Jetdrivning - Jet propulsion
Jetdrivning är framdrivningen av ett objekt i en riktning, framställt genom att mata ut en stråle av vätska i motsatt riktning. Enligt Newtons tredje lag drivs den rörliga kroppen i motsatt riktning till strålen. Reaktionsmotorer som arbetar enligt principen om jetdrivning inkluderar jetmotorn som används för framdrivning av flygplan , pumpstrålen som används för marin framdrivning och raketmotorn och plasmapropellern som används för rymdskeppsdrift . Biologiska system inkluderar framdrivningsmekanismer hos vissamarina djur som bläckfisk , havshar , leddjur och fisk .
Fysik
Njet produceras av vissa reaktionsmotorer eller djur när dragkraft genereras av en snabb rörelse stråle av fluid i enlighet med Newtons rörelselagar . Det är mest effektivt när Reynolds-talet är högt - det vill säga föremålet som drivs är relativt stort och passerar genom ett medium med låg viskositet.
Hos djur är de mest effektiva strålarna pulserade snarare än kontinuerliga, åtminstone när Reynolds-talet är större än 6.
Specifik impuls
Specifik impuls (vanligtvis förkortat I sp ) är ett mått på hur effektivt en raket använder drivmedel eller jetmotor använder bränsle. Per definition är det den totala impulsen (eller förändringen i momentum ) som levereras per förbrukat drivmedel och är dimensionellt ekvivalent med det genererade trycket dividerat med drivmedlets massflöde eller viktflödeshastighet. Om massa ( kilogram , pundmassa eller snigel ) används som drivmedelenhet, har specifik impuls enheter av hastighet . Om vikt ( newton eller pund-kraft ) används istället, har specifik impuls tidsenheter (sekunder). Genom att multiplicera flödeshastigheten med standardvikt ( g 0 ) omvandlas specifik impuls från massbasen till viktbasen.
Ett framdrivningssystem med en högre specifik impuls använder drivmedlets massa mer effektivt för att skapa framåtriktning och, i fallet med en raket, mindre drivmedel som behövs för en given delta-v , enligt Tsiolkovsky-raketekvationen . I raketer betyder detta att motorn är mer effektiv när det gäller att få höjd, avstånd och hastighet. Denna effektivitet är mindre viktig i jetmotorer som använder vingar och använder utomhusluft för förbränning och bär nyttolaster som är mycket tyngre än drivmedlet.
Specifik impuls inkluderar bidraget till impulsen som tillhandahålls av extern luft som har använts för förbränning och uttömts med det förbrukade drivmedlet. Jetmotorer använder utomhusluft och har därför en mycket högre specifik impuls än raketmotorer. Den specifika impulsen i termer av förbrukad drivmedelsmassa har avståndsenheter per tid, vilket är en artificiell hastighet som kallas "effektiv avgashastighet". Detta är högre än den faktiska avgashastigheten eftersom förbränningsluftens massa inte redovisas. Verklig och effektiv avgashastighet är densamma i raketmotorer som inte använder luft.
Specifik impuls är omvänt proportionell mot specifik bränsleförbrukning (SFC) genom förhållandet I sp = 1 / ( g o · SFC) för SFC i kg / (N · s) och I sp = 3600 / SFC för SFC i lb / (lbf · Hr).
Sticka
Från definitionen av specifik impulskraft i SI-enheter är:
där V e är den effektiva avgashastigheten och är drivmedlet flödeshastigheten.
Typer av reaktionsmotor
Reaktionsmotorer producerar dragkraft genom att utvisa fast eller flytande reaktionsmassa ; jetdrivning gäller endast motorer som använder vätskereaktionsmassa.
Jetmotor
En jetmotor är en reaktionsmotor som använder omgivande luft som arbetsvätska och omvandlar den till en het, högtrycksgas som expanderas genom en eller flera munstycken . Två typer av jetmotor, turbojet och turbofan , använder axialflödes- eller centrifugalkompressorer för att höja trycket före förbränning och turbiner för att driva kompressionen. Ramjets fungerar endast vid höga hastigheter eftersom de utelämnar kompressorerna och turbinerna, beroende i stället på det dynamiska trycket som genereras av den höga hastigheten (känd som ramkomprimering). Pulsstrålar utelämnar också kompressorer och turbiner, men kan generera statisk dragkraft och har begränsad maximal hastighet.
Raketmotor
Raketen kan arbeta i rymdens vakuum , eftersom den är beroende av att fordonet bär sin egen oxidator istället för att använda syret i luften, eller i fallet med en kärnkraftsraket , värmer ett inert drivmedel (såsom flytande väte ) genom att tvinga den genom en kärnreaktor .
Plasmamotor
Plasmaskruvar accelererar ett plasma med elektromagnetiska medel.
Pump-jet
Pumpstrålen, som används för marin framdrivning , använder vatten som arbetsvätska, trycksatt av en kanaliserad propeller , centrifugalpump eller en kombination av de två.
Jetdrivna djur
Cephalopods såsom bläckfisk använder jet framdrivning för snabb flykt från rovdjur ; de använder andra mekanismer för långsam simning. Strålen produceras genom att mata ut vatten genom en sifon , som vanligtvis smalnar till en liten öppning för att producera maximal utandningshastighet. Vattnet passerar genom gälarna före utandning och uppfyller det dubbla syftet med andning och rörelse. Havshar (gastropod blötdjur) använder en liknande metod, men utan bläckfiskens sofistikerade neurologiska maskiner navigerar de något mer klumpigt.
Vissa teleostfiskar har också utvecklat jetdrivning, som passerar vatten genom gälarna för att komplettera finstyrd rörelse.
I vissa trollsländlarver uppnås jetdrivning genom utdrivning av vatten från ett specialiserat hålrum genom anusen. Med tanke på organismens lilla storlek uppnås en stor hastighet.
Kammusslor och kardborre , sifonoforer , manteldjur (som salper ) och vissa maneter använder också jetdrivning. De mest effektiva jetdrivna organismerna är salparna, som använder en storleksordning mindre energi (per kilogram per meter) än bläckfisk.