Реактивні двигуни і балістичні ракети.

Реактивним двигуном називають ракету, встановлену в якості двигуна на який-небудь засіб транспорту. Реактивні двигуни знайшли широке застосування в авіації, у військовій і космічній техніці. У реактивних двигунах часто використовують не порох, а рідке паливо (нафта, гас). Це робить роботу двигуна більш економічною. Реактивна струмінь і в цьому випадку утворена розпеченими газами, що виходять при згорянні палива. Однак згоряння пороху може відбуватися і в порожнечі, а для згорання нафти необхідна велика кількість повітря. У літакових реактивних двигунах повітря береться з навколишнього атмосфери. Таким чином, на відміну від порохових ракет, літак з реактивним двигуном не повинен нести з собою всю масу відкидається газу. Сучасні реактивні літаки здатні розвивати величезні швидкості, у два рази і більше перевищують швидкість звуку. В останні роки отримали великий розвиток балістичні ракети. Так називають ракети з запасом палива, що становить головну частину маси ракети, і з двигунами величезної потужності, що працюють тільки на початку шляху ракети. За порівняно невеликий час роботи (кілька хвилин) двигуни встигають витратити весь запас палива і повідомити ракеті величезну швидкість (до 10 км / сек і вище). Після цього ракета рухається вже під дією сил тяжіння Землі тільки (і інших небесних тіл). Ракети такого ж типу застосовують для запуску штучних супутників Землі і штучних планет. Балістичні ракети несуть із собою не тільки паливо, але і запас окислювача (у рідкому вигляді), необхідний для стиснення всього палива. Звичайні літаки і навіть літаки з повітряно-реактивними двигунами можуть літати тільки в межах земної атмосфери, реактивний же двигун балістичної ракети (як і порохова ракета) може працювати і в безповітряному просторі. Балістична ракета повинна повідомити якомога більшу швидкість корисному навантаженні, що встановлюється на ракеті. Для ракет, що служать для запуску штучних супутників Землі, корисне навантаження - це космічний корабель; для військових ракет - це боєголовка. Розглянемо більш докладно роботу реактивного двигуна, щоб з'ясувати, від чого залежить "кінцева швидкість" ракети - швидкість, що досягається після витрачання всього запасу палива. Знайдемо передусім силу реакції викидається реактивного струменя - силу тяги реактивного двигуна. Швидкість реактивного струменя, тобто швидкість виходу газів з корпусу ракети, позначимо через v. Масу газу, що виходить з корпусу ракети за 1 сек, позначимо через m. по третьому закону Ньютона сила, що діє з боку ракети на викидається газ, дорівнює протидіє силі, доданої з боку викидається газу до ракети, тобто дорівнює шуканої силі тяги. Скористаємося законом імпульсів: зміна кількості руху тіла дорівнює імпульсу діючої сили. Застосуємо цей закон до маси газу, викинутої з ракети за певний проміжок часу t. Так як збільшення швидкості викидається газу дорівнює швидкості реактивного струменя, то прирощення кількості руху викинутої маси одно tmn. Значить, імпульс сили, подіяли протягом проміжку часу t на цю масу, також дорівнює tm.n Звідси укладаємо, що сила, яка діяла з боку ракети на струмінь, дорівнювала mn. Отже, цією ж величина дорівнює і сила реакції струменя - тяга реактивного двигуна. Тепер можна з'ясувати, як впливають ті чи інші характеристики ракети на її кінцеву швидкість. Припустимо спочатку, що сила тяжіння відсутня. Припустимо також, що режим роботи реактивного двигуна не змінюється: паливо використовується рівномірно і сила тяги залишається постійною у весь час роботи двигуна. Оскільки маса ракети буде весь час зменшуватися в результаті витрачання пального і кисню, то прискорення ракети буде, згідно з другим законом Ньютона, весь час збільшуватися (обернено пропорційно залишається масі). У балістичних ракетах кінцева маса (маса після вигоряння всього палива) в сотні разів менше початкової ("стартовою") маси ракети. Значить, прискорення зростає в міру витрати палива також в сотні разів. Звідси випливає, що приріст швидкості, одержуване ракетою при витрачанні одного і того ж кількості палива, сильно залежить від того, в який момент це палива витрачається: поки запас палива на борту ракети великий і маса ракети велика, збільшення швидкості мало; коли палива залишилося мало і маса ракети сильно зменшилася, збільшення швидкості велике. З цієї причини навіть значне збільшення запасу палива не може сильно збільшити кінцеву швидкість ракети: адже додаткову кількість палива буде витрачатися тоді, коли маса ракети велика, а прискорення мало, а значить, мало і що досягається додаткове припинення кінцевої швидкості. Зате збільшення швидкості реактивного струменя дозволяє при незмінному запасі палива сильно збільшити кінцеву швидкість ракети. Так, якщо, не змінюючи секундний витрата палива, збільшити швидкість реактивного струменя, то в тому ж відношенні збільшиться і прискорення ракети. В результаті кінцева швидкість ракети також зростає в тому ж відношенні. Для збільшення швидкості реактивний струменя соплу реактивного двигуна надають спеціальну форму. Крім того, вибирають паливо, яке надає можливо велику температуру згоряння, так як швидкість реактивного струменя зростає при збільшенні температури газу, утворить струмінь. Межа підвищення температури струменя ставить тільки жаротривкого існуючих металів.