työntövoima

Työntövoima on voima, joka kuvataan kvantitatiivisesti Newtonin toisessa ja kolmannessa laissa . Kun järjestelmä työntää tai kiihdyttää massaa yhteen suuntaan, kiihdytetty massa kohdistaa järjestelmään saman suuruusvoiman, mutta vastakkaiseen suuntaan. Ohjusten kohdalla työntövoima voittaa ilmanvastuksen ja painovoiman , tuottaa propulsiota ja aiheuttaa kiihtyvyyden . Erityisesti työntövoimaa käytetään parametrina suihkumoottoreiden ja rakettimoottoreiden suorituskyvylle .

Työntöyksikkö, kuten voiman yleensä, on newton (N). Joskus vanhentunutta kilopondia (kp) käytetään edelleen. Erityisesti englanninkielisissä maissa yksikkö lbs tai lbf löytyy usein lyhenteestä punta tai punta voima ( Saksan punta tai punta voima vaikutus).

Perusasiat

Suihkumoottorijärjestelmissä työntövoima on ensisijainen parametri, koska puhtailla suihkumoottoreilla suoraa tehon mittausta vetoakselilla ei voida suorittaa. Toisaalta mäntämoottoreiden ja potkuriturbiinien osalta teho on kilowateina yleinen. Mäntämoottorin tai turbiinin käyttämän potkurin merkityksellinen käyttövoima on kuitenkin syntyvä työntövoima.

PW4062 moottori, Boeing 747-400 tuottaa maksimaalisen työntövoiman n. 62100 lbf tai 276 kN lentoonlähdön aikana. Tämän työntövoiman saavuttamiseksi poltetaan kolme litraa kerosiinia sekunnissa. Todiste siitä, että moottori tosiasiallisesti tuottaa tämän työntövoiman, osoitetaan ja sertifioidaan testitelineellä valmistuksen tai korjauksen jälkeen .

VTOL voi vain ottaa pois pystysuunnassa, jos työntövoima on suurempi kuin lentokoneen paino, katso myös työntövoima-paino-suhde . 17 tonnin Hawker Siddeley Harrier z. B. 200 kN moottoristaan ​​riittää kiihdyttämään sitä pystysuunnassa. Kiinteäsiipisissä lentokoneissa työntövoiman on oltava vain murto-osa omasta painostaan, koska siipi "kantaa" toisen osan omasta painostaan. Tälle jakeelle on ominaista liukumissuhde .

Tällä hetkellä (2006) vahvin siviililentokoneiden moottori on General Electric GE90-115B , 519 kN. Koeajoissa se saavutti maks. Työntövoima 569 kN. Sitä käytetään Boeing 777-300ER -laitteeseen .

Rakettien arvot ovat noin 40 000 kN entiselle Neuvostoliiton N1: lle ja Energijalle sekä Yhdysvaltain Saturnus V: lle , 30 000 kN avaruussukkulalle tai 8800 kN Delta IV Heavy: lle .

Fyysiset perusteet

Työnnä suihkumoottoria

Työntövoima syntyy siitä, että läpi kulkenut ilmamassa kiihtyy. Tätä varten ilmaan on syötettävä kineettistä energiaa. Jos painesuuttimen aiheuttama painehäviö voidaan jättää huomioimatta, sanotaan suuttimen olevan säädetty.

Momentin säilyvyyslain mukaan moottorin nettopainoon sovelletaan seuraavaa :

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

Kanssa

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {N}}}$: Työntövoima (voima)

${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {\ mathrm {out}}}$: Poistetun ilman massavirta

${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {\ mathrm {pure}}}$: Imetyn ilman massavirta

${\ displaystyle v _ {\ mathrm {out}}}$: Poistetun ilman nopeus ( nopeus )

${\ displaystyle v _ {\ mathrm {pure}}}$: Imetyn ilman nopeus

Koska polttoaineen palaminen ja siihen liittyvä lämpötilan nousu, kaasu laajenee ja lisääntyneen tilavuuden on poistuttava suuttimen kapenevan poikkileikkauksen läpi, ilmavirran nopeus c kasvaa (lisätietoja: suihkumoottori ). Puhaltimissa ilmavirtaa kiihdyttää moottorikäyttöinen potkuri.

Koska moottorin nauha muodostaa ilmavastuksen D (lentokoneen ilmavastus voidaan jättää huomiotta), se on vähennettävä nettopainosta. Tämä tarkoittaa, että kahdella lentokoneella voi olla erilainen työntövoima, vaikka ne olisi varustettu samoilla moottoreilla (esim. A350 ja Boeing 787 ). Joten se pätee

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

Koska ilma ohenee sitä korkeammalla kun lennät, myös massavirta pienenee korkeuden kasvaessa. Joten määrität moottorin työntövoiman ISA-olosuhteissa ja sanot sitten

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

missä ilman tiheys (ρ - rho) voidaan arvioida esimerkiksi käyttämällä barometristä korkeuskaavaa .

Työnnä rakettimoottoria

Sojuz- raketin laukaisu

Rakettia liikuttaessa nopeus on erityisen tärkeä polttoaineen loppuessa.

Sillä työntövoima pulssi on voimassa (sen jälkeen, kun pulssi ): ${\ displaystyle {\ vec {F}} \ cdot \ Delta t = \ Delta {\ vec {p}}}$

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

K : työntövoima

Δ t : moottorin paloaika

Δ m : Raketin massan menetys palaneen polttoaineen häviämisen vuoksi

v _s : ulosvirtausnopeus

Huomaa: Tämä on yksi harvinaisista tapauksista perusmekaniikassa, jossa massa ei ole vakio. Tässä tapauksessa voit yksinkertaisesti määrittää rakettimoottorin suorituskyvyn ! Teholliseen ulosvirtausnopeuteen viitataan myös rakettimoottorin (massa) spesifisenä impulssina . ${\ displaystyle P = F \ cdot v_ {s}}$

Jos Propulsion (ei aina anneta, katso esim aikana työntövoiman vuonna kiinteiden raketit ), siitä seuraa, että loppunopeus kanssa ja ottaen huomioon tyhjän raketti massan ja polttoaineen massa : ${\ displaystyle F = {\ text {const.}}}$${\ displaystyle v_ {t}}$${\ displaystyle v_ {0} = 0}$${\ displaystyle m _ {\ mathrm {R}}}$${\ displaystyle m _ {\ mathrm {T}}}$

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

Lopullinen nopeus kasvaa poistonopeuden (tyypillinen arvo on 4500 m / s) ja alkuperäisen ja lopullisen massan suhteen (tyypillisesti 30: 1 - 100: 1) kanssa. Ilmanvastuksen korjaukset on otettava huomioon samalla tavalla kuin suihkumoottorin tapauksessa.

Tärkeä sovellus rakettien käyttämiseen on painovoiman kiihtymisen voittaminen . Tätä varten raketin on saavutettava pakenemisnopeus (e pakoon ). ${\ displaystyle v _ {\ mathrm {e}} \ noin 11200 \, \ mathrm {m / s}}$

Esimerkiksi kantorakettien lopullinen massa on melkein identtinen hyötykuorman kanssa, vain tämä saavuttaa tavoitekorkeuden ( hyötykuorman ollessa kyseessä ):

Ariane 5G : lentoonlähtömassa ≈750 t, hyötykuorma ≈20 t LEO , 7 t GTO, lentoonlähtövetovoima ≈12000 kN, suurin työntövoima ≈14400 kN

Työntövoima ja suorituskyky

Työntövoima on voima. Nettoteho saadaan kertomalla se liikenopeudella:

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

P : teho (teho)

F : Voima

v : nopeus (nopeus)

Pysyvän lentokoneen käynnissä oleva suihkumoottori (esim. Odottaessaan lentoonlähtövarausta) ei liiku, sen hyötyteho ja siten tehokkuus on nolla. Suorituskykyä vaaditaan kuitenkin aina mistä tahansa työntövoimasta. Tämä johtuu ilmamassoille aikayksikköä kohden syötetyistä energioista, jos oletetaan staattiset alkumassat.

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

Koska nopeudella on vain lineaarinen vaikutus työntövoimaan, suurempaa työntövoimaa voidaan tuottaa suuremmalla moottorin poikkileikkauksella ja siten suuremmilla ilmamassoilla pienemmällä teholla. Tämä selittää myös suuntauksen moottoreihin, joissa on yhä suurempi ohitussuhde ja suuremmat roottorit.

Teho P on voiman F ja liikkeen nopeuden v tulo ; se on siis määritelty voiman kerrannaiseksi nopeudella:

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

Kerroin v , ts. Suoritettavan aggregaatin liikkumisnopeus, ei ole missään nimessä vakio. Vain jos annetaan nopeus v, joka on suurempi kuin 0, työntövoima eli voima kerrottuna nopeudella, voi johtaa tehoon (suurempi kuin 0).

esimerkki 1

Matkanopeudella 900 km / h (= 250 m / s) liikennelentokoneen moottorit toimivat noin 80 prosentilla suurimmasta työntövoimasta, mikä Boeing 737: n tapauksessa on luokkaa 122 kN moottoria kohden. Sitten moottori tuottaa noin

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

Se on noin 33 000 hv.

Esimerkki 2

Eurofighter Typhoon tuo noin 180 kN työntövoiman täyden hyödyn jälkipolttimet molempien moottorien. Koko työntövoima tarvitaan noin Mach 2: n huippunopeuden saavuttamiseksi (noin 2300 km / h ≈ 639 m / s). Sitten moottorit tuottavat noin

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

Tämä vastaa suunnilleen 156000 hv: n tehoa.