

где $F$ — площадь рассматриваемого сечения сопла, $F_{*}$ — площадь критического сечения, $M$ — число Маха, $k$ — показатель адиабаты газа. Это соотношение показывает, что в сверхзвуковой части сопла увеличение площади канала сопровождается ростом скорости потока и числа Маха.

В ракетном двигателе сопло выполняет две связанные функции. Во-первых, оно формирует направленную струю рабочего тела, за счёт которой возникает импульсная составляющая тяги. Во-вторых, оно задаёт давление газа на срезе сопла, от которого зависит давленческая составляющая тяги:

$P=mw_{a}+S_{a}(p_{a}-p_{h}).$

Здесь $P$ — тяга двигателя на высоте $h$, $m$ — секундный массовый расход рабочего тела, $w_{a}$ — скорость истечения через выходное сечение сопла, $S_{a}$ — площадь выходного сечения сопла, $p_{a}$ — давление газа на срезе сопла, $p_{h}$ — давление окружающей среды.

К основным способам увеличения скорости истечения в химических и тепловых ракетных двигателях относятся повышение температуры рабочего тела, повышение давления в камере, выбор более энергетичной топливной пары, оптимизация соотношения компонентов топлива, снижение средней молекулярной массы продуктов сгорания, увеличение степени расширения сопла, уменьшение газодинамических и тепловых потерь, а также выбор профиля сопла, обеспечивающего более эффективное расширение газа.

Повышение температуры продуктов сгорания увеличивает запас внутренней энергии газа, который может быть преобразован в кинетическую энергию струи. Однако высокая температура сама по себе не является единственным критерием эффективности. При изменении соотношения расходов окислителя и горючего температура может возрастать, но одновременно изменяются плотность топлива, состав продуктов сгорания и их средняя молекулярная масса. Увеличение молекулярной массы продуктов сгорания снижает скорость истечения, поэтому оптимальное соотношение компонентов выбирается как компромисс между температурой, молекулярной массой, плотностью топлива, размерами баков и требованиями к ракете в целом.

Повышение давления в камере сгорания также влияет на скорость истечения и параметры сопла. При фиксированном расходе топлива оно связано с уменьшением площади критического сечения и изменением геометрических характеристик двигателя. При этом возрастают требования к прочности камеры, системе подачи компонентов, охлаждению, материалам и устойчивости рабочего процесса. Поэтому увеличение давления в камере требует согласования с конструкцией двигателя и всей двигательной установки.

Отдельным способом является тепловое ускорение рабочего тела без химического сгорания. В таких схемах рабочее тело нагревается внешним источником энергии, а затем расширяется через сопло. К этому классу относятся, например, ядерные тепловые ракетные двигатели, в которых рабочее тело нагревается в реакторе и истекает через сопло. По механизму образования тяги такие двигатели также используют реактивный принцип: энергия, сообщённая рабочему телу, преобразуется в кинетическую энергию струи.

В воздушно-реактивных двигателях ускорение рабочего тела обеспечивается сочетанием нескольких процессов: сжатия воздуха входным устройством и компрессором, подвода теплоты в камере сгорания, расширения газа в турбине и сопле, а в турбовентиляторных двигателях — также разгоном большого расхода воздуха вентилятором. В этом случае реактивная тяга создаётся изменением импульса воздушно-газового потока, а скорость истечения зависит не только от сопла, но и от работы компрессора, вентилятора, турбины и камеры сгорания.

В водомётных движителях рабочее тело ускоряется механически: насос или рабочее колесо сообщает воде энергию, после чего поток выбрасывается через направляющее устройство или сопло. Такая система также создаёт реактивную тягу, но рабочее тело берётся из окружающей среды, а не запасается на борту аппарата. По физическому смыслу тяга водомёта связана с изменением импульса выбрасываемой воды.

В электрореактивных двигателях скорость истечения повышается за счёт подвода электрической энергии к рабочему телу. В ионных двигателях заряженные частицы ускоряются электрическим полем; в холловских и плазменных двигателях важную роль играют электрические и магнитные поля, разрядные процессы и перенос заряженных частиц. Такие двигатели обычно создают малую тягу, но могут обеспечивать высокую скорость истечения и большой удельный импульс.

В плазменных двигателях рабочее тело может выбрасываться в виде плазменной струи. В ионном двигателе атомы рабочего тела ионизируются, затем ионы ускоряются электрическим полем и выбрасываются из двигателя с большой скоростью; для нейтрализации заряда струи поток ионов обычно сопровождается потоком электронов.

Таким образом, способы ускорения рабочего тела можно разделить на несколько групп: газодинамические, тепловые, химические, механические, электрические и электромагнитные. Сопло Лаваля относится к газодинамическим средствам преобразования энергии газа в кинетическую энергию струи; оно не исчерпывает все способы создания реактивной тяги, но является одним из наиболее важных устройств в химических ракетных и ряде воздушно-реактивных двигателей.

Пустотная тяга

Пустотная тяга — тяга ракетного двигателя при отсутствии внешнего атмосферного давления. Для ракетного двигателя она записывается как:

$P_{\text{п}}=mw_{a}+S_{a}p_{a}.$

Здесь $P_{\text{п}}$ — пустотная тяга. Внешнее давление в этой формуле принимается равным нулю. Поэтому пустотная тяга больше тяги у поверхности Земли при том же расходе рабочего тела и той же скорости истечения.

Связь тяги на высоте с пустотной тягой выражается формулой:

$P=P_{\text{п}}-S_{a}p_{h},$

где $p_{h}$ — внешнее давление на высоте $h$. С уменьшением атмосферного давления тяга ракетного двигателя возрастает и в пределе достигает пустотного значения.

Эффективная скорость истечения

Для удобства пустотную тягу часто записывают в виде:

$P_{\text{п}}=mw_{e},$

где $w_{e}$ — эффективная скорость истечения. Она определяется как такая скорость, при которой вся пустотная тяга выражается через массовый расход рабочего тела:

$w_{e}=w_{a}+{\frac {p_{a}S_{a}}{m}}.$

Эффективная скорость истечения включает вклад действительной скорости истечения на срезе сопла и вклад давления на срезе сопла. Поэтому она может быть больше действительной скорости истечения газа.

Удельный импульс

Удельный импульс — характеристика эффективности реактивного двигателя, показывающая, какая тяга создаётся при данном расходе рабочего тела. В отечественной литературе наряду с термином «удельный импульс» используется термин «удельная тяга».

Удельная тяга может определяться как отношение тяги к секундному весовому расходу рабочего тела:

$P_{y}={\frac {P}{G_{\text{сек}}}}={\frac {P}{mg_{0}}},$

где $P_{y}$ — удельная тяга, $P$ — тяга, $G_{\text{сек}}$ — секундный весовой расход, $m$ — секундный массовый расход, $g_{0}$ — нормальное ускорение свободного падения. В такой записи величина имеет размерность времени и обычно выражается в секундах.

В современной технической литературе также применяется запись:

$I_{sp}={\frac {T}{{\dot {m}}g_{0}}},$

где $I_{sp}$ — удельный импульс, $T$ — тяга, ${\dot {m}}$ — массовый расход рабочего тела. Произведение $I_{sp}g_{0}$ имеет размерность скорости и соответствует эффективной скорости истечения:

$c=I_{sp}g_{0}$.

Удельный импульс не равен самой тяге. Двигатель с большой тягой может иметь сравнительно невысокий удельный импульс, если расход рабочего тела велик. Напротив, электрореактивный двигатель может иметь высокий удельный импульс при малой тяге.

Полный импульс тяги

Полный импульс тяги — интеграл силы тяги по времени работы двигателя:

$I_{\Sigma }=\int _{t_{1}}^{t_{2}}T(t)\,dt.$

Здесь $I_{\Sigma }$ — полный импульс тяги, $T(t)$ — тяга как функция времени, $t_{1}$ и $t_{2}$ — моменты начала и конца работы двигателя. Если тяга постоянна, выражение упрощается:

$I_{\Sigma }=T\Delta t,$

где $\Delta t$ — время работы двигателя. Размерность полного импульса тяги — ньютон-секунда. Эта величина характеризует суммарное действие двигателя за всё время его работы.

Полный импульс используется для характеристики твердотопливных двигателей, импульсных двигателей, двигателей ориентации и двигателей коррекции.

Высотная и дроссельная характеристики

Высотная характеристика ракетного двигателя — зависимость тяги от высоты полёта. При неизменном расходе рабочего тела тяга зависит от внешнего давления:

$P=mw_{a}+S_{a}(p_{a}-p_{h}).$

С ростом высоты давление $p_{h}$ уменьшается, поэтому тяга возрастает и в пределе достигает пустотного значения.

На высотную характеристику влияет степень расширения сопла. Сопла двигателей первых ступеней ракет-носителей должны работать в плотных слоях атмосферы, поэтому их параметры выбираются с учётом стартовых условий. Сопла верхних ступеней, работающих в разреженной атмосфере или вакууме, могут иметь большую степень расширения.

Дроссельная характеристика — зависимость тяги двигателя от расхода топлива или рабочего тела. В жидкостных ракетных двигателях регулирование тяги связано с изменением расхода компонентов топлива и давления в камере. При этом меняются режим истечения через сопло, условия смесеобразования и теплообмена, поэтому допустимый диапазон дросселирования задаётся конструкцией двигателя и подтверждается испытаниями.

Воздушно-реактивная тяга

В воздушно-реактивном двигателе часть рабочего тела поступает из окружающей атмосферы. В отличие от ракеты, такой двигатель не несёт на борту весь окислитель и поэтому может работать только при наличии атмосферного воздуха.

В упрощённой форме тяга воздушно-реактивного двигателя определяется изменением импульса воздушно-газового потока:

$T={\dot {m}}_{e}v_{e}-{\dot {m}}_{0}v_{0},$

где $T$ — тяга двигателя, ${\dot {m}}_{0}$ и $v_{0}$ относятся к входящему потоку, а ${\dot {m}}_{e}$ и $v_{e}$ — к выходящему потоку. Если давление на выходе сопла отличается от внешнего, к выражению добавляется давленческая составляющая.

Для турбореактивного двигателя тяга создаётся за счёт ускорения воздушно-газового потока в компрессоре, камере сгорания, турбине и сопле. Для турбовентиляторных двигателей значительная часть тяги создаётся вентилятором, ускоряющим большую массу воздуха на сравнительно небольшую разность скоростей.

Электрореактивная и плазменная тяга

В электрореактивных двигателях рабочее тело ускоряется электрическими или электромагнитными силами. К таким двигателям относятся ионные, холловские, плазменные и другие типы двигателей.

В отличие от химических ракетных двигателей, где скорость истечения определяется главным образом тепловой энергией продуктов сгорания и газодинамическим расширением в сопле, в электроракетных двигателях энергия подводится к рабочему телу от бортовой электрической системы. Это позволяет получать большую скорость истечения и высокий удельный импульс, но обычно при малом массовом расходе и малой тяге.

Электрореактивные двигатели применяются в задачах, где допустима длительная работа двигателя: для коррекции орбит, поддержания положения спутников, межорбитальных перелётов и некоторых межпланетных миссий.

Направление тяги и управление

Поскольку реактивная тяга является векторной величиной, её направление имеет важное значение для движения и управления аппаратом. Если линия действия тяги проходит через центр масс, тяга создаёт преимущественно поступательное движение. Если линия действия не проходит через центр масс, возникает момент силы:

${\vec {M}}={\vec {r}}\times {\vec {T}},$

где ${\vec {M}}$ — момент силы, ${\vec {r}}$ — радиус-вектор от центра масс до линии действия тяги, ${\vec {T}}$ — вектор тяги.

В ракетной технике управление может осуществляться отклонением маршевого двигателя, рулевыми двигателями, газовыми рулями, аэродинамическими рулями или дифференциальным изменением тяги нескольких двигателей. При отклонении двигателя сила тяги раскладывается на продольную и поперечную составляющие; поперечная составляющая создаёт управляющий момент.

Для космических аппаратов малые двигатели ориентации и стабилизации создают не только поступательную тягу, но и моменты, необходимые для разворотов, удержания ориентации и демпфирования угловых скоростей. В таких задачах важны минимальное время включения двигателя, плечо силы, точность импульса и расход рабочего тела.

Применение

Реактивная тяга используется в технике в тех случаях, когда движение создаётся за счёт выброса рабочего тела и изменения его импульса. В зависимости от типа системы рабочее тело может находиться на борту аппарата, как в ракетных двигателях, либо забираться из окружающей среды, как в воздушно-реактивных двигателях и водомётных движителях.

Ракетная техника

В ракетной технике реактивная тяга является основным способом создания движения. Она обеспечивает старт ракеты, разгон на активном участке траектории, работу верхних ступеней и разгонных блоков. Для ракеты-носителя особенно важны величина тяги, тяговооружённость, удельный импульс, высотная характеристика двигателя, устойчивость горения и изменение тяги во времени.

На первых ступенях ракет-носителей требуется большая тяга, поскольку двигатель должен преодолеть вес ракеты, аэродинамическое сопротивление и гравитационные потери. На верхних ступенях, работающих в разреженной атмосфере или вакууме, особенно важны высокий удельный импульс, большая степень расширения сопла и эффективность работы двигателя в условиях малого внешнего давления.

Космические аппараты

На космических аппаратах реактивная тяга применяется для коррекции орбиты, ориентации, стабилизации, сближения, стыковки, схода с орбиты и межорбитальных манёвров. Для таких задач часто используются двигатели малой тяги, у которых важны не только величина тяги, но и точность дозирования импульса, минимальное время включения, ресурс и расход рабочего тела.

В отличие от ракет-носителей, где тяга обычно велика и действует сравнительно короткое время, двигательные установки космических аппаратов могут работать многократно и малыми импульсами. В электрореактивных двигателях тяга обычно мала, но длительная работа и высокий удельный импульс позволяют эффективно выполнять орбитальные коррекции и межорбитальные перелёты.

Авиация

В авиации реактивная тяга используется в турбореактивных, турбовентиляторных, прямоточных и других воздушно-реактивных двигателях. В этих двигателях рабочее тело частично или полностью формируется из атмосферного воздуха, поэтому тяга зависит от скорости полёта, высоты, температуры воздуха, режима работы компрессора, вентилятора, турбины и сопла.

В турбореактивном двигателе тяга создаётся за счёт ускорения воздушно-газового потока. В турбовентиляторных двигателях значительная часть тяги создаётся вентилятором, который ускоряет большую массу воздуха на сравнительно небольшую разность скоростей. Такая схема повышает эффективность на дозвуковых скоростях и широко применяется в гражданской авиации.

Судостроение и водомётные движители

В судостроении реактивный принцип используется в водомётных движителях. Водомёт забирает воду из окружающей среды, ускоряет её насосом или рабочим колесом и выбрасывает назад через сопло или направляющее устройство. В результате судно получает тягу в противоположном направлении.

В отличие от ракетного двигателя, водомётный движитель не несёт рабочее тело на борту: вода поступает из окружающей среды. Однако физический принцип остаётся тем же — изменение импульса выбрасываемой массы создаёт реактивную силу, действующую на корпус судна.

Электрореактивные двигатели

Электрореактивные двигатели применяются преимущественно в космической технике. Они используют электрическую энергию для ускорения рабочего тела и могут обеспечивать большую скорость истечения, чем химические двигатели. При этом их тяга обычно мала, поэтому такие двигатели не применяются для старта с поверхности Земли, но эффективны в длительных космических манёврах.

К электрореактивным двигателям относятся ионные, холловские, плазменные и другие двигатели. Их используют для коррекции орбит, поддержания положения спутников, перевода аппаратов между орбитами и некоторых межпланетных перелётов.

Природные системы

Принцип реактивного движения встречается и в природе. Некоторые водные животные, например кальмары, осьминоги, каракатицы и медузы, перемещаются за счёт выбрасывания воды. При выбросе воды назад тело животного получает импульс вперёд.

Среди растений примером реактивного движения часто называют бешеный огурец: при созревании плод отделяется от плодоножки и выбрасывает жидкость с семенами, получая движение в противоположном направлении.

Литература

• Реактивная тяга // Большая советская энциклопедия. — Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Реактивное движение // Большая советская энциклопедия. — Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Сила // Большая советская энциклопедия. — Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Циолковский К. Э. Исследование мировых пространств реактивными приборами. — Калуга, 1903.
• Ландау Л. Д.; Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том I. Механика. — 4-е изд., исправленное. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1988. — 216 с. — ISBN 5-02-013850-9.
• Феодосьев В. И. Основы техники ракетного полёта. — 2-е изд., исправленное. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981. — 496 с.
• Сердюк В. К. Проектирование средств выведения космических аппаратов / под ред. А. А. Медведева. — М.: Машиностроение; Машиностроение — Полёт, 2009. — 504 с. — ISBN 978-5-217-03441-3.
• Основы теории полёта космических аппаратов / под ред. Г. С. Нараиманова и М. К. Тихонравова. — М.: Машиностроение, 1972. — 608 с.
• Васильев А. П.; Кудрявцев В. М.; Кузнецов В. А.; Курпатенков В. Д.; Обельницкий А. М.; Поляев В. М.; Полуян Б. Я. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей / под ред. В. Н. Богомолова. — 6-е изд.. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2025. — 776 с. — ISBN 978-5-7038-6462-3.
• Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования / под ред. Д. А. Ягодникова. — 5-е изд.. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2025. — 474 с. — ISBN 978-5-7038-6515-6.
• Иванов Н. М.; Лысенко Л. Н. Баллистика и навигация космических аппаратов. — 3-е изд., перераб. и доп.. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 528 с. — ISBN 978-5-7038-4340-6.
• Бечаснов П. М. Двигательные установки космических аппаратов. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2025. — 120 с. — ISBN 978-5-7038-6440-1.
• Семенкин А. В.; Марахтанов М. К.; Ивахненко С. Г. Основы расчета электроракетных двигателей с замкнутым дрейфом электронов и вынесенной зоной разряда. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 64 с. — ISBN 978-5-7038-5288-0.
• Дорофеев А. А. Основы теории тепловых ракетных двигателей. — 3-е изд.. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 576 с. — ISBN 978-5-7038-3746-7.
• Овчинников М. Ю. Введение в динамику космического полёта. — М.: МФТИ, 2016. — 208 с. — ISBN 978-5-7417-0588-9.
• Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей / под ред. С. М. Шляхтенко. — 2-е изд., перераб. и доп.. — М.: Машиностроение, 1987. — 568 с.
• Алешкевич В. А. Курс общей физики. Книга 3. Электромагнетизм. — М.: Физматлит, 2014. — ISBN 978-5-9221-1555-1.
• Sutton G. P.; Biblarz O. Rocket Propulsion Elements. — 9th ed.. — Hoboken: Wiley, 2017. — ISBN 978-1-118-75391-0.
• Hill P. G.; Peterson C. R. Mechanics and Thermodynamics of Propulsion. — 2nd ed.. — Upper Saddle River: Prentice Hall, 1992. — ISBN 978-0-201-14659-2.

Ссылки

• Куприков М. Ю. Реактивный двигатель. Большая российская энциклопедия (2017). Проверено 30 июня 2026.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Реактивная тяга общая», расположенная по адресу: — https://ru.ruwiki.ru/wiki/Реактивная_тяга_общая Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».