Motor turboreactor

Un motor cu reacție este un motor destinat propulsiei vehiculului (în mare parte aerian, dar nu exclusiv). Principiul de bază se bazează pe proiecția unui fluid ( gaz sau lichid ) într-o anumită direcție; prin reacție , acest fluid transmite apoi o împingere vehiculului în direcția opusă.

Raportul foarte favorabil greutate / putere al acestui tip de motor deschide numeroase aplicații pentru acesta în sectoarele aeronautic ( aeronave de mare viteză) și spațiu , precum și în sectoarele marine ( hidrojet ).

Propulsie cu jet

Propulsia cu jet se bazează pe principiul acțiune-reacție formulat de Isaac Newton . Acest principiu poate fi ilustrat de experimentul de gândire a doi cosmonauți care se resping reciproc în spațiu (imaginea din stânga). În acest experiment de gândire, este mai util să ne imaginăm că doar un cosmonaut asigură proiecția celuilalt (ceea ce este valabil doar pentru masa pe care o reprezintă). Conservarea impulsului sistemului global (proiector cosmonaut 1 + proiectat cosmonaut 2) implică faptul că ejectarea masei într-o direcție creează o forță în direcția opusă.
Dacă cei doi cosmonauți au aceeași masă, vor avea, după proiecție, o viteză egală în direcția opusă.
Dacă unul dintre cosmonauți este mai ușor, aceeași lege a conservării impulsului îl va face să se îndepărteze de celălalt cu o viteză mai mare (fie că aruncă, fie că aruncă).

Contrar a ceea ce se crede adesea, acest experiment spațial poate fi efectuat pe Pământ: un patinator poate împinge astfel pe altul (cei doi patinatori pot fi înlocuiți cu doi practicanți de patine cu role). Fără să folosim măcar role, dacă așezăm doi copii față în față, capetele picioarelor lor atingându-se și îi cerem unuia dintre ei să-l împingă pe celălalt foarte puternic fără să-și schimbe poziția picioarelor, el va refuza să facă acest lucru pentru că are integrat încă de la o vârstă fragedă, făcând acest lucru și el va fi propulsat înapoi. Reculul unei arme de foc este un exemplu de propulsie cu jet. Există două tipuri principale de propulsoare cu jet, în funcție de originea materialului aruncat înapoi:

• cele care proiectează un material conținut în corpul mașinii: motorul racheta , propulsia electrica ,  etc. și toate motoarele cu reacție anaerobă ( rachete de apă , baloane;
• cele care utilizează un fluid absorbit anterior de vehicul, în față și accelerat, înainte de a fi proiectat spre spate; acestea sunt diferitele tipuri de motoare cu reacție (sau mai simplu reactoare ): turbojet , ramjet , superstatorjet  ; a jeturile pot fi clasificate în acest tip de propulsie.

Exemple în natură

Multe animale se mișcă prin reacție. Putem menționa caracatița, meduza și multe bivalve precum scoicile (video opus). Propulsia păsărilor și a liliecilor este asigurată, de asemenea, prin reacție (aceste păsări proiectează aerul înapoi pentru a-și crea forța înainte); în plus, însăși susținerea lor depinde de principiul reacției (aripile lor, datorită vitezei și incidenței lor, proiectează aerul în jos).

Exemple în viața de zi cu zi

Dacă lăsăm deoparte faptul de a lua un avion cu reacție (Airbus sau Boeing, de exemplu), găsim în viața de zi cu zi exemple de obiecte care funcționează cu jeturi, cu avantajul că aceste obiecte sunt demonstrația unei reacții reci . De exemplu :

• Paiul îndoit: Când suflați într-un paie îndoit întoarsă în jos și ținut ușor cu buzele, observați că acesta crește prin reacție (animație de mai jos).
• Un balon (balon de latex) umflat cald propulsează reacția atunci când este scăpat. Cu un mic truc puteți face chiar rachete cu balon care pot zbura drept (imaginea de mai jos a unei astfel de rachete pe platforma de lansare).
• Rachetele de apă sunt, de asemenea, un exemplu de propulsie cu jet. Ele evacuează apa expulzată de presiunea aerului comprimat furnizată de o pompă pentru bicicletă sau de orice alt dispozitiv. Flyboard inventat de franceză Franky Zapata este o distracție și utilizarea comercială a principiului reacției apei (video opus).
• Legea acțiunii și a reacției poate fi dovedită (și chiar experimentată) prin practicarea experimentului cu barca Tsiolkovsky (animație de mai jos). Mai mult decât atât, toată lumea a putut observa că atunci când ne deplasăm spre partea din față a unei ambarcațiuni ușoare, această navă se deplasează în spate (proporțional cu masele implicate): simțim că fiecare dintre pașii noștri înainte trage barca înapoi ( acțiune - reacție).

• Exemple de motoare cu reacție simple

• Experiment de paie îndoită cu reacție

• Animare a experienței „barca lui Tiolkovski”

• Rachete cu balon

Analiza fizică

Propulsivă forță (numită în acest caz , forța de tracțiune ) este timpul derivat al momentului ( a doua lege a lui Newton ):

F→=d(MV→)dt=-d(mv→)dt{\ displaystyle {\ vec {F}} = {\ mathrm {d} (M {\ vec {V}}) \ over \ mathrm {d} t} = - {\ mathrm {d} (m {\ vec { v}}) \ over \ mathrm {d} t}}

sau:

• F→{\ displaystyle {\ vec {F}} \!} este vectorul de forță rezultat pe vehicul;
• M{\ displaystyle M \!}și sunt masa vehiculului și vectorul său de viteză  ;V→{\ displaystyle {\ vec {V}} \!}
• m{\ displaystyle m \!}și sunt masa expulzată și viteza acesteia;v→{\ displaystyle {\ vec {vb}} \!}
• t{\ displaystyle t \!}este timpul .

În practică, putem găsi forme simplificate ale acestei formule; de exemplu, pentru un motor de aeronavă (neglijând masa de combustibil consumată, care este foarte mică în comparație cu masa de aer agitată), devine:

FApăsați=m˙×(vIeșire-vIntrare){\ displaystyle F _ {\ text {push}} = {\ dot {m}} \ times (v _ {\ text {exit}} - v _ {\ text {entry}})}

sau:

• m˙{\ displaystyle {\ dot {m}}} este debitul masic al aerului care trece prin motor, debitul combustibilului fiind neglijabil (kg / s);
• vIeșire{\ displaystyle v _ {\ text {output}}} este viteza de ieșire a gazelor din duză (m / s);
• vIntrare{\ displaystyle v _ {\ text {entry}}} este viteza de intrare a gazelor în motor (m / s).

În ceea ce privește energia , munca oferită de forță este cu atât mai productivă cu cât viteza vehiculului este mare și cea a ejectatului scăzută (în comparație cu punctul de plecare, de la care se caută să se îndepărteze). Ființa ideală pentru ejectat să rămână nemișcată (viteza zero nu îi conferă energie cinetică și toată energia este apoi transferată vehiculului); ceea ce implică adaptarea constantă a vitezei de ejectare la cea a vehiculului. Acest lucru fiind imposibil în practică, fiecare motor va avea viteza sa optimă de funcționare, adaptată la viteza de croazieră a vehiculului.

Tipuri

În cel mai frecvent caz, gazul expulzat este rezultatul unei reacții chimice controlate care produce un gaz la temperatură ridicată care, prin extinderea în motor, capătă o turație mare (cu cât turația este mai mare, cu atât forța este mai puternică).

Aeolipyle de Heron din Alexandria este strămoșul motoarelor de acest tip (gazul evacuat este aici vaporii de apă ). În mijlocul XVIII E  secolul , The matematicianul Segner austriac a studiat un turnichet hidraulic bazat pe același principiu al reacției, dar exploatând o cascadă  : masina lui anunță turbinele hidraulice ale XIX E  secolului , care , la rândul său , va inspira conceptul .motor cu arbore turbo .

În general, putem separa acest tip de motor în trei categorii:

Motor aerob

Motoarele aerobe folosesc oxigenul din aer ca oxidant sau oxidant într-o reacție chimică. Ele pot fi utilizate numai în atmosfera Pământului . În această categorie găsim:

• Turbojet  ;
• statoreactor  ;
• superstatoreactor  ;
• pulsoreactor și motorul val de detonare în impulsuri .

Motorul anaerob

Motoarele anaerobe transportă oxidantul și combustibilul necesar pentru ca reacția chimică să producă împingere din orice atmosferă. În această categorie apar în special motoare rachete, dar și în rachete , lansatoare spațiale , precum și în sateliți și anumite sonde spațiale . Se face o distincție între propulsoare în funcție de tipul de combustibil:

• solid ( propulsor ): propulsori pulbere , utilizați în rapelurile anumitor rachete sau ca rapel de decolare (avion sau rachetă);
• lichid ( propulsor );
• hibrid ( litergol ).

Motor non-chimic

Alte motoare utilizează o reacție non-chimică pentru producerea de tracțiune. Deși puterea lor rămâne adesea modestă, impulsul lor specific I sp (cu cât acesta din urmă este mai mare, cu atât combustibilul consumă mai puțin) este mult mai mare decât cel al motoarelor chimice. Acestea oferă o accelerație constantă de foarte lungă durată (permițând în mod paradoxal atingerea unor viteze mari după o accelerare lungă ). Sunt utilizate pentru propulsia sondelor sau a vehiculelor interplanetare.

Ele se bazează pe aspecte fundamentale ale fizicii. Există trei tipuri de motoare în funcție de tipul de propulsie:

• electrodinamică, cum ar fi motorul ionic care poate fi cu rețea sau cu efect Hall  ;
• fotonica precum pânza solară  ;
• nuclear folosind fisiune și (teoretic cel puțin) fuziune nucleară în motorul atomic .

Propulsoarele de tip VASIMR utilizează toate cele trei aspecte ale propulsiei electrice.

Note și referințe

Note

1. În calcularea reculului unei arme, se face adesea o separare între balistica internă (adică ce se întâmplă când glonțul este încă în butoi) și balistica externă (când glonțul iese). Butoi). Dar efectele reacției încep când glonțul începe să se miște în interiorul butoiului.
2. Propulsie electrică (spațiu) cu valori diferite de I sp .

Referințe

1. G. Pichon, „  Principiile propulsiei cu jet  ” , pe www.avionslegendaires.net ,2009(accesat la 6 noiembrie 2014 ) .
2. Trebuie să menționăm că oamenii obișnuiți leagă principiul motorului cu reacție de flăcările care ies din acesta (pentru motoarele cu rachetă sau reactoarele de aeronave). Cu toate acestea, temperatura fluidului eliberat de un motor cu reacție nu este altceva decât un produs secundar nedorit (este o pierdere de energie).

Vezi și tu

Articole similare

• Vedeți istoria dezvoltării primelor motoare cu reacție în articolele dedicate designerilor lor:
  • Franța: René Lorin
  • România: Henri Coandă
  • Germania: Hans von Ohain , Wernher von Braun
  • Anglia: Frank Whittle
  • Italia: Campini Caproni CC1 și CC2
• Propulsie electrică și ionică
• Turbojet • Statorjet • Superstatorjet

linkuri externe

• Jet Engines, 1952, Gaston LAVOISIER Director de studii tehnice la Centrul pentru Învățământul Aerian Superior, École Militaire, Paris (Principii, descriere, interviu)