Ньютон тяги
Ньютон — сила, которая за секунду разгоняет килограмм на метр в секунду. Яблоко весом около 100 граммов давит на ладонь с силой в один ньютон. Ракетный двигатель выбрасывает сотни килограммов газа в секунду со скоростью 3–4 km/s и получает тягу в миллионы ньютонов — меганьютоны.
Тяга состоит из двух слагаемых: импульса струи ṁ·vₑ и разницы давлений на срезе сопла. Поэтому один и тот же двигатель у земли тянет слабее, чем в пустоте, а форма сопла решает, где он работает лучше. Ракета взлетает, только если тяга больше веса; их отношение — тяговооружённость.
| Обозначение | N · kN · MN · по-русски Н |
| Определение | 1 N = 1 kg·m/s² — по второму закону Ньютона F = ma |
| Тяга | F = ṁ·vₑ + (pₑ − pₐ)·Aₑ |
| Старые единицы | 1 kgf = 9,80665 N · 1 tf = 9,807 kN · 1 lbf = 4,448 N |
| Взлёт | тяговооружённость F / mg больше 1 · у ракет на старте 1,2–1,6 |
| Типичные значения | яблоко — 1 N · авиадвигатель — сотни kN · ЖРД — около 2 MN · тяжёлая ракета — 30–70 MN |
01 · Определение
Сила, импульс струи и давление на срезе
Второй закон Ньютона: сила равна массе, умноженной на ускорение. Ньютон — сила, при которой килограмм получает ускорение 1 m/s². Двигатель отталкивается от собственной струи: каждую секунду выбрасывает массу ṁ со скоростью vₑ и получает силу ṁ·vₑ — по третьему закону.
Второе слагаемое — давление. Если газ на срезе сопла давит сильнее воздуха, он ещё толкает; если слабее, воздух поджимает струю и отнимает тягу. Длинное сопло разгоняет газ сильнее и хорошо работает в пустоте, но у земли проигрывает. Короткое — наоборот. Удельный импульс Isp — тяга на вес расходуемого топлива в секунду, в секундах: чем он выше, тем экономнее двигатель.
Сколько ньютонов нужно, чтобы взлететь
Выберите, что поднимать, и задайте тягу — шкала логарифмическая, от 0,1 N до 100 MN. Вес — сила тяжести mg. Взлёт — когда тяга больше веса.
Гараж: соберите ракету из деталей
Ракета стоит в монтажном цехе. Каждая деталь меняет массу, сопротивление воздуха и тягу: обтекатель — форму носа, фюзеляж — диаметр баков и сколько двигателей поместится, оперение — устойчивость на max-Q, двигатель и сопло — тягу и удельный импульс. Деталь, которую меняли последней, подсвечена. Справа — масса по частям, тяговооружённость и запас скорости. Когда ракета готова — «Вывезти на старт».
Соберите ракету — и посмотрите, взлетит ли
Ракету собирают в гараже выше: обтекатель, фюзеляж, оперение, двигатели, сопло, топливо и нагрузка. На стол выезжает то, что собрано. Главное действие — «Старт»: обратный отсчёт, зажигание, отрыв, звуковой барьер, максимальный скоростной напор, выключение двигателей и полёт по инерции до верхней точки. В гараже можно добавить вторую ступень и включить «Разворот на орбиту»: после отрыва ракета ложится к горизонту, первая ступень отделяется, вторая набирает около 7,8 km/s вбок — и если перигей выше 160 km, ракета на орбите. Без разворота полёт вертикальный, как у геофизической ракеты. Первые секунды идут медленно, дальше полёт ускорен; ползунок под сценой перематывает его. Справа — сопло в разрезе: давление на срезе против давления за бортом, от них зависит форма струи и тяга.
—
02 · Пересчёт
| {n} | {v} | {note} |
Быстрый счёт: тонна-сила — почти 10 kN, сто тонн тяги — около 1 MN. Точнее — умножить на 9,807.
Американские двигатели часто описывают в фунтах-силы: миллион lbf — 4,45 MN.
03 · Порядки величин
04 · Приборы измерения
05 · Правила записи
06 · Соседние единицы
07 · Исторический раздел
Ньютон — производная единица СИ: килограмм, метр и секунда. С 2019 года килограмм задан через постоянную Планка, и ньютон опирается на неё же. Эталоны силы — машины, которые нагружают датчик известными гирями в известном поле тяжести; крупнейшие держат несколько меганьютонов.
Тяга ракетного двигателя — не паспортная константа. Она зависит от давления за бортом, поэтому в характеристиках пишут две цифры: у уровня моря и в пустоте. Старые справочники давали тягу в тоннах-силы; по ГОСТ 8.417 это внесистемная единица, её переводят в ньютоны умножением на 9 807.
Каталог величин
весь указатель →Семь основных единиц СИ
Капля кислоты меняет цвет сока, соль красит пламя, вода замерзает от стука. Под ними — все листы Simetrium по дисциплинам и по алфавиту.
Открыть указатель →