Физика. Мощность и КПД реактивного ракетного двигателя

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.

Хотел бы обратить внимание любителей и знатоков физики на вот этот пост моего постоянного оппонента Юлии.

Первая часть никакого интереса, разумеется, не вызывает, а вот вторая…

Итак берем учебник и читаем, чем же определяется мощность и КПД реактивных двигателей. Сначала берем «классический учебник Мякишева-Буховцева-Сотского, 2014 год. Читаем:

То есть мощность любого двигателя определяет, прежде всего ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ этого самого двигателя. И, согласно учебника Мякишева-Буховцева-Сотского, эта производительность зависит от создаваемой этим двигателем силы F и, что самое удивительное, от скорости движения машины (ракеты), в которой этот самый двигатель установлен. При этом ничего не говорится насчёт того, относительно чего эта скорость должна быть измерена – а, как мы знаем, согласно этого же учебника, все ИСО (инерциальные системы отсчёта) – равноправны.

В английских школьных учебниках по физике, если вам интересно, пишут точно такте же глупости, вот:

Надеюсь, не надо переводить? То есть глупости, которые пишут в учебниках физики – это не только российская проблема. Это общечеловеческая проблема.

Однако сама Юлия, как видно, основательно подзабывшая то, чему её учили в школе и в вузе, поясняет:

Подсказка: [мощность и КПД] определяется конструкцией двигателя и режимом его работы, а не массой ракеты и скоростью ее движения.

Хотя, как мы видим, в школьных учебниках, в том числе и в англицких, написано совершенно другое – что мощность двигателя определяется именно СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ машины или ракеты.

Но что самое интересное – в том, что мощность и КПД ЛЮБОГО ДВИГАТЕЛЯ – хоть ДВС, хоть реактивного, хоть электрического определяется конструкцией двигателя и режимом его работы, .а вовсе не массой машины или ракеты и, тем более, не скоростью их движения, я целиком и полностью согласен с Юлией.

Как же так?

Дело тут очень постое. Юлия (как и многие-многие другие граждане) своими мозгами совершенно четко понимает истинную суть мощности и КПД, но не может избавиться от забетонированных в её головенке стереотипов, в частности от того, что «школьные учебники никогда не врут» и в «школьных учебниках написана только истина в последней инстанции» и именно поэтому она пытается совместить несовместимое – здравый смысл, который подсказывает ей, что мощность и КПД любого двигателя определяется конструкцией двигателя и режимом его работы, а не массой машины или ракеты и скоростью их движения и глупости и заблуждения, доставшиеся нам в наследство от ученых XVI – XVII веков, но которые , не подвергаясь критическому анализу, из года в год, из десятилетия в десятилетие, из столетия в столетие перекочёвывают из учебника в учебник, формируя у человечества неверное стереотипное понимание физики.

А суть проблемы значительно проще.

Давайте рассмотрим на примере реактивных двигателей. Очевидно, чем больше создаваемая каким-либо двигателем тяга, тем он мощнее. И очевидно, что чем меньше расход ракетного топлива и окислителя (то есть энергии) на создание одного ньютона тяги, одного ньютона «движущей силы», тем эффективнее этот двигатель, то есть тем выше его коэффициент полезного действия. Это и есть здравый смысл.

Как я уже отмечал, ни в одном справочнике, ни в одном нормальном учебнике вы не найдете таких параметров реактивных ракетных двигателей, как мощность и КПД. Зато в любом справочнике вы сможете найти следующие основные параметры этих двигателей – тягу и удельный импульс.

Тяга – это создаваемая двигателем реактивная сила, определяется из второго закона Ньютона Ft = mV, то есть F (тяга) = м(масса выбрасываемых газов или жидкости) * V (средняя скорость выбрасываемой массы газа или жидкости) / t (время)

В принципе, здравый смысл говорит о том, что эта величина – тяга – и есть РЕАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ реактивного двигателя. Чем больше тяга, тем мощнее двигатель – и эта мощность не зависит ни от скорости ракеты (или автомобиля, потому что реактивные двигатели устанавливают и на некоторые специфические автомобили), ни от массы этой самой ракеты или автомобиля. То есть правильная единица измерения мощности реактивного (и любого другого двигателя) – это простые ньютоны (килограмм-сила, тонна-сила и т.д.)

А на роль КПД реактивных двигателей как раз и выступает удельный импульс. Читаем Википедию.

Удельный импульс (удельная тяга), удельный импульс двигателя, объёмный удельный импульс двигателя — ряд эквивалентных, отличающихся на константу, показателей ЭФФЕКТИВНОСТИ реактивного двигателя в совокупности с используемым ракетным топливом (топливной пары, рабочего тела). Четкое терминологическое разделение данных понятий отсутствует, что может приводить к путанице.

Так вот. Удельный импульс I – это отношение тяги F к массовому или весовому расходу топлива в единицу времени. Наиболее часто встречается весовое соотношение I = F / (%m%_топлива* g), так как размерность в данном случае получается в Н/(кг/с*м/с^2), то есть вроде бы в секундах. Но я против размерности удельного импульса в секундах, и предлагаю измерять его в секундах, умноженных на ньютоны тяги / ньютоны веса того или иного топлива, так как каждое топливо имеет свою эффективность.

Давайте сравним несколько реактивных ракетных двигателей.

Тяга, а, следовательно, и удельный импульс зависят от наружного давления, поэтому будем сравнивать эти параметры при внешнем давлении в 1 атм, то есть на уровне моря

Двигатель Используемое ракетное топливо Тяга на уровне моря Удельный импульс на уровне моря

Ну, всякие глупости навроде F-1 от американского Сатурна-V, которые якобы стартовали на Луну, я рассматривать не буду, потому что это явное фуфло, как и все полёты живых пендосов на Луну.

Как мы видим, советские НК-33 и российские РД-180 и РД-191 и мощнее и эффективнее (то есть у них более высокий КПД) американского Merlin 1D+, несмотря на «плюс» в названии

Надеюсь, с мощностью и КПД реактивных ракетных двигателей мы разобрались – с точки зрения здравого смысла, отринув заблуждения ученых XVI и XVII веков, придумавших, что «работы без перемещения не бывает».

На следующем занятии давайте рассмотрим (пока поверхностно) мощность и эффективность (КПД) двигателей внутреннего сгорания – аналогично мощности и эффективности реактивных ракетных двигателей.

Предупреждаю – это будет сломка многих стереотипов, «прописных истин».

Меня часто упрекают в том, что мои теоретические «изыски» не имеют никакой практической ценности. Так вот, надеюсь, что многие мои читатели смогут получить важные для себя теоретические знания, которые помогут им именно в практическом применении своих знаний.