Почему в печки нет тяги: Отсутствие тяги в печи, возможные причины и способы решения проблемы — Теплодар

Отсутствие тяги в печи, возможные причины и способы решения проблемы — Теплодар

Проблему отсутствия тяги в печи следует решать как можно быстрее. Угарные газы, образующиеся после переработки топлива, очень вредны для здоровья, поэтому важно, чтобы они сразу же выводились наружу через дымоход. Если при открытой печной дверце значительный объем дыма сразу же оказывается в помещении, вы столкнулись с проблемой плохой тяги в банной печи. О ней же свидетельствует толстый слой копоти, образующийся на стеклянной части дверцы.

Содержание:

1. Проверяем наличие тяги
2. В чем причины плохой тяги
3. Как увеличить тягу в печи в бане

Чтобы отработанные газы и содержащиеся в них вредные вещества не попадали в помещение, дымоход должен иметь постоянную хорошую тягу. Только она может обеспечить стопроцентный отвод дыма на улицу.

Предлагаем вам разобраться, как восстановить тягу в металлической печи.

Проблему отсутствия тяги в печи следует решать как можно быстрее, так как угарные газы, образующиеся после переработки топлива, очень вредны для здоровья.

Проверяем наличие тяги

Измерить уровень тяги в печи можно с использованием особого приспособления — анемометра. Его основной недостаток состоит в том, что он работает корректно при одном условии: скорость воздушного потока должна достигать показателя 1 м/с или выше.

Как правило, анемометры применяют сотрудники газовых служб при оценке состояния дымоходов в зданиях жилого назначения. Приобретать такое оборудование для частного применения решится далеко не каждый — это будет, прямо скажем, очень невыгодно, поскольку его стоимость довольна высока.

Есть ряд в разы более простых и доступных способов, позволяющих точно определить наличие/отсутствие тяги в дымоходе:

1. Самый незамысловатый вариант — поднести ко входу в дымоход лист писчей бумаги. По степени его отклонения вы сможете судить о том, насколько велика тяга: чем дальше наклонилась бумага, тем мощнее поток воздуха. Также можно использовать зажженную спичку.

   В число признаков, заметных невооруженным глазом, входит выходящий из топки дым. О недостаточном дымоотведении также свидетельствуют красноватые полосы в пламени.

   И, напротив, признаком того, что дым выходит в нужном направлении, является его золотистый оттенок.

2. Еще один способ распознать обратное движение дыма — разместить небольшое зеркало в дымоотводном капюшоне, там, где обычно находится датчик тяги.

   Поверните зеркальную поверхность в сторону канала, по которому идет выброс отработанных газов. Если зеркало запотело, значит, в печи есть проблемы с отведением дыма.

Самый незамысловатый вариант — поднести ко входу в дымоход лист писчей бумаги. Также можно использовать зажженную спичку.

Найти причину ухудшения тяги можно и таким образом: спустите с крыши по трубе металлический шар диаметром 100 мм до самого низа — он не должен встретить на своем пути никаких препятствий.

Следует помнить, что устойчивый запах дыма, пусть даже едва ощутимый, всегда сигнализирует о проблемах в работе дымохода.

В чем причины плохой тяги

Эта проблема может появиться у любых отопительных устройств. Ниже мы перечислим основные причины, по которым может пропасть тяга в печи.

Основная из них — слишком резкий нагрев и такое же быстрое охлаждение металлической поверхности печки. Горячий воздух поднимается вверх, а холодный, согласно законам физики, опускается вниз. Именно поэтому остывший дым движется в помещение, а не на улицу.

Среди других распространенных причин слабой тяги можно отметить:

1. Загрязнение дымохода. Он может быть просто закопчен по причине непроизведенной вовремя очистки. Быстрое скопление копоти происходит и в тех случаях, когда шахта изготовлена из труб разного диаметра.
2. Неточности в расчете. Иногда бывает так, что параметры топочной камеры и диаметр дымоотводной шахты не соответствуют друг другу: мощная печь выделяет значительный объем дымовых газов, а слишком узкий канал просто не справляется с их удалением. В результате таких конструкционных ошибок формируется обратная тяга.
3. Недостаточная длина дымохода. Эта ошибка проектирования приводит к тому, что в трубе дымохода не формируется необходимая разница в давлении, в результате чего дым не может подняться вверх. Оптимальная протяженность трубы — не менее 5 метров.
4. Труба в зоне ветрового подпора. Если недалеко от бани располагается высокое здание, оно будет препятствовать образованию потока воздуха той мощности, которая способна обеспечить полноценную тягу дыма из трубы.
5. Отсутствие в помещении полноценного воздухообмена или некорректная работа системы приточной вентиляции. Так, объем приточного воздуха оказывается недостаточным и, как следствие, в отопительной системе появляются сложности с дымоотведением.

Наряду с вышеперечисленными причинами ухудшение тяги может быть вызвано тем фактом, что конек располагается выше уровня дымоходной трубы. В этом случае при сильных порывах ветра на крыше образуются воздушные вихри, не позволяющие дыму покинуть канал.

Атмосферные показатели также оказывают непосредственное влияние на функционирование дымохода. Например, при повышенной влажности на улице отработанные газы будут спускаться обратно в помещение с каждым мощным порывом ветра.

Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда температура в непротопленной бане ниже, чем за окном, и из-за несовпадения давлений дым движется обратно в помещение, а не наружу. Если вы не планируете банные процедуры, в этом случае можно просто как следует проветрить помещение.

Неправильно выбранное место установки дымохода также может стать причиной падения тяги. Если на пути дыма встречаются изгибы, наклонные участки, а также горизонтальные трубы, сила тяги будет снижаться в прямо пропорциональном соответствии. Более того, застаивающийся дым способствует скоплению значительного количества сажи и конденсата внутри трубы.

При обустройстве отопительной системы в бане дымоход рекомендуется располагать во внутренней части постройки. Это обеспечит качественный прогрев помещения и отличную тягу даже при низкой температуре воздуха на улице. Если же дымоход оборудовать вдоль наружной стены, на обогрев бани потребуется больше времени, а в самом канале может скапливаться конденсат.

Что касается формы трубы дымохода, то в идеале она должна быть круглой.

Если пути дымоотведения засорены сажей, для увеличения тяги рекомендуется их прочистить.

Как увеличить тягу в печи в бане

Как мы уже отметили ранее, причины для формирования обратной тяги очень разнообразны, поэтому для каждого отдельного случая существует свой путь решения проблемы.

Так, если пути дымоотведения засорены сажей, рекомендуется их прочистить. Более подробную информацию о том, как это правильно делать, вы можете найти в нашей статье «Чистка дымоходов каминов и печей».

Если проблема заключается в ошибке сборки или неправильной конструкции дымохода, то его следует полностью демонтировать, перебрать и установить заново с учетом вышеприведенных рекомендаций.

Также для нормализации тяги в трубе можно использовать и специальные комплектующие. Рассмотрим некоторые из них.

1. 
   Дефлектор. Приспособление фиксируется на верхнем секторе трубы и способствует ускорению движения газа, скопившегося в дымоотводной шахте.

   Устройства данного типа выполняют сразу несколько функций:

   • защищают дымоходный канал от попадания дождевой влаги, снега и мелкого мусора;
   • ускоряют движение продуктов сгорания топлива на улицу;
   • гасят искры при неполном прогорании дров или угля.

   При перемещении по сужающейся шахте поток дыма ускоряется, а давление, оказываемое на стенки дымоотводного канала, снижается. Таким образом создается зона разрежения.

   Дефлектор, зафиксированный на вершине дымохода, формирует именно такую зону разрежения, которая свойственна сужающимся частям канала. Отработанные продукты горения устремляются в разреженную зону, то есть в устье трубы, и под действием ветра, усиливающего естественную тягу, выводятся наружу.

   Если тяги в банной печи нет совсем или она очень слабая, даже самый простой дефлектор повышает эффективность дымоотведения на 20%.

   Самые дорогие модели такого оборудования изготавливают из меди. Более дешевые дефлекторы могут быть выполнены из керамики, пластика, нержавейки, алюминия или оцинкованного металла. Наибольшим интересом со стороны покупателей пользуются алюминиевые и стальные модели.

   Несмотря на стандартный набор функций, дефлекторы отличаются друг от друга внешним видом, внутренней конструкцией и уровнем чувствительности к потокам воздуха.

   Купить дефлекторы и дефлекторы-заглушки различного диаметра (115,150, 200, 280 мм) можно в интернет-магазине «Теплодар».

2. 
   Шибер. Это специально сконструированная заслонка, посредством которой можно регулировать уровень тяги дыма. Она фиксируется на первом неутепленном метре дымоотводной трубы.

   Устройство выполняет следующие функции:

   • При помощи этого незамысловатого приспособления вы можете перекрыть трубу после сгорания топлива. Это позволяет надолго сохранить тепло в печи.
   • Шибер также применяется для изменения диаметра дымохода с целью регулирования уровня тяги.
   • Такая заслонка позволяет следить за качеством сгорания топлива.

   Шиберы изготавливают из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Их гладкая поверхность легко очищается от сажи. Такие заслонки прочны и долговечны, также они отличаются небольшим показателем термического расширения и выдерживают нагрев до 900°C.

   В интернет-магазине «Теплодар» представлены две модификации шиберов:

   • горизонтальный,
   • поворотный.

   Поворотное устройство закрепляется на вращающейся оси, расположенной внутри дымовой трубы или патрубка.

3. 
   Стабилизатор работы дымохода. Механизмы этого типа называют также прерывателями. Они обеспечивают регулярный и строго дозированный приток воздуха в трубу дымохода, оптимизируя функционирование всей системы. Предусмотренная в конструкции устройства предохранительная заслонка нужна для предотвращения образования чрезмерно высокого давления в печи.

   Для производства стабилизаторов используется высокопрочная нержавеющая сталь. Устройства способны выдержать воздействие температуры до 500°C.

   Прерыватели работают следующим образом: они автоматически подают холодный воздух в трубу дымохода, за счет чего температура и скорость движения горячих газов внутри трубы падают, а скорость сжигания топлива увеличивается.

   Чаще всего прерыватели устанавливают на дымоходную трубу. Между устройством и печью необходимо выдержать расстояние не менее 0,5 метра. Для корректного функционирования прерывателя его очень нежелательно тревожить, поэтому важно, чтобы он располагался внутри помещения бани, поскольку атмосферные явления могут легко расстроить его работу.

   Также для того, чтобы нормализовать и увеличить тягу в дымоходе, можно сделать трубу более длинной и проложить ее максимально прямо. Изгибы и острые углы шахты способствуют увеличению кавитации.

Если у вас не получается устранить явление опрокидывания тяги самостоятельно, просто позвоните в компанию «Теплодар»: наши технические специалисты охотно сориентируют вас, что делать, когда нет тяги в металлической печи в бане, почему это происходит, и как можно исправить ситуацию.

Нет тяги в дымоходе отопительной печи. Что делать?

Наличие хорошей тяги — беспроблемная работа дровяной печи

Нет тяги в печи. Причины. Как улучшить тягу в дымоходе?

Для беспроблемной работы любой дровяной печи или котла необходимо следить за наличием хорошей тяги.

Что же такое тяга в печи и зачем она нужна?

Тяга – это направленные потоки продуктов сгорания или воздуха в вытяжной системе. Тяга образуется в результате разности давления воздуха в помещении, в печи и на улице.

Проверить тягу в печи можно, распалив небольшое количество бумаги или поднеся горящую спичку. По входу дыма в верхнюю камеру печи при открытой дверце и заслонке на шибере дымохода, убеждаемся в наличии тяги.

Тяга может быть естественной и принудительной.

В системах отопления с использованием твердотопливных печей и котлов по законам физики присутствует естественная тяга. Однако существует ряд причин, по которым тяга в печи и дымоходе пропадает. Среди таких причин выделяют, как атмосферные условия, так и ошибки в конструкции дымохода или в технологии растопки печи.

Признаки отсутствия тяги в печи следующие:

• появление дыма при открытии топочной дверки;
• появление дыма из воздушных труб или конвекционных щелей;
• хлопки дыма из воздушного регулятора на дверце печи;

Тяга в дымоходе зависит от таких факторов:

1. Правильная конфигурация дымохода.

Необходимо изучить требования по установке дымохода по паспорту отопительного прибора и обязательно соблюдать диаметр трубы, рекомендуемый производителем. При уменьшении диаметра трубы для выхода дымовых газов тяга может ухудшиться. Если нет возможности, и диаметр дымохода все же предстоит уменьшить, то обязательно нужно увеличить его высоту.

Угла 90° при проектировании дымохода желательно избегать. Если трубу необходимо повернуть в нужном направлении, то лучше использовать угол 45°.

Также желательно избегать горизонтальных участков дымохода, а если их все же предстоит смонтировать, то их длина должна составлять не более 1-1,5 метра и высоту дымохода также необходимо увеличить.

Для печей длительного горения лучше использовать металлические трубы цилиндрической формы.

Печи длительного горения очень требовательны к тяге. БОльшая часть тепла, которая образуется при горении топлива идет на прогрев помещения. Вследствие этого температура дымовых газов при работе печи в тлеющем режиме не очень высокая и они не могут прогреть кирпичный дымоход. В них образуется конденсат и со временем в печи пропадает тяга. Этого можно не допустить, если вставить в кирпичный дымоход 2-3 метра металлической трубы.

Цилиндрический дымоход лучше использовать потому, что в нем отсутствуют местные завихрения по углам, как в трубах квадратной или прямоугольной формы, которые препятствуют движению основного потока дымовых газов.

Поэтому, что улучшить тягу в дымоходе необходимо тщательно изучить информацию о монтаже дымаря или обратиться к специалисту.

2. Высота дымохода должна быть выше конька крыши и близко расположенных высоких зданий, а также соответствовать рекомендациям паспорта.

Чтобы не возникало обратной тяги, необходимо правильно выдержать высоту дымовой трубы.

• над плоской кровлей труба должна выступать хотя бы на 0,5м;
• если труба расположена на расстоянии до 1,5 м от конька крыши, то ее высота также должна превышать конек на 0,5м;
• если же труба расположена на расстоянии от 1,5 м до 3 м от конька крыши, то достаточно, чтобы ее высота была не ниже конька.

Общая высота дымохода должна быть не ниже 5 метров, однако лучше соблюдать требования, указанные в паспорте на отопительный прибор. Если высоту дымохода занизить, некоторое время печь может работать, пока дымоход чистый, но со временем тяга исчезнет.

3. Утепление дымохода.

Также не будет тяги, если не предусмотрено утепление дымовой трубы.

В «районе низких температур» (на чердаке или на улице) участок дымохода необходимо утеплить. Если печь на дровах установлена в холодном цехе, то дымоход необходимо утеплить по всей длине. Для этой цели подойдут трубы типа «сэндвич» – труба в трубе и слой минеральной ваты между ними либо сделать теплоизоляцию самостоятельно с помощью специальной фольги с утеплителем.

Зачем же это необходимо? Выходящий из печи дым должен иметь температуру не ниже 70 С, это так называемая «точка росы», при которой влага, содержащаяся в дровах в виде пара, выходит вместе с дымом. Если же дымоходные трубы не утеплены, то дым, проходя вверх по трубе, постепенно остывает и влага начинает конденсироваться и стекать по внутренним стенкам дымохода. Вследствие чего, происходит быстрое загрязнение дымоходных труб, что может привести к отсутствию тяги — обратной тяге.

Утеплив трубу, Вы избежите такого явления, как образование конденсата, усилите тягу. Трубы при этом будут чистые (без запекшегося конденсата). А гладкая внутренняя поверхность дымоходной трубы способствует хорошей тяге.

4. Нельзя топить печь свежепиленными дровами.

Свежеспиленные дрова имеют высокую влажность. При использовании для топки сырых дров начинает выделяться влага, которая испаряется и налетом сажи постепенно покрывает печь и дымоход. А, как известно, чем более гладкая внутренняя поверхность труб, тем лучше тяга. Поэтому логично, что вследствие загрязнения тяга ухудшается или совсем пропадает и необходима чистка дымохода.

Так, что используйте для топки печи дрова с влажностью не более, чем 20%. Такую влажность имеют дрова, пролежавшие лето на улице под навесом. К тому же топить свежесрубленными дровами не выгодно. Тепло, которое выделяет их сгорание, направляется в первую очередь на испарение влаги, а не на обогрев помещения.

Очень желательно избегать использования в качестве топлива смолянистых пород древесины, такие как сосна, ель и так далее. В составе такого топлива содержится много смол, которые способны за очень короткий промежуток времени загрязнить дымоход и привести к отсутствию тяги.

Для очистки и профилактики загрязнения дымохода необходимо использовать специальные химические удалители сажи, а также проводить периодическую чистку трубы щеткой.

5. Отсутствие вентиляции.

Если в помещении, где установлена печь недостаточный воздухообмен, то может образоваться недостаток кислорода. Работающая печь высасывает из помещения воздух и при недостаточном его поступлении может возникнуть выброс дыма в помещение и обратная тяга.

6. Атмосферные явления.

Во время плохой погоды – ветер, туман, высокая влажность – также может возникнуть «прорыв» дыма в комнату и из–за разности давлений возникнет обратная тяга. В таком случае надо хорошо проветрить помещение, чтобы температура за окном и в помещении немного выровнялась.

7. Попадание холодного воздуха в дымоход.

Иногда тяги в дымоходе печи нет в холодное время года по причине того, что труба не прогрета перед началом топки. Что же делать?

Отсутствие тяги возникает в результате того, что снаружи в дымоход заходит холодный воздух и встречаясь с большим количеством теплого, образует так называемую «воздушную пробку». Это происходит, если первая закладка производится большим количеством топлива, соответственно образовывается большое количество горячего дыма.

Чтобы избежать этого явления первоначальная растопка производится небольшим количеством топлива – щепками, бумагой. Таким образом, теплый воздух, поступая в трубу, постепенно вытеснит холодный и печь будет работать, как положено. В противном случае может наблюдаться выброс дыма в комнату из инжекторов печи и даже из заслонки подачи воздуха.

Соблюдая все вышеуказанные рекомендации и придерживаясь требований руководства по эксплуатации отопительного прибора, печь будет работать бесперебойно и дарить тепло и уют Вашему дому.

А как же улучшить тягу в печи? Есть ряд способов:

Кроме соблюдения правил по установке дымохода и эксплуатации дровяной печи, можно предпринять ряд параллельных шагов по усилению тяги в печи.

1. Усилить тягу можно с помощью такой детали дымохода, как дефлектор.

Дефлектор подсасывает дым из трубы с использованием ветра. Дефлектор изменяет направление ветра в сторону, наиболее благоприятную для движения дымовых газов. Таким образом, ветер, наоборот способствует усилению тяги. Также дефлектор способствует повышению КПД отопительной системы и защищает дымоход от осадков.

2. Также для улучшения тяги можно использовать такой декоративный элемент дымохода, как флюгер.

Флюгер состоит из полотна и основы. Полотно флюгера закреплено на вертикальной оси и свободно вращается вокруг нее. При ветреной погоде, флюгер разворачивается таким образом, что его выпуклая часть не дает ветру задувать в отверстие дымохода. Ветер не попадая в отверстие трубы скользит по поверхности флюгера и подсасывает выходящие дымовые газы, что и помогает усилению тяги.

3. Еще для улучшения и регулировки тяги, как элемент дымоотводящей системы используется шибер.

Шибер – это заслонка, которая частично прикрывает сечение дымовой трубы.
Шибер служит для регулирования пламени огня при растопке. Во время первоначальной растопки шибер открыт, после розжига – постепенно прикрывается, как и заслонка подачи воздуха на дверки печи.

Также шибер «заставляет» дым задерживаться и догорать во второй камере, после чего уже выходить в трубу, тем самым увеличивая время работы печи на одной закладке топлива.

В твердотопливных котлах и некоторых моделях печей шибер идет в комплекте. Шибером оборудован дымоотводящий патрубок отопительного прибора.

Если же шибера в печи нет, то в целях регулирования пламени и тяги, а также экономии топлива стоит его приобрести.

Для быстрой растопки печи можно использовать специальные средства для быстрого розжига огня.

Что делать, если нет тяги в печке: причины и решение проблемы

Причины плохой тяги могут быть очень различны. Что такое тяга в печи. Тяга – аэродинамическое явление, которое определяется направлением движения воздуха, обусловленным разницей давлений в направляющих вытяжных конструкциях внутри и снаружи. То есть, в нашем случае разницей давлений внутри печи и на улице.

Причины в печке

Тяга печи зависит от многих факторов, начиная от конструктивных решений, качества выполнения кладки до метеорологических факторов и необходимости периодического обслуживания всей печной системы. Рассмотрим всё более подробно, почему плохая тяга в печи, какие могут быть причины от конструктивных особенностей:

• конструкция дымохода,
• размер трубы,
• обвал кирпича в дымоход,
• дымоход забит сажей.

к содержанию ↑

Конструкция дымохода

Самая простая конструкция дымохода – прямая. Выход за пределы помещения происходит прямо трубой. Это можно наблюдать на примере простых «буржуек» во временных помещениях, туристических печек и в случае с каминами.

Прямая конструкция обеспечивает самую лучшую тягу, именно она и используется при открытой топке каминов и во временных печках. Тяга в такой трубе у печи практически идеальна и в меньшей мере зависит от внешних факторов.

Но в системах печного отопления жилища дымоход устраивается через обогреватель. Назначение такой печи – отопление помещения, сохранение тепла как можно дольше.

1. Здесь предусмотрена целая система так называемых «колодцев», дым из топки проходит извилистый путь, нагревает кирпичную кладку и, только затем, выходит наружу через дымоход. Такие системы требуют наибольшего внимания в плане правильного устройства, иначе тяга будет постоянно пропадать при любых неблагоприятных условиях. Велика и вероятность возникновения обратной тяги, когда дым начинает поступать внутрь комнаты вместо того, чтобы выходить через трубу.

   Сложная система движения газов – одна из причин плохой тяги

2. Вторым конструктивным фактором, влияющим на тягу, является правильно рассчитанный диаметр сечения дымохода в соответствии с объёмом печи. Слишком узкий дымоход не может вывести продукты горения из печи большого объёма, и они неминуемо будут частично поступать в помещение.
3. Значение имеет и форма сечения, круглый выход предпочтительнее, а в углах квадратного возникают побочные завихрения, которые несколько препятствуют свободному движению дыма.
4. И последнее – внутренняя поверхность самого дымохода также не должна служить препятствием движению газов и взвешенных частиц.

к содержанию ↑

Размер трубы

Как увеличить тягу в печи, если конструкция дымохода с обогревателем? При всех равных условиях, чем выше труба, тем лучше тяга. Но не всё так просто. На слишком высокую трубу больше начинают воздействовать ветра, и при слишком высокой трубе тяга может оказаться излишней. Излишняя тяга приводит к более быстрому сгоранию топлива и повышению температуры горения в печи, что неблагоприятно для кладки.

В то же время быстрое сгорание не успевает нагреть весь массив обогревателя.

Оптимальная высота дымохода – около 5 метров или чуть выше конька крыши, дабы избежать воздействия воздушных завихрений от него.

Кстати, согласно пожарным правилам, длина дымохода выше конька крыши позволяет разместить выход на любом расстоянии от него. Тогда как, более низкая труба должна располагаться от края крыши и конька на определённой расстоянии. Эти причины должны быть предусмотрены ещё при кладке печи, в процессе эксплуатации их не исправить.

к содержанию ↑

Обвал кирпича

Причины плохой тяги, которые зависят от ухода за печью и которые могут быть устранены по мере их возникновения, являются временными. Тяга правильного дымохода вашей печи может зависеть и от временных факторов. Одним из таких является обвал кирпича внутрь дымохода. Происходит это, чаще всего, из-за некачественного материала, но может быть и по причине указанной выше.

Выгорание кирпичей при высокой температуре горения топлива – одна из основных причин преждевременных поломок. Кусочки от растрескавшегося кирпича засоряют дымоход в местах его поворота и мешают свободному прохождению газов. Засорение посторонними предметами и сажей – главная временная проблема при эксплуатации любых печей.

В этой ситуации придется переделывать дымоход.

к содержанию ↑

Дымоход забит сажей

Причин у такой неприятности несколько. Прежде всего, на возможность засорения влияет конструкция дымохода. Чем больше поворотов, тем больше возможностей для оседания сажи от продуктов горения.

Чем больше в конструкции обогревателя «колодцев», тем чаще приходится чистить дымоход и трубу вследствие снижения скорости прохождения дыма, снижения тяги. В данном случае получается замкнутый круг – сажа снижает тягу, при снижении тяги сажа откладывается ещё более интенсивно.

Много сажи

Как улучшить тягу при такой проблеме в печи без прочистки стандартным способом?

Методов несколько – в течение суток протопить печь сухими дровами с малым содержанием смол, кратковременно создать высокую скорость горения при сжигании легкогорючих материалов. Часто отложение сажи способствует и образование инея на внутренней поверхности трубы.

Чтобы предупредить это, если вы покидаете дом на длительное время, надо вовремя закрыть заслонку трубы, которая помешает контакту горячего воздуха с влажностью окружающей среды. При запущенном состоянии дымохода и засорении посторонними предметами не обойтись без прочистки.

Устранение этих причин осуществляется:

• Прочистка дымохода производится старым испытанным способом при помощи небольшой гирьки с ёршиком на крепком тросике. Засорение происходит, чаще всего, в крайних колодцах на повороте дымохода. Гирька помогает сбить застрявшие куски кирпича на самое дно, ёршик счищает сажу со стенок трубы и колодца. В самом низу колодца, который напрямую выходит в дымоход всегда делается технологическое отверстие, закрытое кирпичом и специальной дверцей. Этот кирпич легко извлекается, и весь мусор, сажа могут быть извлечены. При большом количестве обогревательных колодцев, такое отверстие устраивается и в первом колодце, как в наиболее уязвимом месте.
• Прожиганием дровами или легкогорючими материалами. Стоит предупредить, что прочистка дымохода с помощью горючих жидкостей чревата непредсказуемыми последствиями. Это может быть ожог самого «специалиста», и загорание сажи в требе с последующим распространением горения, и обыкновенное разрушение печи в результате неконтролируемого взрыва.

к содержанию ↑

Внешние факторы

Почему плохая тяга в печи, если она устроена правильно, а дымоходы недавно прочищались? Кроме указанных причин, тяга печная зависит от внешних факторов окружающей среды и погоды.

Самые распространённые из них:

• неправильно устроенная вентиляция в доме,
• колебания температуры и влажности воздуха на улице,
• ветер и прочие климатические факторы.

Что приходится делать в этих случаях, рассмотрим подробнее.

к содержанию ↑

Нарушение вентиляции

Приток свежего воздуха способствует установлению нужного перепада давлений в печи и дымоходе. Если дом холодный и печь давно не топилась, эта разница минимальна. А нехватка воздуха в помещении для горения может создавать временное разряжение в комнате и спровоцировать обратную тягу. С другой стороны излишние сквозняки также неблагоприятны, так как вихревые потоки воздуха могут нарушать приток воздуха в топку, сбивать правильную тягу.

Такое часто наблюдается в летний период, а также, если окна находятся выше уровня топки, в данном случае горячему воздуху окажется проще изменить направление в сторону вытяжки через окно. Особенно нужно быть осторожным с газовыми печами, существует опасность не только изменения направления тяги, но и погашение горелки, и заполнение помещения газом.

Перед первыми попытками растопить печь необходимо проверить не только тягу в топке, но и движение воздуха в помещении, а при использовании печи постоянно контролировать вентиляцию. Это ещё необходимо для исключения отравления угарным газом.

к содержанию ↑

Сильный ветер

Порывы сильного ветра могут временно создавать препятствие для выхода дыма из печной трубы. При таком сбивании потока горячего газа тяга может сработать в обратном направлении. Это происходит чаще с дымоходами соединёнными напрямую с топкой без прохождения отопительных колодцев.

Ухудшает ситуацию при ветре и горизонтальное расположение выхода трубы, что часто используется в подсобных помещениях нижних этажей дома (выход через стену).

Защиту от господствующих в данной местности ветров устраивают при помощи трубных колпаков, «дымников» или «флюгарков». Они препятствуют и намоканию при дожде и снеге. Влажность внешнего воздуха – ещё одно препятствие для хорошей тяги.

Установка дымника решит проблему

к содержанию ↑

Высокая влажность

Этот фактор является косвенным, но от этого не менее неприятным. Высокая влажность внешнего воздуха может образовываться по причине пониженного атмосферного давления, что уже снижает тягу. Повышенная плотность влажной окружающей атмосферы снижает разреженность и ухудшает движение дыма.

Легко заметить, что при дожде и снеге дым неохотно выходит из трубы, стелется по крыше, при каждом порыве ветра вырывается через печную дверцу в комнату. И наоборот, при ясно сухой погоде тяга великолепная и дым стоит столбов в небо. Наконец, при высокой влажности зимой в трубе образуется плотный налёт инея, что резко уменьшает сечение и препятствует нормальному выходу газов.

В этой ситуации придется часто чистить дымоход.

к содержанию ↑

Другие причины

Множество частных причин могут воздействовать на интенсивность печной тяги, кроме рассмотренных выше. К таким случайным причинам может относиться даже нагрев плоскости крыше на солнце и низкая температура в доме или случайные ветровые завихрения, которые не дают печке разгореться. Существует несколько проверенных способов устранения препятствий к топке домашней печки. Если образовалась обратная тяга в печи при непонятных причинах что делать?

• Проветрите помещение, что позволит и выровнять температуру и давление внутри и снаружи.
• Проверьте, открыта ли заслонка, нет ли снежной шапки на трубе и чисто ли в топке.
• Одним из простых способов является создание разрежения в трубе простым сжиганием небольшого количества бумаги в дымоходе на выходе.
• Используйте быстро разжигаемые материалы в топке для быстрого повышения разницы температур (использовать легко воспламеняемые жидкости не рекомендуется).

В таких случаях придётся немного потерпеть пока не установится тяга, а затем уже проветрить помещение.

к содержанию ↑

Вывод

Главное в устройстве печи – правильный расчет параметров топки и дымохода. Обращайтесь за помощью к специалистам. Кладка печей очень сложное дело, не случайно мастерство печника высоко ценилось во все времена. Второй аспект данной проблемы, используйте только качественные материалы, которые стойко выдерживают высокие температуры и не разрушаются.

Периодический уход за дымоходом и топкой устранит не только проблемы с тягой, но и обеспечит пожарную безопасность. Следите за изменениями погоды, правильно используйте все печные настройки, а также используйте качественное топливо. При выполнении этих несложных условий в вашем доме всегда будет тепло и уютно.

Почему в печке нет тяги: способы регулирования, установка конструкций

На чтение 6 мин Просмотров 22 Опубликовано 08.12.2019 Обновлено 30.11.2019

Тяга в дымоходе – это ключевой момент функционирования обогревательных конструкций и пожаробезопасности жителей домов с печами. Устранение возможных неполадок повысит качество работы печи, что позволит чувствовать себя уверенно и комфортно в своем жилище. Для этого важно знать, почему в печке нет тяги, способы определения её уровня, а также современные методы регулирования выхода продуктов горения.

Способы измерения тяги

Отсутствие тяги или плохой отвод дыма могут привести к отравлению угарным газом жильцов дома

Основным аппаратом для проведения замеров в дымоходных трубах является анемометр. Он использовался до недавних пор благодаря возможности получения точных результатов при средней скорости потоков дыма выше 1 метра в секунду.

Сейчас для замеров используют более точные устройства. Они применяются профессиональными трубочистами и позволяют определить, почему нет тяги в печи дома.

Проверка тяги в дымоходной трубе без использования специальных приборов возможна при помощи тонкой бумаги. Для этого листок бумаги помещают в трубу и наблюдают за его колебаниями. Движения в разные стороны свидетельствуют об отсутствии нарушений при выведении продуктов горения.

Также можно применить зажженную спичку. Помимо направления пламени, нужно оценивать его цвет:

• Желтовато-золотистый оттенок – нормальный уровень тяги.
• Темно-красные проблески свидетельствуют о нарушении выведения дыма.
• Пламя с чисто-белым оттенком вместе с шумом в дымоходе указывают на сильную тягу.

При растопке печи дымовой поток может быть направлен в банное или домашнее помещение. Это свидетельствует о наличии обратной тяги. Отопительную систему нельзя запускать до решения проблемы, поскольку она будет дымить внутрь комнаты.

Причины возникновения плохой тяги

Продукты горения осаждаются на внутренней поверхности дымохода и препятствуют проходу воздуха

Тяга печи зависит от множества факторов. Основными причинами нарушения вывода продуктов горения через дымоотвод являются:

• сажа;
• нарушение вентиляции;
• факторы внешней среды.

После сгорания угля или дров образуется сажа. Это конечный продукт горения, оседающий внутри отопительной системы, что сужает её диаметр и вызывает обратную тягу.

Для решения этой проблемы нужно проводить регулярные чистки трубы. С целью предупреждения сильных загрязнений используйте твердотопливные брикеты из древесины. В них ниже показатели влаги и вредоносных веществ.

Дефицит воздуха в здании приводит к развитию обратной тяги. С другой стороны, сильные сквозняки неблагоприятны для нормального функционирования отопительной системы.

Перед первой растопкой проверьте движение воздуха в здании. Это исключит вероятность отравления продуктами горения.

Основными факторами внешней среды, при которых не выводится дым, являются повышенная влажность и сильные ветра. Высокие показатели влажности воздуха образуются при пониженном уровне атмосферного давления. Это разряжает дым и нарушает газовые потоки.

Сильный ветер препятствует нормальному отведению дыма. Во время изменения газового потока может развиться обратная тяга. Это касается дымоотводов, которые соединены с топкой и не имеют отопительных колодцев.

Защита от ветров обеспечивается трубными колпаками. Они также препятствуют намоканию трубы при дождях и снеге.

Способы регулирования

Турбина для усиления тяги в дымоходе

Установка нормального уровня тяги обеспечивает высокую эффективность работы отопительной конструкции дома или в бане. Также это повышает пожаробезопасность и предотвращает вероятность отравления продуктами горения. Для этого используется несколько методик:

• монтаж стабилизатора;
• увеличение длины трубы;
• установка ротационных турбин.

Установка стабилизатора

Устройство устанавливают на дымоотводную трубу. Внизу приспособления расположено специальное отверстие, которое обеспечивает беспрепятственную циркуляцию газов для контроля уровня воздуха в дымоходе.

Вместе со стабилизатором устанавливают датчик для мониторинга температуры выходящих продуктов горения. Сигнальная система срабатывает при нагревании газами трубы во время снижения тяги.

Увеличения длины дымохода

При обустройстве дымохода играет роль диаметр трубы и ее длина

При использовании метода нужно соблюдать ряд правил, предусмотренных для нормальной работы отопительной системы.

• Высота дымовой трубы – не менее 5 метров. Оптимально – больше 6 метров в двухэтажном здании и удлинение на 4 метра за каждый этаж.
• Дымоход располагают над вентиляционным каналом. Это предотвратит проникновение угарного газа в помещение.
• Высота части дымоотвода над крышей здания – не менее 50 сантиметров.
• Сечение трубы рекомендуется доверить мастеру, который сделает все согласно установленным нормам. В ином случае тяга может пропасть, после чего печь перестанет выполнять свою функцию.

При установке дымохода стоит учитывать, что наклонные и горизонтальные участки негативно сказываются на газовых потоках. Для решения проблемы нужно удлинить трубу дымоотвода.

Использование ротационной трубы

Турбины над оголовками дымоходных труб усиливают процессы выведения продуктов горения путем разряжения дыма. Помимо этого, аппарат защищает дымоотвод от всевозможного мусора и метеорологических осадков.

Роль заслонки в работе отопительной системы

Заслонка для снижения интенсивности горения и тяги

Шибер, или заслонка, исключает возможность развития обратной тяги и повышает пожаробезопасность помещения. Она устанавливается 2 методами:

• в трубу дымоотвода;
• на дверцу печи.

Заслонка служит своеобразным регулятором. При закрытии шибера снижается площадь поперечных сечений трубы вместе с тягой и наоборот.

Использование стабилизатора тяги

Ручной стабилизатор тяги для печи

С целью поддержки оптимального уровня тяги используется устройство вторичной подачи воздуха, которое называется прерывателем или стабилизатором. Защитные клапаны предупреждают повышение давления в дымоходе и печи.

Это устройство устанавливается на дымоотвод. Оно имеет железную пластину с грузом на одной стороне. При слабой или обратной тяге она служит своеобразным ступором и не дает продуктам горения попасть внутрь помещения.

Стандартные параметры давления – 10-35 Па. Диапазон границ устанавливает пользователь. Аппарат полностью автономен и не требует подачи электропитания, что очень удобно в повседневном использовании.

Если нет тяги в котле отопления, следует вызвать профессионального трубочиста. Он оценит состояние конструкции, подскажет, зачем устанавливать приборы, и даст советы по эксплуатации устройства.

Обеспечение нормальной тяги является одной из главных задач при работе с обогревательными конструкциями в домах и банях. Не рекомендуется полностью рассчитывать на приборы. Нужно самостоятельно контролировать работу печи и своевременно её чистить. Это обеспечит комфортные условия во время использования помещений, а также стабильное функционирование отопительной системы и повысит пожаробезопасность здания.

Почему нет тяги в русской печи

Несмотря на то что давно уже наступил XXI век, а газовое или электрическое отопление стало доступным большинству населения, русская печь в некоторых из домах продолжает занимать центральное место. Она не только обогревает жилье, но и является «кормилицей» семьи — в ней и хлеб можно испечь, и любые блюда приготовить. Кроме того, ее лежанка является теплым спальным местом, причем даже не для одного человека. Она же и «народная целительница»: с помощью русской печи ранее лечили многие болезни, а также сушили на зиму травы для отваров. И если вдруг печь выходила из строя, это становилось настоящей бедой.

Почему нет тяги в русской печи

Возможные проблемы — это появление задымления, вялое горение и неполное прогорание дров, недостаточный нагрев. Все это говорит об отсутствии нормальной тяги. И такой недостаток требуется «лечить» незамедлительно, так как  возникает немалая угроза здоровью и даже жизни людей. В этом случае и возникает вопрос о том, почему нет тяги в русской печи, и что необходимо предпринять, чтобы в кратчайшие сроки восстановить ее нормальную функциональность.

Русская печь и ее конструкция

Содержание статьи

Одной из причин недостаточной тяги вполне могут быть погодные условия. Это касается всех дровяных печей, вне зависимости от их конструкции.

Это сейчас кажется неправдоподобным, но печь для многих деревенских семей была не только «кормилицей», но и «метеорологом». По направлению столба дыма, горению углей, звукам, которые возникают при топке, опытные хозяева с достаточной степенью достоверности определяли только погоду на несколько дней.

Русская печь в интерьере деревенского дома.

Например, если атмосферное давление низкое, печь разгорается долго, а дрова горят вяло, так как тяга в дымоходе становится слабее. В этом случае дым, идущий в дымоход из топливной камеры, часто захлестывается на чело печи.

Если при плохой тяге, возникшей из-за низкого давления, используются еще и сырые дрова, то едкий дым может заполнить все помещение. Все эти проявления в комплексе говорят о том, что назавтра будет дождливая и ветреная погода, а если за окном зима, то стоит ожидать метель, которая с очень большой вероятностью принесет оттепель.

Но бывалые хозяева, тем не менее, всегда умели отличить явления внешнего характера от неисправностей, возникших в самой конструкции печи. Есть масса других причин, напрямую влияющих на уровень тяги и, соответственно, на эффективность работы этого отопительного сооружения.

А чтобы разобраться с ними необходимо знать внутреннее устройство печи, хотя бы схематично. Иначе произвести ремонтные работы будет затруднительно.

Русская печь с дополнительной топкой позволяет использовать конструкцию для приготовления пищи в варочной камере, расположенной в передней части пода, не протапливая асе сооружение полностью.

Строение русской печи несколько сложнее, чем многих других отопительных кирпичных сооружений И, кстати, какой-то единой, «догматичной» схемы нет – даже у одного мастера-печника разные выложенные печи могут довольно серьезно отличаться. Так, например, печь может иметь дополнительную топку, расположенную под главным устьем или с боковой стороны, или обходиться без нее, обладать разным количеством печурок, отличаться размерами и расположением лежанки и  т.п.

Для того чтобы не запутаться в отделах печи, необходимо знать их расположение и названия:

Одна из распространенных схем конструкции русской печи

Итак, конструкция русской печи состоит из следующих элементов и отделов:

1 — Вьюшка или задвижка, перекрывающая дымоходную трубу.

2 — Загнеток — вторая стенка перед входом камеру, расположенную под сводом.

3 — Запечье — поверхность печи, повернутая к стене дома.

4 — Заслонка — съемная стальная или чугунная дверца, закрывающая устье печи во время протопки, приготовления блюд или выпекании хлеба. Ее прижимают к стенкам загнетка.

5 — Зеркало — это передняя поверхность печи, отражающая тепло в помещение.

6 — Лежанка — спальное место, подогреваемое изнутри, от свода варочной камеры.

7 — Опечье — нижняя часть печи расположенная сразу на фундаменте.

8 — Печурки — глухие отверстия-ниши, позволяющие сохранять и распространять тепло по комнате, более длительное время. В них часто ставится кухонная посуда, чтобы поддерживать приготовленные блюда в разогретом состоянии.

9 — Под — основание варочной камеры. Обычно делается с небольшим уклоном к устью.

10 — Припечье — деревянная пристройка к внешней стороне печи — зеркалу. Ее используют как лестницу для подъема на лежак, а также как полку для сушки обуви.

11 — Свод — это потолок варочной камеры выложенный в виде арки.

12 — Нижняя часть дымоходной трубы.

13 — Устье — это область пода, расположенная в его передней части, которая может выполнять роль варочной камеры.

14 — Чело — торец пода, то есть нижней части варочной камеры.

15 — Шесток — выступающая вперед от общей поверхности стены часть пода.

Русская печь в процессе кладки. Выложено дно главного очага. Хорошо виден особый отдел внизу – подпечек.

Кроме перечисленных выше отделов, «классикой» русской печи обычно является подпечное пространств, которое так и называется – подпечек. Здесь хранится необходимый инвентарь, а также досушиваются занесенные с улицы дрова.

Принцип возникновения печной тяги

При правильном строении печи и чистых каналах, тяга должна образовываться естественным образом, так как необходимые условия к ее возникновению заложены в самой конструкции отопительного строения.

На данной схеме представлена комбинированная конструкция, включающая в себя не только русскую печь с лежанкой, но и отдельно вынесенную кухонную плиту, имеющую собственную топку.  Кроме того, для второго этажа в общую трубу «врезан» камин.

Главным в этом процессе является дымоход, по которому дым удаляется из функционирующей печи. При горении топливной массы образуется область разряженного воздуха, благодаря разнице в высоте расположения топочной камеры, дымоотводных каналов и устья (выходного отвертсия) дымоходной трубы. Таким образом, возникает вытяжная сила, способствующая удалению газообразных продуктов горения.

Еще одним значимым фактором является разница температур в топочной камере и в атмосфере, так как нагретый воздух стремиться вверх к более низким температурам.

Казалось бы, принцип образования тяги прост, однако, существует достаточно моментов, которые могут осложнить процесс отвода продуктов горения.

Зачастую тяга отсутствует под воздействием внешних факторов. Но может она зависеть и от неправильно рассчитанных параметров некоторых отделов печной конструкции. В любом случае, если возникла такая проблема, в первую очередь необходимо найти ее причину, а затем уже искать пути ее устранения.

Причины отсутствия тяги в печи

Как уже говорилось выше, тяга в русской печи может отсутствовать по разным причинам. Очень важно бывает правильно разобраться — когда возникло явление недостаточности тяги: при первых испытаниях отопительного сооружения, или же в процессе его эксплуатации, притом что ранее печь топилась вполне нормально..

Тяги нет при испытании новой печи

Перед тем как производить испытание только что выстроенной печи, ее необходимо просушить. Во влажном строении не только может отсутствовать тяга, но и способен пойти трещинами раствор, а иногда даже деформироваться и треснуть сама кирпичная кладка.

Недавно сложенная построенная классическая русская печь. После хорошей просушки можно переходить к испытаниям.

Глиняная масса, применяемая в качестве раствора, должна просушиваться при естественных температурах, без резких скачков в сторону повышения или, наоборот, понижения.

Просушка печи в естественных условиях проходит в течение 5÷7 дней, при этом все дверцы и задвижки должны быть открыты. На этом первом этапе просушки допускается ускорить процесс с помощью положенной в топочную камеру мощной лампы накаливания, например, на 200 Вт. Ее необходимо держать включенной на протяжении всего просушивания печи. Лампа не даст сильного жара, она будет слегка подогревать стенки и создавать восходящий поток теплого воздуха.

Еще одним вариантом, допустимым для ускорения процесса испарения влаги является установка тепловентилятора или инфракрасного обогревателя, направленного в открытую дверцу топочной камеры.

Далее, приступают к просушке с помощью легкого протапливания. Этот этап длится 7÷14 дней, в зависимости от объема печного сооружения.

Для этих целей печь протапливается три — четыре раза в сутки, с примерной длительностью по полтора часа. При этом может использоваться бумага, тонкая щепа или хворост, в объеме два — три килограмма на одну закладку. Это топливо не даст большого жара, но ускорит просыхание кладки.

Вместо щепы и хвороста, можно использовать несколько (5÷6 шт.) хорошо высушенных небольших поленьев.

Если, во время второго этапа сушки с протапливанием дым пошел в комнату, это может быть вызвано несколькими причинами:

• Нарушение схемы возведения дымохода или его каналов. Например, если длина горизонтально расположенных каналов больше допустимых размеров в 1500÷2000 мм. Другой некорректный вариант, когда газовые каналы имеют недостаточную ширину для пропускной способности. Дым не успевает уходить в дымоход, ему некуда деваться, и он начинает просачиваться в помещение. Другая «сторона медали» — когда каналы слишком широкие, создается слишком большая тяга, поэтому КПД печи значительно снижается (а он у русской классической печи и так не особо велик).

Для того чтобы процесс был уравновешен, кладка печи должна осуществляться исключительно по разработанному и проверенному на практике чертежу. В нем параметры каналов рассчитаны в зависимости от объема основного очага, а также от назначения печи и наличия дополнительных топочных камер.

• Неправильно обустроенный выход в колодец дымохода. Размеры этого отдела печи должен превышать сечение газового канала или, в крайнем случае, они должны быть одинаковыми. Кроме этого, верхний край выхода в колодец должен быть расположен выше верхнего края дверцы топочной камеры. Иначе при открывании этой дверцы дым будет поступать в помещение.

При кладке печи, если выходное отверстие обустроить выше по каким-либо причинам нет возможности, то вдоль задней стенки печи выстраивается дополнительная перегородка, образующая канал, который связывают с выходом в дымоход. Это пространство к тому же станет препятствием для попадания в дымоход не догоревших твердых частиц продуктов сгорания дров.

• Если дымоход гильзован металлической трубой, ее диаметр на всем протяжении должен быть одинаковым. Таким образом, в местах соединения труб не будет скапливаться большое количество сажных отложений, которые также могут препятствовать созданию нормальной тяги.
• Поддувальное отверстие, расположенное в нижней части печи под топкой или же под шестком, должно иметь определенные параметры, которые определяются размерами топочных отделов. Иначе притока воздуха будет недостаточно для создания нормальной тяги.
• На оголовке трубы не установлен защитный колпак, препятствующий попаданию в отверстие дымохода влаги от осадков, а также пыли и другого мусора. Этот фактор также может стать причиной появления обратной тяги.
• При возведении печи швы кладки между кирпичами или же вокруг металлических элементов не были достаточно герметизированы. То есть в топочную камеру проникает воздух извне, а у дыма появляется возможность найти себе выход помимо трубы дымохода.

Высота дымохода над поверхностью крыши и относительно ее конька.

• Дымоходная труба имеет недостаточную высоту относительно конька крыши. В связи с этим в дымоходе могут возникать завихрения, создающие препятствия для образования нормальной тяги. Как можно видеть на выше представленной схеме, высота дымохода зависит от расстояния (в горизонтальной проекции) между коньком и расположением трубы:

— при удалении трубы от конька до 1500 мм, труба должна возвышаться над уровнем конька минимум на 500 мм.

— если труба удалена от конька на расстояние от 1500 до 3000 мм, то допускается совпадение по высоте с линией конька;

— при расстоянии между коньком и трубой свыше 3000 мм, оголовок трубы должен расположиться не ниже условной линии, проведенной через точку конька под углом 10° к горизонту.

• Неправильно обустроенная вентиляция помещения или даже ее отсутствие также может привести к возникновению обратной тяги. В случае если невозможно создать нормальную систему приточной вентиляции, то необходимо на время топки создавать приток воздуха открытием форточек или дверей. Но здесь тоже могут быть негативные нюансы. Так, нарушение нормальной тяги может отмечаться в следующих случаях:

— в комнате открыты окна, которые расположены намного выше топочной дверцы;

— при возникновении в комнате сильных сквозняков, которые тоже нарушают нормальное движение дымовых газов по дымоходным каналам;

— если на улице сильный ветер.

• В случае если русская печь имеет несколько отделов, то есть в ее конструкции присутствует несколько топочных камер. Разделяющая их перегородка может быть выстроена неправильно или же сечение дымохода недостаточное, поэтому у него низкая пропускная способность — эти два фактора также способствуют снижению тяги.

Простейший способ проверки наличия тяги – зажженная спичка или бумага, поднесенная к слегка приоткрытой дверце топки.

Чтобы не допускать задымления комнаты при испытании печи, тягу можно проверить, и, не разжигая дрова в топке. Достаточно, поднести к открытой дверце горящий лист бумаги или спичку и проследить за направлением пламени. Если пламя направлено в сторону топки, то тяга есть, если же в сторону комнаты, то необходимо искать причину ее отсутствия.

Отсутствие тяги в старой печи

В случае если тяга пропала в ранее хорошо работающей русской печи, то причины этого явления могут существенно отличаться от перечисленных выше.

Возникновение обратной тяги в давно работающей русской печи – дым начинает валить в комнату.

Итак, если печь работала нормально, но вот однажды при ее разжигании обнаружилось, что дым срамиться проникнуть в комнату, то причиной этому могут быть следующие неполадки.

• За период эксплуатации произошла разгерметизация дымохода, то есть в кладке под влиянием атмосферных факторов и перепадов температуры образовалась трещины. Именно такие повреждения способны ослабить тягу в печи, давно сданной в эксплуатацию.

Возгорание стропильной системы может произойти из-за повреждения стенок дымоходной трубы.

В этом случае существует и еще одна серьезнейшая опасность — это искры и частицы горящей сажи, которые могут проникать через образовавшиеся в стенках дымохода отверстия. Разлетаясь, искры могут попасть на горючие материалы как самой крыши дома, так и соседних построек, что может привести к пожару.

Механическая очистка дымохода профессиональным трубочистом.

• Сужение внутреннего пространства дымохода из-за засоров, вызванных сажными отложениями. В этом случае проблему можно решить, только очистив внутренние поверхности дымоходной трубы, а также каналов и топочной камеры.

Если даже в период эксплуатации производится профилактическая чистка системы отвода дыма, то в первую очередь, как правило, затрагиваются легкодоступные прямые участки конструкции. Однако, скопление сажных отложений возникает на поворотах или изгибах каналов, где дым изменяет свое направление.

Из-за недостаточно хорошо очищенного дымохода тяга обязательно снизится. Если нет возможности выполнить очистку дымохода самостоятельно, то следует пригласить для этой работы опытного специалиста.

Если же решено произвести очистку самостоятельно, то для этой цели используются следующие методы:

— Крахмал или подсушенные картофельные очистки, которые сжигают в топочной камере. Они способны частично прочистить трубу, их также используют в профилактических целях.

— Вертикальные участки дымоотводной системы прочищаются специальным ершом, к которому привязывают тяжелый предмет, способный потянуть за собой легкую по весу щетку. Она и соберет со стенок сажные отложения, часть которых попадет в горизонтальные каналы или топку.

— Из горизонтальных каналов осыпавшаяся сажа выгребается через очистные окошки или же отверстия, заложенные кирпичом, который временно извлекается.

— Почистить дымоход можно и с помощью хорошо просушенных осиновых дров, которые имеют низкое содержание смолы, являющейся причиной образования сажи. Такой способ издавна применяли хозяева печей. При сжигании осиновых дров поддувало должно быть полностью открыто, чтобы дым свободно уходил в трубу, даже при наличии засора.

Специальное химическое средство для очистки внутренних поверхностей печи от сажных отложений.

— Сегодня в продаже можно найти специальные порошки для удаления сажных отложений. Они предназначены для сжигания их в топке вместе с дровами. После прогорания такой закладки дымоход остается чистым, остается только очистить топку от золы.

Используя способы очистки с помощью осиновых дров или крахмала, необходимо соблюдать правила безопасности, так как сажа начнет гореть непосредственно в трубе. Тяга становится интенсивнее при освобождении пространства от сажи, при этом труба сильно нагревается, и искры начинают вырываться наружу. Поэтому чаще всего подобные способы применяются в тех случаях, когда толщина налета на стенках составляет около 3 мм. Если же дымоход забит нагаром основательно, то сначала стоит применить механический способ очистки, а затем уже сжечь в топке одно из выше названных веществ.

• Длительная пауза в эксплуатации печи. Если в летний период печь не используется, внутри каналов может скопиться влага, которая, испаряясь, формирует во внутреннем пространстве трубы воздушные пробки (плотные слои воздуха). Они-то и препятствуют свободному выходу дымовых газов наружу. Однако эта проблема должна решиться сама собой через несколько «сеансов» топки. Поэтому подготавливать печь к отопительному сезону необходимо заранее, пока не наступили холода, и помещение можно без ущерба комфортности проветрить. Чтобы не возникало подобных проблем, лучше всего в профилактических целях выбрать летом прохладные дни и протопить печь двумя — тремя килограммами дров.
• Нарушение герметичности кладки самой печи. Это может произойти при деформации некачественно подготовленного фундамента, из-за слишком широких швов в кладке, неправильно подобранных ингредиентов или консистенции раствора. Все эти факторы могут привести к возникновению трещин, снижающих тягу. Кроме того, угарные газы через образовавшиеся зазоры могут проникать в комнату или под кровлю, что крайне опасно, так как существует возможность возникновения пожара. Угарный газ сам по себе чрезвычайно опасен для здоровья и жизни человека – вызывает обширное токсическое поражение организма.

Способы повышения тяги в русской печи

Когда профилактические мероприятия по очистке каналов и дымохода от сажных отложений, ревизии на предмет целостности конструкции будут произведены, можно воспользоваться некоторыми способами по оптимизации тяги. Однако, делать это стоит только в том случае, если после очистки тяга остается слабой. Усилить тягу можно, не прибегая к помощи специалистов или же сложных электрозависимых приборов, а также с применением последних.

Дефлектор-флюгер, установленный на трубу, поможет нормализовать тягу в печи. Он всегда разворачивает устье трубы так, чтобы ветер не мешал свободному выходу дыма.

• Дефлектор или флюгер. Это приспособление является модифицированной версией колпака, который ранее использовался для установки на дымоходы. Дефлектор рационально использует ветер для создания вытяжной тяги печи.

Турбодефлектор или вентиляционная турбина для отвода продуктов горения из печи.

• Вентиляционная турбина при своей работе использует энергию ветровых потоков, создавая нужное разрежение воздуха в шахте дымохода. Благодаря этому увеличивается тяга, которая интенсивно отводит продукты сгорания, исключается эффект обратной тяги. Это устройство также защищает устье трубы от попадания атмосферных осадков и различного мусора.

Дефлектор — регулятор тяги в дымоходе.

• Регулятор тяги — еще один вариант дефлектора, который не только нормализует интенсивность отвода продуктов горения, но и служит защитой для дымохода от попадания воды и мусора.  В нижней части этого приспособления, напоминающего зонт, находится зона свободного пространства для прохождения потоков воздуха. Существуют модели регуляторов, оснащенные специальными датчиками, которые способны не только повысить тягу, но и отрегулировать ее интенсивность. Например, при плохой тяге русской печи, выходящие газы, воздействуя на тепловой датчик, будут способствовать ее усилению, соответственно увеличат эффективность работы печи. При ослаблении горения, датчик понизит интенсивность тяги.

Жаропрочный вентилятор для дымохода.

• Электрический дымовой вентилятор. Установить этот прибор на дымоотводную трубу, конечно же, будет стоить значительно дороже. Однако, он стопроцентно обеспечит нормальную тягу, независимо от погоды и атмосферного давления. Прибор будет вытягивать практически все продукты горения, поэтому засорение дымохода маловероятно. Такие вентиляторы обладают достаточно высокой мощностью. Поэтому некоторые модели устанавливают в сложные конструкции многоуровневых дымоходов и вентиляционных систем многоэтажных строений.

Элементы печи и необходимость их регулярной профилактики

Чтобы печь функционировала нормально, а тяга всегда была оптимальной, необходимо знать, как правильно производить профилактические работы. Поэтому в данном разделе будет подробно описаны области печи, которые следует контролировать и подвергать регулярной очистке.

Схема расположения отделов печи, подлежащих регулярной очистке.

На расположенной выше схеме русской печи пронумерованы отделы, которые требуют регулярной ревизии и прочистки.

1 — Зольник. Этот отдел печи обычно очищается каждый раз, перед началом очередной закладки дров и топки печи.

2 — Поддувало. Очистка этой камеры от зольной пыли производится периодически. Поддувало регулирует поступление воздуха в топливную камеру. Здесь необходимо отметить, что в большинстве конструкций печей зольник объединен с поддувалом, и в этом случае чистка, понятно, производится перед каждым использованием печи.

3 — Поддувальная дверца. Растапливая печь, дверцу поддувала необходимо держать открытой, а в процессе горения топлива, ее оставляют приоткрытой. Благодаря такой регулировке в системе отвода дыма создается тяга необходимой интенсивности.

4 — Колосник (колосниковая решетка). Этот элемент конструкции очищается перед тем, как закладывать в топливную камеру топливо.

5 — Топливная камера должна осматриваться перед каждой закладкой топлива. При появлении на стенках топки нагара, его следует периодически удалять.

6 — Зев топливной камеры (загрузочный туннель) после закладки топлива должен быть свободен. Поэтому, когда топка будет заполнена дровами из туннеля, следует удалить все элементы, мешающие плотному закрытию дверцы.

7 — Дверца топливной камеры открывается только при проведении загрузки топлива, а также при проведении профилактических работ.

8 — Устье топки (хайло) служит для отведения продуктов горения в дымоотводные каналы. Эта зона очищается одновременно с топочной камерой.

9 — Вертикальные каналы, одновременно являются теплоаккумулирующей областью печи. Эта зона может поддерживаться в нормальном состоянии путем периодического сжигания в печи крахмала или химического очищающего порошка. Однако, капитальную ежегодную чистку этого отдела, равно, как и трубы дымохода, чаще всего проводит трубочист.

10 —  Передняя стенка печи (чело). По челу, выше дверцы топки, примерно на 600 мм, определяется на ощупь, достаточно ли оптимален режим работы (ход) печи.

11 — Вьюшка. При растапливании печи и ее функционировании полностью открывается. При догорании топлива может быть немного прикрыта для сохранения жара. Закрывается вьюшка только после полного прогорания топлива, когда гарантированно прекращается выделение угарного газа.

12 — Шибер предназначен для регулировки тяги в дымоходе. Этим элементом в комплексе с поддувальной дверцей устанавливается оптимальная работа печи.

13 — Прочистная дверца используется для разряжения воздуха в дымоходе при запуске долго не топившейся печи, стоявшей в холоде, а также для дополнительного контроля за силой тяги.

14 — Шахта дымохода является основным каналом, отводящим продукты горения топлива. Именно его целостности и регулярной очистке следует уделять особое внимание.

15 — Дровник или камера для просушки дров не связана ни с одним из отделов печи, в которые попадает открытый огонь или продукты сгорания топлива. Пространство дровника хорошо прогревается для того, чтобы подготавливаемые для очередных закладок дрова избавились от лишней влаги, накопленной при хранении на улице. В русской печи этот отдел, как правило, расположен в нижней части чела печи под шестком.

Расположение дровника (подпечника) в русской печи.

Представленная конструкция может несколько отличаться от строения русской печи, но основные регулирующие тягу элементы у всех печей идентичны. Русская печь может отличаться конструкцией теплоаккумулирующих отделов, так как они представляет собой общее пространство, находящееся между сводом основной топливной камеры и поверхностью лежака.

*  *  *  *  *  *  *

Теперь, зная, как устроена печь, и в каких отделах может возникнуть проблема недостаточности тяги, можно решить ее, используя различные способы прочистки. Чтобы не столкнуться со снижением эффективности вновь, следует регулярно заниматься ревизией печи и выполнением профилактических мероприятий. И не жалеть средств для вызова, опытного специалиста, который подскажет, на какие нюансы эксплуатации конкретной модели следует обращать повышенное внимание. Камин в квартире изучайте по ссылке.

В завершение публикации – видеосюжет, в котором своими выводами о причинах возможного дымления печи делится специалист:

Видео: Дымит печь – отчего это может происходить?

Почему нет тяги в банной печи | Дачный прораб Толик

Сердце бани – печь. Какие бы модели сегодня ни предлагались на рынке, для сауны и парной годится только несколько вариантов – каменка, металлическая или кирпичная. Конструкции их мало отличаются друг от друга, так что причины того, почему дымит печь в бане, тоже оказываются похожими.

Почему дымит печка в бане

Устройство банной печи относительно простое. Конструкция включает 4 функциональных элемента:

• зольник – камера, расположенная под топкой, здесь накапливается зола и пепел – остатки сгоревших дров или угля, его следует периодически очищать;
• топка – камера, где сгорает топливо, нагревается воздух, который затем, перемещаясь по дымоходным каналам, прогревает стенки корпуса, топочную камеру и зольник разделяет колосниковая решетка;
• дымоходная труба – канал, по которому газообразные продукты сгорания выводятся наружу, правильное строение дымохода обеспечивает тягу;
• каменка – приспособление, присущее только банной печи, это емкость с камнями, которые нагреваются от корпуса, аккумулируют тепло и отдают его воздуху, но более равномерно и намного дольше, чем это делает металлическая печь.

Если нет тяги в бане, причиной выступает любое нарушение в работе или строении элементов конструкции, за исключением каменки.

Ошибки в конструкции печи, приводящие к задымлению

Если при первой же попытке затопить печь в бане, идет дым, это указывает на ошибки конструкции. Рекомендуется сразу же обратиться к специалисту:

• плохая тяга в банной печи чаще всего появляется при ошибке в устройстве дымохода, сечение канала, высота устройства, внутренняя поверхность – эти параметры определяют функциональность конструкции;
• вторая принципиальная ошибка – теплоизоляция, в топочной камере газ имеет очень высокую температуру, поднимаясь по трубе, он охлаждается при соприкосновении со стенками дымохода в бане, если температура упадет слишком сильно, дым возвращается назад; дымоходную трубу, особенно металлическую, необходимо тщательно утеплять;
• теплоизолировать нужно саму печь: если площадь бани велика или отапливается одновременно парилка и предбанник, корпус теряет много тепла, а дым охлаждается;
• герметичность – речь идет о швах и о дверцах, топка и поддувало должны закрываться плотно, чтобы обеспечивать хорошую тягу.

Важно! Если дым в бане появляется не сразу, а спустя несколько лет эксплуатации, это говорит не о конструкционной ошибке, а о неполадке или исчерпании ресурса.

Длина трубы

Имеет значение высота дымохода в бане. Он должен возвышаться над коньком здания, иначе тяги будет недостаточно для нормальной работы печи. Дымоотводное сооружение защищают металлическим колпаком. Если его нет, сильный ветер легко проникает внутрь и не позволяет выводить дым.

Еще одна конструкционная ошибка – расположение дымоотводного канала на одном уровне с дверцей топочной камеры или даже ниже ее. В этом случае обычной тяги недостаточно, чтобы предупредить возврат дыма.

Лучший вариант – прямая труба. Отклонение от вертикали допускается, но ослабляет тягу. Повороты и углы увеличивают риск засорения.

Недостаточная величина сечения дымохода

Размеры печи в бане зависят от величины обогреваемого помещения. Этот параметр определяет не только размеры топочной камеры, но и, соответственно, диаметр дымоотвода. Эти параметры устройства имеют определяющее значение:

• при слишком малом диаметре тяга сначала хорошая, но при интенсивной эксплуатации узкая труба просто не успевает пропустить большой объем газа, а каменка в бане дымится;
• при слишком большом диаметре тяга очень плоха, печь с трудом разжигают, она дымит почти постоянно;
• форма дымоходного канала также имеет значение, лучший вариант – круглое сечение, по углам квадратного образуются завихрения, они мешают выводу дыма, что приводит к задымлению;
• сужения по ходу дымоотводного канала заметно затрудняют прохождение газов, что тоже вызывает опрокидывание тяги.

Важно! Лучшим вариантом для печи в бане является стальной дымоход. Однако такой вариант обязательно следует теплоизолировать, и не только при прохождении через перекрытие, но и по всей длине.

Негерметичный дымоход

Трещины кирпичной кладки или прогорание швов металлического дымохода делает его негерметичным. Это весьма опасная неполадка, так как через такие отверстия дым проникает в помещение, причем в малозаметном количестве. Пользователь не чувствует появления угарного газа, а последний при минимальной концентрации может привести к смерти.

Также через стыки внутрь парилки попадают искры, а это грозит пожаром в бане.

На фоне таких опасностей нарушение тяги не выглядит серьезной проблемой. Однако наличествует и она. Ремонт банных печей включает осмотр стыков и швов на предмет герметичности и устранение нарушений.

Читать далее: https://2proraba.com/banya/pochemu-net-tyagi-v-bannoj-pechi.html

Если эта статья оказалась вам полезной, ставьте лайк и подписывайтесь на наш канал. Не забывайте делиться информацией с друзьями в социальных сетях.

почему нет и как улучшить?

Так что же такое тяга? Это, если говорить научным языком, аэродинамический направленный поток воздуха дымовых газов в какой-либо вытяжной конструкции. Происходит это явление из-за того, что и ветер – все дело в разности давления воздуха внутри печи и снаружи, воздушные массы всегда стремятся туда, где сопротивление наименьшее. А говоря простыми словами, обратная тяга в дымоходе – это когда поток воздуха газов уходит от горящих дров не в дымоход наружу, а назад в помещение. Есть еще также термин «опрокидывание тяги» — а это когда направления движения воздушного потока на короткое время меняется на противоположное.

Вы удивитесь, но привести к сложностям с тягой могут рядом стоящие высокий здания или деревья, и если высота дымохода ниже конька крыши. Факторов – множество, так давайте вместе разберемся, почему именно у вас возникает такая проблема и как улучшить тягу в дымоходе раз и навсегда.

Как понять, есть ли обратная тяга?

Заметить первые признаки проблемной тяги легко – если дрова в вашей печи горят с большим количеством дыма, стекло на дверце мгновенно коптится и при открытии дверцы дым сразу ввалится в комнату отдыха – тяга слишком слаба. И если не разобраться, как увеличить тягу в дымоходе, она вскоре станет не только плохой, но и обратной.

Проверить силу тяги в дымоходе вы можете такими простыми способами:

• Туалетным листом бумаги – как именно он отклоняется.
• Направлением дыма от сигареты.
• Появлением дыма в помещении – это уже обратная тяга.
• Гулом в дымоходе и белым цветом пламени – тяга уже чересчур.
• Желто-золотистым цветом пламени – хорошая тяга.

В советское время существовал даже специальный прибор для того, чтобы измерять тягу в дымоходе – анемометр. По нему и получали определенные объективные данные, если скорость ветра была больше одного метра в секунду. Сегодня уже используются более современные аппараты, измеряющие тягу дымохода в единицах давления – какое у основания дымохода, и какое вверху. Стоят они немало, но если у вас не решается проблема с тягой – лучше приобрести.

Почему возникает данный эффект?

Откуда она берется и кто виноват? Ну, самая частая причина – это ошибка в конструкции дымохода. Далее, не менее популярные «виновники» — это мусор в дымоходе, сильные воздушные потоки в трубе и даже определенное влияние атмосферных явлений.

Причина #1 — конструкция дымохода

В первую очередь имеет значение сама конструкция дымохода – у слишком высокой тяга всегда сильная, а у низкой – часто недостаточная. Оптимальная длина – чуть более 5 метров, тогда проблемы с тягой возникают редко и уж точно не из-за высоты трубы.

Также площадь сечения дымохода должна соответствовать печи – при слишком малых размерах сечения и одновременно при мощной печи большой объем продуктов сгорания попросту не может нормально уйти, достаточной тяги не создается. Как и несоразмерно объемный дымоход приведет к тому, что все тепло, как любят говорить в народе, «будет вылетать в трубу». И ни в коем случае нельзя, чтобы у дымохода были установлены трубы разных диаметров на разных участках – будет и сажа, и проблемы с тягой.

Серьезное препятствием для движения дыма служит и неровная поверхность трубы – любые отложения уменьшают диаметр трубы, и печь растопить с каждым разом все сложнее и сложнее. Свои сложности создают и углы наклоны с поворотами дымохода – если в них постоянно скапливается сажа в углах, она тоже будет препятствовать нормальной тяге. Чтобы этого не произошло, при конструировании придерживайтесь стандартных норм – отвод 45°, поворот 90°.

Важна еще и сама форма дымового отверстия: круглая наиболее благоприятна для хорошей тяги, а вот с квадратной и прямоугольной чаще всего как раз и возникают проблемы. Так, в этих углах возникает дополнительное завихрение по углам, которое немного препятствует общему потоку и в общей сложности уменьшает тягу.

К слову, самая частая проблема плохой тяги – у металлических дымоходов. Их беда в том, что они быстро нагреваются, но также быстро и остывают, а холодный воздух всегда опускается вниз. Старые добрые кирпичные дымоходы в этом плане более надежны.

Причина #2 — нарушение вентиляции

Также отсутствие вентиляции в комнате, где топится печь, может привести к такой напасти. Проверьте и наличие сквозняков – не слишком ли они сильны? Такие вихри прямо в помещении могут «сбить с толку» направление дыма, как бы странно это не звучало. Кстати, интенсивные воздушные потоки в банях возникают часто из-за лестницы на второй этаж. Проследите за этим, и никогда не открывайте окна на лестничной площадке, если она намного выше уровня топки.

Обратите внимание также на вентиляцию, если у вас газовая колонка в котельне. Она все равно будет вытягивать воздух из помещения для горения, со временем образуется серьезный недостаток кислорода и возникнет критическое разрежение воздуха. Время от времени через дымоход будет врываться поток воздуха, колонка будет гаснуть, а помещение – задымляться. У вас именно такая ситуация? Еще глухо-герметичные пластиковые окна стоят? Срочно займитесь вопросом вентиляции.

Причина #3 — внешние факторы

Попасть дым в помещение также может из-за высокой влажности на улице или сильном ветре. Или когда на улице уже явно теплее, чем в доме – все та же разница давлений. Если у вас причина в этом, вы непременно услышите неприятный запах гари. Просто откройте тогда окно и хорошо проветрите, пусть температуры немного выровняются.

И очень редко, но бывает, что причиной, почему нет нормальной тяги в дымоходе, служит ветер, который вызывает завихрения над крышей – если рядом по-особому расположены близлежащие постройки и рядом слишком ветвистые деревья. Или неправильно направлен оголовок по отношению к коньку крыши – и такое бывает.

И, наконец, играет роль и тот факт, где именно у вас размещен дымоход. Во внутренней части бани он хорошо влияет не только на отопительную способность системы, но и дает возможность поддерживать сильную тягу даже в морозы. А вот внешний, который проходит вдоль наружной стены, прогревается уже дольше и в нем нередко образовывается конденсат.

Как решить проблему обратной тяги?

Поможет справиться с обратной тягой такой предмет, как дефлектор – это механический вентилятор, задача которого состоит в подсосе дыма из дымоходной шахты. Посмотрите также, как стоит также шибер – специальная заслонка, с помощью которой как раз тягу и регулируют. Один шибер в дымоходном канале, второй обычно либо в печи, либо в ее дверце. Поиграйте с их положением – это своего рода усилитель тяги в дымоходе и проблема в 99% случаев решается именно так.

Иногда обратная тяга возникает как временный вариант – только на день или два. Например, если вы давно не использовали печь, а тут из-за сырой прохладной погоды решили растопить. А ведь в печи и в дымоходе уже накопился тяжелый холодный воздух, который сразу станет препятствовать созданию тяги и дым пойдет к вам в гостиную. И что делать с периодически возникающей обратной тягой? Все просто: определите причину и устраните ее. А для подстраховки используйте еще стабилизатор тяги для дымохода – это устройство вторичной подачи воздуха, так, чтобы сила движения воздуха по дымоходу была оптимальной. У стабилизатора есть защитный клапан, который в случае чего предотвратит возникновение слишком сильного давления.

Избавиться от холодного воздуха в дымоходе после долгого перерыва в растопке поможет обычная бумага – сожгите пару листов, слегка нагретый воздух поднимется по трубе и вытолкнет холод. После этого уже растапливайте печь – проблем не будет.

И, наконец, вовремя прочищайте дымоход – и если есть возможность для него установить тройник трубы для очистки, не пренебрегайте этим. Надеемся, что к концу прочтения этой статьи вы уже нашли причину обратной тяги, с чем вас и поздравляем!

Знакомство с ракетным двигателем | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Третий закон движения Ньютона.
• Объясните принцип приведения в движение ракет и реактивных двигателей.
• Выведите выражение для ускорения ракеты.
• Обсудите факторы, влияющие на ускорение ракеты.
• Опишите функцию космического челнока.

Ракеты

различаются по размеру от фейерверков, настолько маленьких, что обычные люди используют их, до огромных ракет «Сатурн V», которые когда-то отправляли огромные полезные нагрузки к Луне. Движение всех ракет, реактивных двигателей, спускаемых воздушных шаров и даже кальмаров и осьминогов объясняется одним и тем же физическим принципом — третьим законом движения Ньютона. Материя принудительно выбрасывается из системы, вызывая равную и противоположную реакцию на то, что остается. Другой распространенный пример — отдача ружья. Пистолет оказывает на пулю силу, ускоряющую ее, и, следовательно, испытывает равную и противоположную силу, вызывая отдачу или толчок пистолета.

Установление соединений: домашний эксперимент — движение воздушного шара

Возьмите воздушный шар и наполните его воздухом. Затем отпустите воздушный шар. В каком направлении выходит воздух из воздушного шара и в каком направлении он движется? Если вы наполните воздушный шар водой, а затем отпустите его, изменится ли направление воздушного шара? Поясните свой ответ.

На рис. 1 показана ракета, ускоряющаяся вертикально вверх. На рисунке 1а ракета имеет массу м и скорость v относительно Земли, а значит, и импульс м v .На рисунке 1b истекло время Δ t , за которое ракета выбросила горячий газ массой Δ m со скоростью v _e относительно ракеты. Остальная часть массы ( м — Δ м ) теперь имеет большую скорость ( v + Δ v ). Импульс всей системы (ракета плюс выброшенный газ) фактически уменьшился, потому что сила тяжести действовала в течение времени Δ т , создавая отрицательный импульс Δ p = — мг Δ т .(Помните, что импульс — это чистая внешняя сила, действующая на систему, умноженная на время ее действия, и она равна изменению количества движения системы.) Итак, центр масс системы находится в свободном падении, но из-за быстрого вытеснения массы , часть системы может ускоряться вверх. Это широко распространенное заблуждение, что выхлоп ракеты толкает землю. Если рассматривать тягу; то есть сила, действующая на ракету со стороны выхлопных газов, тогда тяга ракеты больше в космическом пространстве, чем в атмосфере или на стартовой площадке.На самом деле газы легче удалить в вакуум.

Рис. 1. (a) Эта ракета имеет массу m и скорость восходящего потока v . Чистая внешняя сила, действующая на систему, составляет — мг , если пренебречь сопротивлением воздуха. (b) Спустя время Δt система состоит из двух основных частей: выбрасываемого газа и остальной части ракеты. Сила реакции на ракету — это то, что преодолевает силу тяжести и ускоряет ее вверх.

Вычислив изменение количества движения для всей системы за Δ t и приравняв это изменение к импульсу, можно показать, что следующее выражение является хорошим приближением для ускорения ракеты.

[латекс] \ displaystyle {a} = \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} — g \\ [/ latex]

«Ракета» — это та часть системы, которая остается после выброса газа, а g. — ускорение свободного падения.

Разгон ракеты

Ускорение ракеты

[латекс] \ displaystyle {a} = \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} — g \\ [/ latex]

, где a — ускорение ракеты, v _e — космическая скорость, m — масса ракеты, Δ m — масса выброшенного газа и Δ t — время выброса газа.

Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов, согласующихся с уравнением ускорения ракеты. Во-первых, чем больше скорость истечения газов относительно ракеты, v _e , тем больше ускорение. Практический предел для v _e составляет около 2,5 × 10 ³ м / с для обычных (неядерных) двигательных установок на горячем газе. Второй фактор — это скорость выброса массы из ракеты. Это фактор [латекс] \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \\ [/ latex] в уравнении.Величина [латекс] \ left (\ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \ right) v _ {\ text {e}} \\ [/ latex] в единицах ньютонов называется « толкать.» Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше у нее тяга и больше ускорение. Третий фактор — это масса м ракеты. Чем меньше масса (при прочих равных), тем больше ускорение. Масса ракеты m резко уменьшается во время полета, потому что большая часть ракеты изначально является топливом, так что ускорение непрерывно увеличивается, достигая максимума непосредственно перед тем, как топливо будет исчерпано.

Факторы, влияющие на ускорение ракеты

• Чем больше скорость истечения газов v _e относительно ракеты, тем больше ускорение.
• Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше ее ускорение.
• Чем меньше масса ракеты (при прочих равных), тем больше ускорение.

Пример 1. Расчет ускорения: начальное ускорение при запуске Луны

Масса Сатурна V при взлете составляла 2.80 × 10 ⁶ кг, скорость сжигания топлива 1,40 × 10 ⁴ кг / с, скорость истечения 2,40 × 10 ³ м / с. Рассчитайте его начальное ускорение.

Стратегия

Эта задача представляет собой прямое применение выражения для ускорения, потому что a является неизвестным и все члены в правой части уравнения даны.

Решение

Подставляя заданные значения в уравнение для ускорения, получаем

[латекс] \ begin {array} {lll} a & = & \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} — g \\ \ text {} & = & \ frac {2.2 \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это значение довольно мало даже для начального ускорения. Ускорение неуклонно увеличивается по мере того, как ракета сжигает топливо, потому что m уменьшается, а v _e и [latex] \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \\ [/ latex] остаются постоянный. Зная это ускорение и массу ракеты, можно показать, что тяга двигателей составляла 3,36 × 10 ⁷ Н.

Чтобы достичь высоких скоростей, необходимых для перемещения по континентам, выхода на орбиту или полного выхода из гравитации Земли, масса ракеты, за исключением топлива, должна быть как можно меньше.Можно показать, что в отсутствие сопротивления воздуха и без учета силы тяжести конечная скорость одноступенчатой ​​ракеты, первоначально находящейся в состоянии покоя, равна [латекс] v = v _ {\ text {e}} \ ln \ frac {m_0} { m_ \ text {r}} \\ [/ latex], где [latex] \ ln \ frac {m_0} {m_ \ text {r}} \\ [/ latex] — натуральный логарифм отношения начальной массы от ракеты ( м ₀ ) до того, что осталось ( м _r ) после того, как все топливо будет израсходовано. (Обратите внимание, что v — это фактически изменение скорости, поэтому уравнение можно использовать для любого участка полета.{4.48} = 88 \\ [/ латекс]

Таким образом, масса ракеты

[латекс] \ displaystyle {m} _ {\ text {r}} = \ frac {m_0} {88} \\ [/ latex]

Рис. 2. Космический шаттл имел несколько частей многоразового использования. Твердотопливные ускорители с обеих сторон восстанавливались и заправлялись топливом после каждого полета, а весь орбитальный аппарат возвращался на Землю для использования в последующих полетах. Израсходовался большой бак жидкого топлива. Космический шаттл представлял собой сложную совокупность технологий, в которых использовалось как твердое, так и жидкое топливо, а также новаторская керамическая плитка в качестве теплозащитных экранов при входе в атмосферу.В результате он позволял запускать несколько раз вместо одноразовых ракет. (кредит: НАСА)

Этот результат означает, что при сгорании топлива остается только 1/88 массы, а 87/88 первоначальной массы составляло топливо. В процентах 98,9% ракеты составляет топливо, в то время как полезная нагрузка, двигатели, топливные баки и другие компоненты составляют только 1,10%. Принимая во внимание сопротивление воздуха и силу тяжести, оставшаяся масса m _r может быть только около m ₀ /180.Трудно построить ракету, в которой топливо имеет массу в 180 раз больше, чем все остальное. Решение — многоступенчатые ракеты. Каждая ступень должна достичь только части конечной скорости и выбрасывается после сжигания топлива. В результате каждая последующая ступень может иметь двигатели меньшего размера и большую полезную нагрузку относительно топлива. После выхода из атмосферы соотношение полезной нагрузки и топлива также становится более благоприятным.

Космический шаттл был попыткой создания экономичного транспортного средства с некоторыми частями многоразового использования, такими как твердотопливные ускорители и сам корабль.(См. Рис. 2). Потребность в управлении шаттлом, однако, сделала его запуск спутников не менее дорогостоящим, чем беспилотные ракеты одноразового использования. В идеале шаттл должен был использоваться только тогда, когда для успеха миссии требовалась человеческая деятельность, например, ремонт космического телескопа Хаббл. Ракеты со спутниками можно запускать и с самолетов. Использование самолетов имеет двойное преимущество: начальная скорость значительно выше нуля, и ракета может избежать большей части сопротивления атмосферы.

Исследования PhET: Лунный посадочный модуль

Можете ли вы избежать поля валунов и безопасно приземлиться непосредственно перед тем, как у вас закончится топливо, как это сделал Нил Армстронг в 1969 году? Наша версия этой классической видеоигры точно имитирует реальное движение лунного посадочного модуля с правильной массой, тягой, уровнем расхода топлива и лунной гравитацией. Настоящий лунный аппарат очень сложно контролировать.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

• Третий закон движения Ньютона гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.
• Ускорение ракеты равно [latex] \ displaystyle {a} = \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} — g \\ [/латекс].
• Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов. Они есть
  • Чем больше скорость выхлопа газов, тем больше ускорение.
  • Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше ее ускорение.
  • Чем меньше масса ракеты, тем больше ускорение.

Концептуальные вопросы

1. Профессиональное приложение. Предположим, что снаряд фейерверка взрывается, разбиваясь на три больших части, сопротивление воздуха которых незначительно. Как взрыв влияет на движение центра масс? Как это повлияет, если части будут испытывать значительно большее сопротивление воздуха, чем неповрежденная оболочка?
2. Профессиональное приложение. Во время посещения Международной космической станции астронавт неподвижно стоял в центре станции, вне досягаемости для любого твердого объекта, на который он мог бы воздействовать.Предложите метод, с помощью которого он мог бы отойти от этой позиции, и объясните, что это за физика.
3. Профессиональное приложение. Скорость ракеты может быть больше, чем скорость истечения газов, которые она выбрасывает. В этом случае скорость и импульс газа совпадают с направлением движения ракеты. Как ракета все еще может получить тягу, выбрасывая газ?

Задачи и упражнения

1. Профессиональное приложение. Антибаллистические ракеты (ПРО) спроектированы так, чтобы иметь очень большое ускорение, чтобы они могли перехватывать быстро летящие приближающиеся ракеты в кратчайшие сроки. Каково взлетное ускорение 10 000 кг ПРО, выбрасывающего 196 кг газа в секунду при скорости истечения 2,50 × 10 ³ м / с?
2. Профессиональное приложение. Каково ускорение ракеты массой 5000 кг, взлетающей с Луны, где ускорение свободного падения составляет всего 1,6 м / с ² , если ракета вылетает 8.00 кг газа в секунду при скорости истечения 2,20 × 10 ³ м / с?
3. Профессиональное приложение. Рассчитайте увеличение скорости космического зонда массой 4000 кг, который выбрасывает 3500 кг своей массы при скорости истечения 2,00 × 10 ³ м / с. Вы можете предположить, что гравитационная сила незначительна в месте нахождения зонда.
4. Профессиональное приложение. Ракеты с ионными двигателями были предложены для использования в космосе. Они используют методы атомной ионизации и ядерные источники энергии для получения чрезвычайно высоких скоростей выхлопа, возможно, до 8.00 × 10 ⁶ м / с. Эти методы позволяют получить гораздо более благоприятное соотношение полезной нагрузки к топливу. Чтобы проиллюстрировать этот факт: (a) Рассчитайте увеличение скорости космического зонда массой 20 000 кг, который выбрасывает только 40,0 кг своей массы при данной скорости истечения. (б) Эти двигатели обычно предназначены для создания очень небольшой тяги в течение очень долгого времени — например, такого типа двигателя, который может быть полезен при путешествии к внешним планетам. Вычислите ускорение такого двигателя, если он выбрасывает 4,50 × 10 90 · 103 −6 90 · 104 кг / с с заданной скоростью, предполагая, что ускорение свободного падения незначительно.
5. Выведите уравнение вертикального ускорения ракеты.
6. Профессиональное приложение. (a) Вычислите максимальную скорость, с которой ракета может выбрасывать газы, если ее ускорение не может превышать в семь раз ускорение силы тяжести. Масса ракеты после того, как у нее закончится топливо, составляет 75 000 кг, а ее скорость истечения составляет 2,40 × 10 ³ м / с. Предположим, что ускорение свободного падения такое же, как и на поверхности Земли (9,80 м / с ² ). б) Почему может быть необходимо ограничивать ускорение ракеты?
7. Рассчитайте среднюю скорость истечения газов, выходящих из огнетушителя, с учетом следующих данных для эксперимента с игрушечной ракетой-огнетушителем.Исходя из состояния покоя конечная скорость составляет 10,0 м / с. Общая масса изначально составляет 75,0 кг, а после срабатывания огнетушителя — 70,0 кг.
8. Сколько в одноступенчатой ​​ракете весом 100000 кг может быть что угодно, кроме топлива, если ракета должна иметь конечную скорость 8,00 км / с, учитывая, что она выбрасывает газы со скоростью истечения 2,20 × 10 ³ м / с?
9. Профессиональное приложение. (a) Кальмар массой 5,00 кг, первоначально находящийся в состоянии покоя, выбрасывает 0,250 кг жидкости со скоростью 10.0 м / с. Какова скорость отдачи кальмара, если выброс производится за 0,100 с и существует сила трения 5,00 Н, противодействующая движению кальмара. б) Сколько энергии тратится на работу против трения?
10. Необоснованные результаты. Сообщается, что кальмары прыгают из океана и преодолевают 30,0 м (по горизонтали), прежде чем снова войти в воду. (a) Рассчитайте начальную скорость кальмара, если он покидает воду под углом 20,0 °, принимая пренебрежимо малую подъемную силу воздуха и незначительное сопротивление воздуха.(б) Кальмар движется вперед, брызгая водой. Какую часть своей массы ему пришлось бы выбросить, чтобы достичь скорости, найденной в предыдущей части? Вода выбрасывается со скоростью 12,0 м / с; гравитационная сила и трение не учитываются. (c) Что неразумного в результатах? (d) Какая посылка необоснованна или какие посылки несовместимы?
11. Создайте свою проблему. Представьте себе космонавта в глубоком космосе, освобожденного от своего космического корабля и нуждающегося в возвращении к нему.У космонавта есть несколько пакетов, которые она может выбросить, чтобы подойти к кораблю. Постройте задачу, в которой вы рассчитываете время, необходимое ей, чтобы вернуться, бросая все пакеты за один раз, а не бросая их по одному. Среди факторов, которые следует учитывать, — задействованные массы, сила, которую она может воздействовать на пакеты на некотором расстоянии, и расстояние до корабля.
12. Создайте свою проблему. Рассмотрим артиллерийский снаряд, поражающий броню.Постройте задачу, в которой вы найдете силу, прилагаемую снарядом к пластине. Следует учитывать массу и скорость снаряда, а также расстояние, на котором его скорость уменьшается. Ваш инструктор может также пожелать, чтобы вы рассмотрели относительные преимущества обедненного урана по сравнению со свинцовыми снарядами, исходя из большей плотности урана.

Избранные решения проблем и упражнения

1. 39,2 м / с2

3. 4.16 × 10 ³ м / с

5.Сила, необходимая для придания небольшой массе Δm ускорения a _{Δ м} составляет F = Δ ma _{Δ м} . Для ускорения этой массы за небольшой промежуток времени Δ t на скорости v _e требуется v _e = a _{Δ m} Δ t , поэтому [латекс] F = v _ {\ text {e}} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \\ [/ latex]. По третьему закону Ньютона эта сила равна по величине силе тяги, действующей на ракету, поэтому [latex] F _ {\ text {thust}} = v _ {\ text {e}} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \\ [/ latex], где все величины положительны.Применение второго закона Ньютона к ракете дает F _тягу — mg = ma ⇒ [latex] \ displaystyle {a} = \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m }} {\ Delta {t}} — г \\ [/ latex], где м, — масса ракеты и несгоревшего топлива.

Модель ракетного двигателя

Летающие модели ракет — относительно безопасный и недорогой способ для студентов.
познать основы сил и
реакция транспортных средств на внешние силы.
Как самолет, модель ракеты
подвергнутый
силы веса,
тяга и аэродинамика
во время своего
полет.Тяга обеспечивается небольшим твердотопливным ракетным двигателем.

Есть две основные категории ракетных двигателей; жидкие ракеты и
твердые ракеты. В
жидкостная ракета
топливо и источник
кислород ( окислитель ) необходим для
горение
хранятся отдельно и закачиваются в камеру сгорания
сопло
где происходит горение.
В
твердотопливная ракета
топливо и окислитель смешиваются вместе в твердое топливо
который упакован в прочный цилиндр.В нормальных температурных условиях
порох не горит; но топливо будет гореть при воздействии
внешний источник тепла.
Некоторый тип воспламенителя используется для инициирования горения
твердотопливного ракетного двигателя на конце ракетного топлива, обращенном к соплу.
Когда топливо горит, горячий выхлопной газ
произведенный, который используется для приведения в движение ракеты, и
образуется «фронт пламени», который движется в порох.
Как только начинается горение,
это будет продолжаться до тех пор, пока все топливо не сгорит.С жидкостной ракетой вы можете остановить тягу, отключив поток
топливо или окислитель; но твердотопливной ракетой необходимо разрушить корпус, чтобы остановить
двигатель. Жидкие ракеты, как правило, тяжелее и больше
сложный из-за насосов, используемых для подачи топлива и окислителя,
и вы обычно загружаете топливо и окислитель в ракету просто
перед запуском. Твердотопливная ракета намного проще в обращении и может простоять годами
перед стрельбой.

Относительная
безопасность
строительства и летающих моделей ракет является результатом
производство и наличие готовой твердотопливной ракеты
двигатели.Двигатели выпускаются несколькими производителями и
доступны в различных размерах с диапазоном
производительность двигателя.
Двигатели можно купить в большинстве магазинов для хобби и в некоторых магазинах игрушек для
скромная цена (средняя текущая цена 3 двигателя по 5 долларов). Двигатели
используются один раз и выбрасываются; новый двигатель вставлен в
ракета для следующего полета. Перед этим
стали доступны двигатели, многие молодые ракетостроители потеряли конечности или жизнь в
процесс смешения ракетных топлив.С этими двигателями вы все еще можете
получайте удовольствие от создания и запуска ракет, изучите основы, а затем
перейти к более опасным и сложным проблемам движения.

На этом слайде мы показываем чертеж деталей модельного ракетного двигателя.
так что вы можете узнать, как это работает.
Мы положили двигатель набок,
и «разрезать» двигатель пополам, чтобы мы могли видеть, что внутри.
Никогда не трогайте, не резайте и не модифицируйте настоящую модель ракетного двигателя.Пропеллент
может загореться в любой момент при наличии источника тепла.
Двигатель установлен в ракете, показанной на рисунке пунктирными линиями.
Кожух двигателя представляет собой цилиндр из плотного картона, в котором
сопло, метательные вещества и другие заряды взрывчатого вещества.
С правой стороны двигателя находится
сопло, относительно
простое устройство, используемое для ускорения горячих газов и создания тяги. Модель ракеты
форсунки обычно изготавливаются из глины или керамики из-за высокой
температура выхлопа.Горячие газы
для модели ракеты выпускается твердое топливо , показанное на
зеленый. Электровоспламенитель используется для запуска модели ракеты.
Когда пламя прожигает топливо, ракета испытывает
пилотируемый рейс .
Когда фронт пламени достигнет крайнего левого края пороха, тяга
переходит в ноль, и задерживающий заряд , окрашенный в синий цвет, начинает гореть.
В течение
задержка, тяга не создается, и ракета
достигает максимальной высоты.Продолжительность задержки варьируется между двигателями от 2 до 8 секунд и
величина задержки указана на кожухе двигателя.
Когда задерживающий заряд полностью сгорает, зажигается выброс заряда , показанный красным. Это производит небольшой взрыв, который выбрасывает
горячий газ выходит из передней части двигателя через опору двигателя , выбрасывает
носовой обтекатель и раскрывает парашют для безопасного
восстановление.

Экскурсии с гидом

• Силовая установка:

• Модель Rocket:

Деятельность:

Связанные сайты:
Rocket Index
Rocket Home
Beginner’s Guide Home

Вы можете объяснить, как работают реактивные двигатели?

Аватеф Хамед, профессор аэрокосмической техники и инженерной механики Университета
Цинциннати дает следующее объяснение:

Реактивная силовая установка произвела революцию в науке о полётах, резко увеличив возможные скорости и
высоты, что позволяет исследовать космос.Термин реактивный двигатель относится к действию, производимому реактором.
к выбросу материи. Например, когда вещество в обычной ракете (как порох в фейерверке)
При воспламенении в результате химической реакции выделяется тепло и газы, которые выходят из ракеты и заставляют ее
двигаться вперед. Кислород, необходимый для горения, переносится (в баллонах или в комбинированном виде) в ракете
так что тяга ракеты не зависит от атмосферы. Другие реактивные двигательные установки зависят от
воздух, подаваемый в двигатель, для подачи необходимого кислорода.После выделения тепла в результате горения горячий
газы ускоряются через двигатель, так что выходная скорость больше, чем скорость воздушного потока на
Вход.

Как в автономных ракетных двигателях, так и в силовых установках с воздушно-реактивным двигателем тяга, которая может быть
генерируется пропорционально массе материала, выбрасываемого из агрегата за заданное время, а также увеличению
в массовой скорости относительно единицы.Следовательно, одна и та же сила прямой тяги может быть создана двумя
способами: выбрасывая назад большую массу материала с низкой скоростью в течение заданного периода времени (как в
ТРДД) или выбросом меньшей массы материала с более высокой скоростью (как в турбореактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателях).
двигатели). Двумя источниками массы являются пропеллент или топливо и окислитель или воздух.

Топливо содержит большое количество потенциальной энергии, которая быстро высвобождается при сгорании. Порция
из этой тепловой энергии превращается в полезную работу, перемещая транспортное средство через атмосферу или в космос.
Другая часть, однако, в виде кинетической энергии струи теряется и рассеивается в атмосфере.
Очень экономичные турбовентиляторные двигатели, используемые в современных двигателях коммерческих самолетов, пытаются минимизировать
последняя часть.Для этого продукты сгорания придают умеренное увеличение массовой скорости.
большая масса воздуха, проходящего через двигатель за данный момент времени. Но турбореактивные и прямоточные двигатели, которые встречаются
более строгие требования к сверхзвуковому полету, менее экономичны.

Различные типы реактивных двигателей имеют
был разработан для обеспечения необходимой тяги и характеристик двигателя в широком диапазоне скоростей полета и
высоты. Воздушно-реактивные турбореактивные, турбовентиляторные и прямоточные воздушно-реактивные двигатели работают по аналогичным принципам в
чувствуют, что они повышают давление всасываемого воздуха перед сгоранием и расширяют высокоэнергетические газы перед
они уходят в сопло или выхлопную систему.В турбореактивных двигателях всасываемый воздух проходит через компрессор, чтобы
увеличить его давление перед входом в камеру сгорания, затем через турбину перед ускорением в выхлопе
сопло. Однако прямоточный воздушно-реактивный двигатель не имеет движущихся частей; он вызывает повышение давления в плунжере из-за замедления
высокоскоростной всасываемый воздух во впускной диффузор. ПВРД может работать только на высоких сверхзвуковых частотах.
скорости и, следовательно, требует другого пускового устройства, такого как ракета или турбореактивный двигатель, для его ускорения.
до необходимой скорости.

Выше определенной высоты плотность атмосферы уменьшается, и реактивное движение возможно только для ракеты.
двигатели, которые несут собственный кислород. Ракетные двигатели используют твердое или жидкое топливо.Твердотопливные ракеты — самые старые
типов, а их корпуса содержат камеру сгорания и твердое топливо, смешанное с окислителем. Когда топливо
При воспламенении газообразные продукты сгорания ускоряются через сопло, создавая тягу. В жидкости
ракеты, топливо и кислород хранятся в отдельных баках и подаются с контролируемой скоростью на сгорание.
камера.

Основы космических полетов: движение ракеты

Исаак Ньютон утверждал в своем третьем законе движения, что «на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.«Ракета работает по этому принципу. Топливо объединяется в камере сгорания, где оно химически реагирует с образованием горячих газов, которые затем ускоряются и выбрасываются с высокой скоростью через сопло, тем самым передавая двигатель двигателю. ракетный двигатель — это реакция, испытываемая конструкцией двигателя из-за выброса высокоскоростного вещества. Это то же самое явление, которое толкает садовый шланг назад, когда вода течет из сопла, или вызывает отдачу пистолета при выстреле.

Тяга

Тяга — это сила, которая приводит в движение ракету или космический корабль, и измеряется в фунтах, килограммах или ньютонах. С физической точки зрения это результат давления, оказываемого на стенку камеры сгорания.

На рисунке 1.1 показана камера сгорания с отверстием, соплом, через которое может выходить газ. Распределение давления внутри камеры асимметричное; то есть внутри камеры давление меняется мало, а у сопла несколько снижается.Сила давления газа на дно камеры не компенсируется извне. Результирующая сила F из-за разницы внутреннего и внешнего давления, тяга, противоположна направлению газовой струи. Он толкает камеру вверх.

Для создания высокоскоростных выхлопных газов необходимые высокие температуры и давления сгорания достигаются за счет использования очень энергичного топлива и минимально возможной молекулярной массы выхлопных газов.Также необходимо максимально снизить давление газа внутри сопла за счет создания большого отношения сечения. Коэффициент сечения или степень расширения определяется как площадь выхода A _e , деленная на площадь горловины A _t .

Тяга F является результатом сил, возникающих из-за давлений, оказываемых на внутренние и внешние стенки газами сгорания и окружающей атмосферой, при этом граница между внутренней и внешней поверхностями рассматривается как поперечное сечение выхода насадка.Как мы увидим в следующем разделе, применение принципа сохранения импульса дает

, где q — скорость выбрасываемого массового расхода, P _a — давление окружающей атмосферы, P _e — давление выхлопных газов и V _e их скорость выброса. Тяга указывается либо на уровне моря, либо в вакууме.

Сохранение импульса

Линейный импульс ( p ) или просто импульс частицы является произведением ее массы и скорости.Это,

Ньютон выразил свой второй закон движения в терминах количества движения, которое можно сформулировать как «равнодействующая сил, действующих на частицу, равна скорости изменения количества движения частицы». В символической форме это становится

, что эквивалентно выражению F = ma .

Если у нас есть система частиц, полный импульс P системы является суммой импульсов отдельных частиц.Когда результирующая внешняя сила, действующая на систему, равна нулю, общий импульс системы остается постоянным. Это называется принципом сохранения количества движения . Давайте теперь посмотрим, как этот принцип применим к ракетной механике.

Представьте ракету, дрейфующую в свободном от гравитации пространстве. Двигатель ракеты работает на время t и в течение этого периода выбрасывает газы с постоянной скоростью и с постоянной скоростью относительно ракеты (скорость истечения).Предположим, что нет никаких внешних сил, таких как сила тяжести или сопротивление воздуха.

На рисунке 1.2 (а) показана ситуация в момент времени t . Ракета и топливо имеют общую массу M , и комбинация движется со скоростью v , если смотреть из конкретной системы координат. В момент t позже конфигурация изменилась на показанную на Рисунке 1.2 (b). Масса M была выброшена из ракеты и движется со скоростью u , как это видно наблюдателю.Масса ракеты уменьшена до M-M , а скорость v ракеты изменена на v + v .

Поскольку внешние силы отсутствуют, dP / dt = 0 . Можно написать, для временного интервала t

, где P ₂ — конечный импульс системы, рисунок 1.2 (b), а P ₁ — начальный импульс системы, рисунок 1.2 (а). Мы пишем

Если мы позволим t приблизиться к нулю, v / t приблизится к dv / dt , ускорению тела. Количество M — масса выброшенного в т ; это приводит к уменьшению массы M исходного корпуса. Поскольку dM / dt , изменение массы тела со временем в этом случае отрицательное, в пределе количество M / t заменяется на -dM / dt .Величина u- (v + v) равна V _rel , относительная скорость выброшенной массы относительно ракеты. С этими изменениями уравнение (1.4) можно записать в виде

Правый член зависит от характеристик ракеты и, как и левый член, имеет размеры силы. Эта сила называется тягой и представляет собой силу реакции, оказываемую на ракету массой, покидающей ее. Разработчик ракеты может сделать тягу как можно большей, сконструировав ракету так, чтобы выбросить массу как можно быстрее ( dM / dt большой) и с максимально возможной относительной скоростью ( V _rel большой).

В ракетной технике основное уравнение тяги записывается как

, где q — скорость эжектируемого массового расхода, V _e — скорость эжекции выхлопных газов, P _e — давление выхлопных газов на выходе из сопла, P _a — давление окружающей атмосферы, а A _e — площадь среза сопла. Произведение qV _e , которое мы вывели выше ( V _rel × dM / dt ), называется импульсом или скоростью, тягой.Изделие (P _e -P _a ) A _e , называемое усилием давления, является результатом неуравновешенных сил давления на выходе из сопла. Как мы увидим позже, максимальная тяга возникает, когда P _e = P _a .

Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.1.

(для возврата используйте функцию «назад» вашего браузера)

Уравнение (1.6) можно упростить путем определения эффективной скорости выхлопного газа, C, , определяемой как

Уравнение (1.6) затем сводится к

Импульс и Импульс

В предыдущем разделе мы видели, что второй закон Ньютона может быть выражен в форме

Умножая обе части на dt и интегрируя от времени t ₁ до времени t ₂ , мы пишем

Интеграл — это вектор, известный как линейный импульс или просто импульс силы F в течение рассматриваемого временного интервала.Уравнение выражает, что, когда на частицу действует сила F в течение заданного интервала времени, конечный импульс частицы p ₂ может быть получен путем сложения ее начального импульса p ₁ и импульс силы F за промежуток времени.

Когда на частицу действует несколько сил, необходимо учитывать импульс каждой из сил. Когда проблема касается системы частиц, мы можем векторно сложить импульсы всех частиц и импульсы всех задействованных сил.Когда тогда можно писать

Для интервала времени t уравнение (1.10) можно записать в виде

Давайте теперь посмотрим, как мы можем применить принцип импульса и количества движения к ракетной механике.

Рассмотрим ракету начальной массы M , которую она запустила вертикально в момент времени t = 0. Топливо расходуется с постоянной скоростью q и выбрасывается с постоянной скоростью V _e относительно ракеты.В момент времени t масса снаряда ракеты и оставшегося топлива составляет M-qt , а скорость составляет v . За интервал времени т выбрасывается масса топлива кварты . Обозначая и абсолютную скорость вытесненного топлива, мы применяем принцип импульса и количества движения между временем t и временем t + t . Обратите внимание, что этот вывод не учитывает влияние сопротивления воздуха.

Пишем

Делим на t и заменяем u- (v + v) на V _e , скорость выбрасываемой массы относительно ракеты.Когда t приближается к нулю, получаем

Разделив переменные и интегрировав от t = 0, v = 0 до t = t, v = v , получим

, что равно

Член -gt в уравнении (1.15) является результатом притяжения Земли на ракету. Для ракеты, дрейфующей в космосе, -GT не применяется и может быть опущен.Более того, более уместно выразить результирующую скорость как изменение скорости, или V. Таким образом, уравнение (1.15) принимает вид

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы 1.2.

Обратите внимание, что M представляет собой начальную массу ракеты, а M-qt — конечную массу. Поэтому уравнение (1.16) часто записывают как

, где м _o / м _f называется отношением масс .Уравнение (1.17) также известно как ракетное уравнение Циолковского, названное в честь русского пионера ракетостроения Константина Е. Циолковского (1857-1935), который первым вывел его.

На практике переменная V _e обычно заменяется эффективной скоростью выхлопного газа C . Таким образом, уравнение (1.17) принимает вид

В качестве альтернативы можно написать

, где e — математическая константа, приблизительно равная 2.71828.

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы № 1.3.

Для многих маневров космических аппаратов необходимо рассчитать продолжительность работы двигателя, необходимую для достижения определенного изменения скорости. Переставляя переменные, мы имеем

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.4.

Скорость сгорания и выхлопа

Процесс сгорания включает окисление компонентов топлива, которые способны окисляться и поэтому могут быть представлены химическим уравнением.В процессе горения масса каждого элемента остается неизменной. Рассмотрим реакцию метана с кислородом.

Это уравнение утверждает, что один моль метана реагирует с двумя молями кислорода, образуя один моль диоксида углерода и два моля воды. Это также означает, что 16 г метана реагируют с 64 г кислорода с образованием 44 г диоксида углерода и 36 г воды. Все исходные вещества, которые подвергаются процессу горения, называются реагентами , а вещества, образующиеся в процессе горения, называются продуктами .

Вышеупомянутая реакция горения является примером стехиометрической смеси , то есть в ней присутствует ровно столько кислорода, чтобы химически реагировать со всем топливом. В этих условиях достигается самая высокая температура пламени, однако часто желательно эксплуатировать ракетный двигатель при «богатой топливом» соотношении смеси. Соотношение компонентов смеси определяется как массовый расход окислителя, деленный на массовый расход топлива.

Рассмотрим следующую реакцию керосина ⁽¹⁾ с кислородом,

Учитывая молекулярную массу C ₁₂ H ₂₆ , равную 170, а O ₂ , равную 32, мы имеем соотношение смеси

, который типичен для многих ракетных двигателей, использующих керосин, или РП-1, топливо.

Оптимальным соотношением компонентов смеси обычно является такое соотношение, которое обеспечивает максимальную производительность двигателя (измеряется с помощью удельного импульса ), однако в некоторых ситуациях другое соотношение O / F приводит к лучшей системе в целом. Для транспортного средства с ограниченным объемом с топливом низкой плотности, таким как жидкий водород, можно добиться значительного уменьшения габаритов транспортного средства за счет перехода на более высокое соотношение O / F. В этом случае потери производительности более чем компенсируются уменьшением потребности в топливном баке.Также рассмотрим пример двухкомпонентных топливных систем, использующих NTO / MMH, где соотношение смеси 1,67 приводит к получению баков для топлива и окислителя одинакового размера. Равный размер упрощает изготовление резервуаров, упаковку системы и интеграцию.

Как мы видели ранее, импульсная тяга равна произведению массового расхода топлива и скорости выброса выхлопных газов. Идеальная скорость истечения определяется выражением

, где k — коэффициент теплоемкости, R * — универсальная газовая постоянная (8,314.4621 Дж / кмоль-К в единицах СИ, или 49,720 фут-фунт / (снаряд-моль) — ^o R в единицах США), T _c — температура горения, M — средняя молекулярная масса выхлопных газов, P _c — давление в камере сгорания, а P _e — давление на выходе из сопла.

Коэффициент удельной теплоемкости ⁽²⁾ варьируется в зависимости от состава и температуры выхлопных газов, но обычно составляет около 1.2. Термодинамика, используемая для расчета температур горения, довольно сложна, однако температуры пламени обычно находятся в диапазоне от примерно 2,500 до 3,600, 90 · 103 o 90 · 104 ° C (4500-6,500, 90 · 103 o 90 · 104 F). Давление в камере может составлять примерно от 7 до 250 атмосфер. P _e должно равняться давлению окружающей среды, при котором двигатель будет работать, подробнее об этом позже.

Из уравнения (1.22) мы видим, что высокая температура и давление в камере, а также низкая молекулярная масса выхлопных газов приводят к высокой скорости выброса и, следовательно, большой тяге.Основываясь на этом критерии, мы можем понять, почему жидкий водород очень желателен в качестве ракетного топлива.

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.5.

Следует отметить, что в процессе горения происходит диссоциация молекул между продуктами. То есть высокая теплота сгорания вызывает разделение молекул на более простые составляющие, которые затем могут рекомбинировать. Рассмотрим реакцию керосина с кислородом. Истинными продуктами сгорания будет равновесная смесь атомов и молекул, состоящая из C, CO, CO ₂ , H, H ₂ , H ₂ O, HO, O и O ₂ .Диссоциация оказывает значительное влияние на температуру пламени.

Если вы хотите узнать больше о термодинамике ракетных двигателей, прочтите приложение «Термодинамика ракет».

Или вы можете пропустить всю науку и просто посмотреть нужные числа. См. Таблицы сгорания топлива, чтобы найти оптимальное соотношение смеси, температуру адиабатического пламени, молекулярную массу газа и удельную теплоемкость для некоторых распространенных ракетных топлив.

Удельный импульс

Удельный импульс ракеты I _sp — это отношение тяги к расходу выбрасываемой массы, т. Е.

, где F, — тяга, q — массовый расход, и г _o — стандартная сила тяжести (9,80665 м / с ² ).

Удельный импульс выражается в секундах.Когда тяга и расход остаются постоянными на протяжении всего сгорания топлива, удельный импульс — это время, в течение которого ракетный двигатель обеспечивает тягу, равную весу израсходованного топлива.

Для данного двигателя удельный импульс имеет разные значения на земле и в космическом вакууме, потому что давление окружающей среды участвует в выражении тяги. Поэтому важно указать, является ли удельный импульс величиной на уровне моря или в вакууме.

В ракетном двигателе имеется ряд потерь, основные из которых связаны с неэффективностью процесса химической реакции (сгорания), потерями из-за сопла и потерями из-за насосов. В целом потери влияют на эффективность удельного импульса. Это отношение реального удельного импульса (на уровне моря или в вакууме) к теоретическому удельному импульсу, полученному с помощью идеального сопла от газов, возникающих в результате полной химической реакции. Расчетные значения удельного импульса на несколько процентов выше, чем достигаемые на практике.

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы № 1.6.

Из уравнения (1.8) мы можем заменить qC на F в уравнении (1.23), таким образом получив

Уравнение (1.24) очень полезно при решении уравнений (1.18) — (1.21). Редко нам дают значение C напрямую, однако удельный импульс ракетного двигателя — это обычно задаваемый параметр, из которого мы можем легко вычислить C .

Еще одним важным показателем для оценки характеристик ракеты является характерная скорость истечения , C * (произносится как «C-звезда»), которая является мерой энергии, доступной в процессе сгорания, и определяется выражением

, где P _c — давление в камере сгорания, а A _t — площадь горловины сопла.Полученные значения C * находятся в диапазоне от примерно 1333 м / с для гидразина с монотопливным топливом до примерно 2360 м / с для криогенного кислорода / водорода.

Ракетные двигатели

Типичный ракетный двигатель состоит из сопла, камеры сгорания и инжектора, как показано на рисунке 1.4. В камере сгорания происходит горение пороха под высоким давлением. Камера должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать высокое давление, создаваемое и высокую температуру, возникающую в результате процесса сгорания.Из-за высокой температуры и теплопередачи камера и сопло обычно охлаждаются. Камера также должна быть достаточной длины, чтобы обеспечить полное сгорание до того, как газы попадут в сопло.

Сопло

Функция сопла заключается в преобразовании химико-тепловой энергии, генерируемой в камере сгорания, в кинетическую энергию. Сопло преобразует медленно движущийся газ под высоким давлением и высокой температурой в камере сгорания в высокоскоростной газ с более низким давлением и температурой.Поскольку тяга — это произведение массы и скорости, желательна очень высокая скорость газа. Форсунки состоят из сходящейся и расходящейся секции. Минимальное проходное сечение между сходящейся и расширяющейся секциями называется горловиной сопла. Площадь проходного сечения в конце расширяющейся секции называется выходной площадью сопла. Сопло обычно делают достаточно длинным (или достаточно большой выходной площадью), так что давление в камере сгорания снижается на выходе из сопла до давления, существующего вне сопла.Именно при этом условии P _e = P _a , где P _e — давление на выходе из сопла, а P _a — внешнее давление окружающей среды, это усилие максимальное и сопло называется приспособленным, также называемым оптимальным или правильным расширением. Когда P _e больше, чем P _a , форсунка недостаточно выдвинута. Когда верно обратное, он чрезмерно растянут.

Таким образом, мы видим, что сопло рассчитано на высоту, на которой оно должно работать.У поверхности Земли при атмосферном давлении на уровне моря (0,1 МПа или 14,7 фунта на квадратный дюйм) сброс выхлопных газов ограничивается отрывом струи от стенки сопла. В космическом вакууме этого физического ограничения не существует. Следовательно, должны быть два разных типа двигателей и сопел: те, которые приводят в движение первую ступень ракеты-носителя через атмосферу, и те, которые приводят в движение последующие ступени или управляют ориентацией космического корабля в космическом вакууме.

Площадь горловины сопла, A _t , может быть найдена, если известен общий расход топлива и выбраны топлива и условия эксплуатации. Предполагая теорию закона идеального газа, мы имеем

, где q — массовый расход топлива, P _t — давление газа в горловине сопла, T _t — температура газа на горловине сопла, R * — универсальный газ константа, а k — коэффициент теплоемкости. P _т и T _т задаются формулой

, где P _c — давление в камере сгорания, а T _c — температура пламени камеры сгорания.

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.7.

Горячие газы должны расширяться в расширяющейся части сопла для получения максимальной тяги. Давление этих газов будет уменьшаться, поскольку энергия используется для ускорения газа.Мы должны найти ту область сопла, где давление газа равно внешнему атмосферному давлению. Тогда эта область будет областью выхода сопла.

Число Маха N _м — отношение скорости газа к локальной скорости звука. Число Маха на выходе из сопла дается выражением идеального расширения газа

, где P _a — давление окружающей атмосферы.

Площадь выходного отверстия сопла, A _e , соответствующая числу Маха на выходе, определяется как

Коэффициент сечения или степень расширения определяется как площадь выхода A _e , деленная на площадь горловины A _t .

Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы № 1.8

Для ракет-носителей (особенно первых ступеней), где давление окружающей среды изменяется в течение периода горения, выполняются траектории расчета для определения оптимального давления на выходе. Однако дополнительным ограничением является максимально допустимый диаметр выходного конуса сопла, который в некоторых случаях является ограничивающим ограничением. Это особенно верно для ступеней, отличных от первой, где диаметр сопла не может быть больше, чем внешний диаметр ступени, расположенной ниже.Для космических двигателей, где окружающее давление равно нулю, тяга всегда увеличивается с увеличением степени расширения сопла. В этих двигателях степень расширения сопла обычно увеличивается до тех пор, пока дополнительный вес более длинного сопла не требует большей производительности, чем создаваемая им дополнительная тяга.

(Для получения дополнительной информации см. Приложение № 1: Оптимизация расширения для максимальной тяги.)

Поскольку скорость потока газов в сужающейся части сопла ракеты относительно мала, любая гладкая и хорошо закругленная сужающаяся часть сопла будет иметь очень низкие потери энергии.Напротив, контур расширяющейся секции сопла очень важен для рабочих характеристик из-за очень высоких скоростей потока. На выбор оптимальной формы сопла для данной степени расширения обычно влияют следующие конструктивные соображения и цели: (1) равномерный, параллельный, осевой поток газа на выходе из сопла для максимального вектора импульса, (2) минимальные потери на разделение и турбулентность. внутри сопла, (3) минимально возможная длина сопла для минимального габаритного пространства, веса, потерь на трение стенки и требований к охлаждению, и (4) простота изготовления.

Коническое сопло: В первых ракетных двигателях почти исключительно использовалось коническое сопло, которое оказалось удовлетворительным во многих отношениях. Коническое сопло обеспечивает простоту изготовления и гибкость в преобразовании существующей конструкции на более высокую или низкую степень расширения без значительного изменения конструкции.

Конфигурация типичного конического сопла показана на Рисунке 1.4. Горловина сопла имеет контур дуги окружности с радиусом R в пределах от 0.От 25 до 0,75 диаметра горловины, D _t . Половина угла сечения сужающегося конуса сопла может составлять от 20 до 45 градусов. Угол полураствора расходящегося конуса составляет примерно от 12 до 18 градусов. Коническое сопло с расходящимся на 15 градусов полууглом стало почти стандартом, потому что это хороший компромисс с точки зрения веса, длины и производительности.

Поскольку в коническом сопле возникают определенные потери производительности в результате неаксиальной составляющей скорости выхлопного газа, при вычислении количества движения выходящего газа применяется поправочный коэффициент.Этот коэффициент (эффективность тяги) представляет собой отношение количества движения газа на выходе из конического сопла и идеального сопла с равномерным параллельным осевым потоком газа. Значение можно выразить следующим уравнением:

Колоколообразная насадка: Для повышения производительности и меньшей длины инженеры разработали колоколообразную насадку. В нем используется секция быстрого расширения (радиального потока) в начальной расширяющейся области, что приводит к однородному, направленному в осевом направлении потоку на выходе из сопла.Контур стены меняют достаточно постепенно, чтобы исключить косые удары.

Эквивалентное коническое сопло с полууглом 15 градусов обычно используется в качестве стандарта для определения раструбных сопел. Например, длина 80% колпачкового сопла (расстояние между горловиной и выходной плоскостью) составляет 80% длины конического сопла с половинным углом наклона 15 градусов, имеющего такую ​​же площадь горловины, радиус ниже горловины и коэффициент расширения площади. Длина сопла колокола, превышающая примерно 80%, не оказывает значительного влияния на производительность, особенно с учетом снижения веса.Однако длина раструбного сопла до 100% может быть оптимальной для приложений, требующих очень высокой производительности.

Один из удобных способов проектирования контура, близкого к оптимальному, заключается в использовании процедур параболической аппроксимации, предложенных G.V.R. Рао. Конструктивная конфигурация колоколообразного сопла параболического приближения показана на рисунке 1.5. Контур сопла непосредственно перед горловиной T представляет собой дугу окружности с радиусом 1,5 R _t .Контур сопла расширяющейся секции состоит из круглой входной секции с радиусом 0,382 R _t от горловины T до точки N и параболой оттуда до выхода E .

Конструкция конкретного сопла требует следующих данных: диаметр горловины D _t , осевая длина сопла от горловины до выходной плоскости L _n (или желаемая относительная длина, L _f на основе конического сопла с углом 15 градусов), степень расширения, начальный угол стенки параболы _n и угол выходной стенки сопла _e .Углы стенок _n и _e показаны на рисунке 1.6 как функция степени расширения. Оптимальные контуры сопла можно очень точно определить, выбрав соответствующие входные данные. Хотя не делается поправки на различные комбинации топлива, опыт показал лишь небольшое влияние удельной теплоемкости на контур.

Камера сгорания

Камера сгорания служит оболочкой для удержания пороха в течение достаточного периода времени, чтобы гарантировать полное смешивание и сгорание.Требуемое время пребывания или время пребывания при горении зависит от многих параметров. Теоретически требуемый объем камеры сгорания зависит от массового расхода топлива, средней плотности продуктов сгорания и времени пребывания, необходимого для эффективного сгорания. Эта связь может быть выражена следующим уравнением:

, где V _c — объем камеры, q — массовый расход топлива, V — средний удельный объем и t _c — время пребывания пороха.

Полезным параметром, относящимся к объему камеры и времени пребывания, является характерная длина , L * (произносится как «L-звезда»), объем камеры, деленный на площадь звукового горла сопла:

Концепцию L * гораздо легче визуализировать, чем более неуловимое «время пребывания при горении», выраженное в малых долях секунды. Поскольку значение A _t почти прямо пропорционально произведению q и V , L * по существу является функцией t _s .

Обычный метод установки L * новой конструкции упорной камеры в значительной степени основан на прошлом опыте с аналогичным топливом и объемом двигателя. При заданном наборе рабочих условий, таких как тип топлива, соотношение смеси, давление в камере, конструкция форсунки и геометрия камеры, значение минимально необходимого л * может быть оценено только путем фактического срабатывания экспериментальных камер тяги. Типичные значения л * для различных топлив показаны в таблице ниже.При установленной площади горловины и минимальных требуемых л * объем камеры можно рассчитать по уравнению (1.33).

Таблица 1: Характеристическая длина камеры, L *

Пероксид водорода

В конструкции камеры сгорания использовались три геометрические формы: сферическая, почти сферическая и цилиндрическая, причем цилиндрическая камера наиболее часто используется в Соединенных Штатах.По сравнению с цилиндрической камерой того же объема сферическая или почти сферическая камера предлагает преимущество в виде меньшей охлаждающей поверхности и меньшего веса; однако сферическую камеру сложнее изготовить, и в других отношениях она обеспечивает худшие характеристики.

Полный процесс сгорания, от введения реагентов до завершения химических реакций и превращения продуктов в горячие газы, требует конечного количества времени и объема, что выражается характеристической длиной L * .Значение этого коэффициента значительно больше линейной длины между лицевой стороной инжектора и плоскостью горловины. Коэффициент сжатия определяется как большая площадь поперечного сечения камеры сгорания, деленная на площадь горловины. Обычно большие двигатели конструируются с низким коэффициентом сжатия и сравнительно большой длиной; а камеры меньшего размера используют большую степень сжатия при меньшей длине, в то же время обеспечивая достаточное L * для адекватного испарения и времени выдержки сгорания.

Как хорошее место для начала, процесс определения размера новой камеры сгорания исследует размеры ранее успешных конструкций в том же классе размеров и строит такие данные рациональным образом. Размер горловины нового двигателя может быть определен с достаточной степенью уверенности, поэтому имеет смысл построить график данных из исторических источников в зависимости от диаметра горловины. На рис. 1.7 показана зависимость длины камеры от диаметра горловины (с аппроксимационным уравнением). Важно, чтобы выходные данные любой программы моделирования не применялись рабски, а считались логической отправной точкой для определения конкретных размеров двигателя.

Основные элементы цилиндрической упорной камеры показаны на рисунке 1.4. В конструкторской практике было условно определено, что объем камеры сгорания включает пространство между лицевой стороной инжектора и плоскостью горловины сопла. Примерный объем камеры сгорания можно выразить следующим уравнением:

Преобразуя уравнение (1.34), мы получаем следующее, которое можно решить для диаметра камеры путем итерации:

Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.9

Инжектор

Форсунка, как следует из названия, впрыскивает топливо в камеру сгорания в правильных пропорциях и в нужных условиях, чтобы обеспечить эффективный и стабильный процесс сгорания. Расположенный в переднем или верхнем конце камеры сгорания, инжектор также выполняет структурную задачу по закрытию верхней части камеры сгорания от высокого давления и температуры, которые она содержит. Инжектор сравнивали с карбюратором автомобильного двигателя, поскольку он обеспечивает подачу топлива и окислителя с надлежащей скоростью и в правильных пропорциях, это может быть подходящим сравнением.Однако форсунка, расположенная непосредственно над камерой сгорания под высоким давлением, выполняет множество других функций, связанных с процессами сгорания и охлаждения, и гораздо более важна для работы ракетного двигателя, чем карбюратор для автомобильного двигателя.

Ни один другой компонент ракетного двигателя не оказывает такого сильного влияния на характеристики двигателя, как инжектор. В различных применениях хорошо спроектированные форсунки могут иметь довольно широкий разброс по эффективности сгорания, и нередко форсунки с эффективностью C * всего 92% считаются приемлемыми.Небольшие двигатели, разработанные для специальных целей, таких как управление ориентацией, могут быть оптимизированы по отклику и малому весу за счет эффективности сгорания и могут считаться очень удовлетворительными, даже если эффективность падает ниже 90%. В целом, однако, недавно хорошо спроектированные системы нагнетания продемонстрировали эффективность C * , настолько близкую к 100% теоретической, что возможность измерения этого параметра является ограничивающим фактором при ее определении. Высокий уровень эффективности сгорания достигается за счет равномерного распределения желаемого соотношения компонентов смеси и тонкого распыления жидкого топлива.Локальное перемешивание в схеме распыления элемента впрыска должно происходить практически на микроскопическом уровне, чтобы обеспечить эффективность сгорания, приближающуюся к 100%.

Стабильность горения также является очень важным требованием для удовлетворительной конструкции инжектора. При определенных условиях ударные и детонационные волны генерируются локальными возмущениями в камере, возможно, вызванными колебаниями в перемешивании или потоке пороха. Они могут вызывать колебания давления, которые усиливаются и поддерживаются процессами сгорания.Такие волны большой амплитуды, называемые нестабильностью горения , создают высокие уровни вибрации и теплового потока, которые могут быть очень разрушительными. Поэтому основная часть усилий по проектированию и развитию касается стабильного горения. Высокая производительность может стать второстепенной, если форсунка легко переходит в деструктивную нестабильность, и многие параметры форсунки, обеспечивающие высокую производительность, по-видимому, уменьшают запас устойчивости.

Циклы питания

Жидкостные двухкомпонентные ракетные двигатели можно разделить на категории по их циклам мощности, то есть по способу получения энергии для подачи топлива в главную камеру сгорания.Ниже описаны некоторые из наиболее распространенных типов.

Цикл газогенератора: Цикл газогенератора, также называемый открытым циклом , отводит небольшое количество топлива и окислителя из основного потока (обычно от 2 до 7 процентов) для питания горелки, называемой газогенератор. Горячий газ от этого генератора проходит через турбину для выработки энергии для насосов, которые отправляют топливо в камеру сгорания. Затем горячий газ либо сбрасывается за борт, либо направляется в основное сопло ниже по потоку.Увеличение потока топлива в газогенератор увеличивает скорость турбины, что увеличивает поток топлива в основную камеру сгорания и, следовательно, количество создаваемой тяги. Газогенератор должен сжигать топливо при неоптимальном соотношении компонентов смеси, чтобы поддерживать низкую температуру лопаток турбины. Таким образом, цикл подходит для умеренных требований к мощности, но не для систем с высокой мощностью, которые должны были бы направлять большую часть основного потока в менее эффективный поток газогенератора.

Как и в большинстве ракетных двигателей, часть топлива в цикле газогенератора используется для охлаждения сопла и камеры сгорания, повышая эффективность и позволяя более высокую температуру двигателя.

Ступенчатый цикл сгорания: В ступенчатом цикле сгорания, также называемом замкнутый цикл , топливо сгорает поэтапно. Как и цикл газогенератора, в этом цикле также есть горелка, называемая предварительной горелкой, для выработки газа для турбины.Горелка отводит и сжигает небольшое количество одного топлива и большое количество другого, образуя обогащенную окислителем или топливом смесь горячего газа, которая в основном представляет собой несгоревший испарившийся пропеллент. Этот горячий газ затем проходит через турбину, впрыскивается в основную камеру и снова сжигается с оставшимся топливом. Преимущество перед газогенераторным циклом состоит в том, что все топливо сгорает при оптимальном соотношении компонентов смеси в основной камере, и никакой поток не сбрасывается за борт. Ступенчатый цикл сгорания часто используется для приложений с большой мощностью.Чем выше давление в камере, тем меньше и легче может быть двигатель для создания такой же тяги. Стоимость разработки для этого цикла выше, потому что высокое давление усложняет процесс разработки. Другими недостатками являются тяжелые условия работы турбины, необходимость в высокотемпературных трубопроводах для транспортировки горячих газов и очень сложная конструкция обратной связи и управления.

Ступенчатое сгорание было изобретено советскими инженерами и впервые появилось в 1960 году. На Западе первый лабораторный испытательный двигатель с поэтапным сгоранием был построен в Германии в 1963 году.

Цикл детандера: Цикл детандера аналогичен циклу ступенчатого сгорания, но без предварительной горелки. Тепло в рубашке охлаждения основной камеры сгорания служит для испарения топлива. Затем пары топлива проходят через турбину и впрыскиваются в основную камеру для сжигания вместе с окислителем. Этот цикл работает с такими видами топлива, как водород или метан, которые имеют низкую температуру кипения и могут легко испаряться. Как и в случае ступенчатого цикла сгорания, все топливо сгорает при оптимальном соотношении компонентов смеси в основной камере, и обычно поток не сбрасывается за борт; однако теплопередача к топливу ограничивает мощность, доступную для турбины, что делает этот цикл подходящим для двигателей малого и среднего размера.Разновидностью системы является цикл открытия или сброса детандера, в котором для приведения в действие турбины используется только часть топлива. В этом варианте выхлоп турбины сбрасывается за борт до давления окружающей среды, чтобы увеличить степень давления турбины и выходную мощность. Это может обеспечить более высокое давление в камере, чем закрытый цикл детандера, хотя и с более низкой эффективностью из-за потока за борт.

Цикл подачи под давлением: Простейшая система, цикл с подачей под давлением, не имеет насосов или турбин, но вместо этого полагается на давление в баллоне для подачи топлива в главную камеру.На практике цикл ограничивается относительно низкими давлениями в камере, поскольку более высокие давления делают баки транспортного средства слишком тяжелыми. Цикл может быть надежным, учитывая меньшее количество деталей и сложность по сравнению с другими системами.

Охлаждение двигателя

Тепло, выделяемое при сгорании в ракетном двигателе, содержится в выхлопных газах. Большая часть этого тепла удаляется вместе с содержащимся в нем газом; однако тепло передается стенкам камеры тяги в количествах, требующих внимания.

Конструкции упорной камеры обычно классифицируются или идентифицируются по методу охлаждения стенки горячим газом или конфигурации каналов для охлаждающей жидкости, где давление охлаждающей жидкости внутри может достигать 500 атмосфер. Высокие температуры сгорания (от 2,500 до 3,600, ^o K) и высокие скорости теплопередачи (до 16 кДж / см ² -с), встречающиеся в камере сгорания, представляют собой серьезную проблему для проектировщиков. Для решения этой задачи успешно использовались несколько методов охлаждения камеры.Выбор оптимального метода охлаждения для камеры сгорания зависит от многих факторов, таких как тип топлива, давление в камере, доступное давление охлаждающей жидкости, конфигурация камеры сгорания и материал камеры сгорания.

Регенеративное охлаждение является наиболее широко используемым методом охлаждения напорной камеры и достигается за счет протекания высокоскоростного хладагента через заднюю сторону стенки горячего газа камеры для конвективного охлаждения лайнера горячего газа.Охлаждающая жидкость с теплом от охлаждения гильзы затем выгружается в форсунку и используется в качестве топлива.

Более ранние конструкции упорных камер, такие как V-2 и Redstone, имели низкое давление в камере, низкий тепловой поток и низкое давление охлаждающей жидкости, которые могли быть удовлетворены за счет упрощенной конструкции «камеры с двойными стенками» с регенеративным и пленочным охлаждением. Однако для последующих применений ракетных двигателей давление в камере увеличивалось, и требования к охлаждению становились все труднее удовлетворять.Возникла необходимость в разработке новых конфигураций теплоносителя, которые были бы более эффективными в конструктивном отношении и имели улучшенные характеристики теплопередачи.

Это привело к разработке упорных камер с «трубчатой ​​стенкой», которые на сегодняшний день являются наиболее широко используемым подходом к проектированию для подавляющего большинства приложений с большими ракетными двигателями. Эти конструкции камер успешно использовались для двигателей Thor, Jupiter, Atlas, H-1, J-2, F-1, RS-27 и ряда других ракетных двигателей ВВС и НАСА. Основным преимуществом дизайна является его легкий вес и большой накопленный опыт.Но поскольку давление в камере и тепловые потоки стенок горячего газа продолжали расти (> 100 атм), потребовались еще более эффективные методы.

Одним из решений были упорные камеры с «стенкой канала», названные так потому, что охлаждение стенки горячего газа достигается за счет протекания хладагента через прямоугольные каналы, которые механически обрабатываются или формируются в облицовку для горячего газа, изготовленную из материала с высокой проводимостью, такого как медь или медный сплав. Ярким примером камеры сгорания с канальной стенкой является SSME, которая работает при номинальном давлении в камере 204 атмосферы и температуре 3600 К в течение 520 секунд.Теплоотдача и конструктивные характеристики отличные.

В дополнение к конструкциям с регенеративным охлаждением, упомянутым выше, для ракетных двигателей были изготовлены другие конструкции тяговых камер, использующие охлаждение в разгрузке, пленочное охлаждение, транспирационное охлаждение, абляционные гильзы и радиационное охлаждение. Хотя камеры сгорания с регенеративным охлаждением оказались лучшим подходом для охлаждения больших жидкостных ракетных двигателей, другие методы охлаждения также успешно использовались для охлаждения узлов камеры тяги.Примеры включают:

Самосвальное охлаждение , которое похоже на регенеративное охлаждение, поскольку охлаждающая жидкость протекает через небольшие проходы по задней стороне стенки упорной камеры. Однако отличие состоит в том, что после охлаждения камеры тяги охлаждающая жидкость выходит за борт через отверстия на заднем конце расширяющегося сопла. Этот метод имеет ограниченное применение из-за потери производительности в результате сброса охлаждающей жидкости за борт. На сегодняшний день охлаждение отвала не использовалось на практике.

Пленочное охлаждение обеспечивает защиту от чрезмерного нагрева путем введения тонкой пленки охлаждающей жидкости или топлива через отверстия по периферии форсунки или через коллекторные отверстия в стенке камеры вблизи форсунки или горловины камеры. Этот метод обычно используется в областях с высоким тепловым потоком и в сочетании с регенеративным охлаждением.

Транспирация Охлаждение обеспечивает подачу хладагента (газообразного или жидкого топлива) через пористую стенку камеры со скоростью, достаточной для поддержания желаемой температуры стенки горячего газа.Это действительно частный случай пленочного охлаждения.

При абляционном охлаждении материал стенки на стороне дымовых газов приносится в жертву плавлением, испарением и химическими изменениями для рассеивания тепла. В результате относительно холодные газы проходят по поверхности стенки, тем самым снижая температуру пограничного слоя и способствуя процессу охлаждения.

При использовании радиационного охлаждения тепло излучается от внешней поверхности камеры сгорания или удлинительной стенки сопла.Радиационное охлаждение обычно используется для небольших осевых камер с высокотемпературным материалом стенки (огнеупор) и в областях с низким тепловым потоком, таких как удлинение сопла.

Твердотопливные ракетные двигатели

Твердотопливные ракетные двигатели хранят топливо в твердой форме. Топливо обычно представляет собой порошкообразный алюминий, а окислитель — перхлорат аммония. Связующее из синтетического каучука, такое как полибутадиен, скрепляет порошки топлива и окислителя. Несмотря на меньшие характеристики, чем у жидкостных ракет, простота эксплуатации твердотопливного ракетного двигателя часто делает его предпочтительной двигательной установкой.

Геометрия твердого топлива

Геометрия твердого топлива определяет площадь и контуры его открытых поверхностей и, таким образом, характер его горения. В космической отрасли используются два основных типа твердотопливных блоков. Это цилиндрические блоки с фронтальным или поверхностным сгоранием и цилиндрические блоки с внутренним сгоранием. В первом случае фронт пламени перемещается слоями от соплового конца блока к верхней части кожуха.Эта так называемая торцевая горелка создает постоянную тягу на протяжении всего горения. Во втором, более обычном случае, поверхность горения развивается по длине центрального канала. Иногда канал имеет звездообразную или другую геометрию, чтобы сдерживать рост этой поверхности.

Форма топливного блока ракеты выбирается для конкретного типа миссии, которую она будет выполнять. Поскольку горение блока происходит от его свободной поверхности, по мере роста этой поверхности геометрические соображения определяют, увеличивается ли тяга, уменьшается или остается постоянной.

Топливные блоки с цилиндрическим каналом (1) постепенно развивают тягу. Те, у которых есть канал, а также центральный топливный цилиндр (2), создают относительно постоянную тягу, которая очень быстро снижается до нуля, когда топливо израсходовано. Профиль пятиконечной звезды (3) развивает относительно постоянную тягу, которая медленно уменьшается до нуля по мере потребления последнего топлива. «Крестообразный» профиль (4) создает постепенно меньшую тягу. Топливо в блоке с профилем «двойной якорь» (5) создает уменьшающуюся тягу, которая быстро спадает ближе к концу горения.«Зубчатый» профиль (6) создает сильную начальную тягу, за которой следует почти постоянная более низкая тяга.

Уровень сжигания

Горящая поверхность гранулы ракетного топлива отступает в направлении, перпендикулярном этой горящей поверхности. Скорость регрессии, обычно измеряемая в миллиметрах в секунду (или дюймах в секунду), называется скоростью горения . Эта скорость может значительно отличаться для разных ракетных топлив или одного конкретного ракетного топлива, в зависимости от различных рабочих условий, а также от состава.Количественное знание скорости горения топлива и того, как она изменяется в различных условиях, имеет фундаментальное значение для успешного проектирования твердотопливного ракетного двигателя.

На скорость горения пороха влияют определенные факторы, наиболее важными из которых являются: давление в камере сгорания, начальная температура пороха, скорость дымовых газов, текущих параллельно поверхности горения, местное статическое давление, а также ускорение и вращение двигателя. Эти факторы обсуждаются ниже.

• Скорость горения сильно зависит от давления в камере. Обычное представление зависимости давления от скорости горения — это закон Сен-Робер,

  , где r — скорость горения, a — коэффициент скорости горения, n — показатель степени давления и P _c — давление в камере сгорания. Значения a и n определены эмпирически для конкретного состава топлива и не могут быть предсказаны теоретически.Важно понимать, что один набор значений a, n обычно действителен для определенного диапазона давлений. Для точного представления интересующего режима полного давления может потребоваться более одного набора.

  Пример Значения a, n составляют 5,6059 * (давление в МПа, скорость горения в мм / с) и 0,35 соответственно для SRB Space Shuttle, что дает скорость горения 9,34 мм / с при среднем давлении в камере 4,3 МПа.

  * Публикации НАСА дают коэффициент скорости горения, равный 0.0386625 (давление в PSI, скорость горения в дюймах / с).

• Температура влияет на скорость химических реакций и, таким образом, начальная температура пороха влияет на скорость горения. Если конкретное топливо проявляет значительную чувствительность к начальной температуре зерна, работа при экстремальных температурах повлияет на профиль тяги и времени двигателя. Это фактор, который следует учитывать при зимних запусках, например, когда температура зерна может быть ниже, чем «нормальные» условия запуска.
• Для большинства ракетных топлив определенные уровни локальной скорости горючего газа (или массового потока), текущие параллельно поверхности горения, приводят к увеличению скорости горения. Это «увеличение» скорости горения называется эрозионным горением , степень которого зависит от типа топлива и давления в камере. Для многих порохов существует пороговая скорость потока. Ниже этого уровня потока либо не происходит увеличения, либо наблюдается снижение скорости ожога ( отрицательное эрозионное горение ).

  Эффекты эрозионного горения можно свести к минимуму, сконструировав двигатель с достаточно большим отношением площади отверстия к горлу (порт _{A / порт t ). Площадь порта — это площадь поперечного сечения проточного канала в двигателе. Для полого цилиндрического зерна это площадь поперечного сечения сердечника. Как показывает опыт, соотношение должно быть минимум 2 для отношения L / D зерна 6. Для зерен с большим отношением L / D следует использовать большее соотношение A порт / A t .}

• В работающем ракетном двигателе наблюдается перепад давления вдоль оси камеры сгорания, падение, которое физически необходимо для ускорения увеличивающегося массового потока продуктов сгорания к соплу. Статическое давление является максимальным, когда поток газа равен нулю, то есть в передней части двигателя. Поскольку скорость горения зависит от местного давления, скорость должна быть наибольшей в этом месте. Однако этот эффект относительно невелик и обычно компенсируется противодействием эрозионного горения.
• Скорость горения увеличивается за счет ускорения двигателя. Независимо от того, является ли ускорение результатом продольной силы (например, тяги) или вращения, горящие поверхности, которые образуют угол примерно 60-90 ^o с вектором ускорения, склонны к повышенной скорости горения.

Иногда желательно изменить скорость горения так, чтобы она больше соответствовала определенной конфигурации зерна. Например, если кто-то хочет спроектировать зерно торцевой горелки, которое имеет относительно небольшую площадь горения, необходимо иметь быстро горящее топливо.В других случаях может потребоваться пониженная скорость горения. Например, двигатель может иметь большое отношение L / D для создания достаточно высокой тяги, или для конкретной конструкции может быть необходимо ограничить диаметр двигателя. Следовательно, полотно будет тонким, что приведет к короткой продолжительности горения. Было бы полезно снизить скорость горения.

Существует несколько способов изменения скорости горения: уменьшение размера частиц окислителя, увеличение или уменьшение процентного содержания окислителя, добавление катализатора скорости горения или подавителя и работа двигателя при более низком или более высоком давлении в камере.Эти факторы обсуждаются ниже.

• Влияние размера частиц окислителя на скорость горения, по-видимому, зависит от типа окислителя. Пропелленты, в которых в качестве окислителя используется перхлорат аммония (ПХ), имеют скорость горения, на которую существенно влияет размер частиц ПХ. Это, скорее всего, является следствием разложения АР, являющегося этапом, определяющим скорость процесса горения.
• На скорость горения большинства ракетных топлив сильно влияет соотношение окислитель / топливо.К сожалению, изменение скорости горения с помощью этого средства является весьма ограничительным, поскольку характеристики топлива, а также механические свойства также сильно зависят от отношения O / F.
• Безусловно, лучшим и наиболее эффективным средством увеличения скорости горения является добавление катализатора к топливной смеси. Катализатор — это химическое соединение, которое добавляется в небольших количествах с единственной целью — регулировать скорость горения. Подавитель скорости горения — это добавка, которая имеет эффект, противоположный действию катализатора — она ​​используется для уменьшения скорости горения.
• Для топлива, которое следует закону скорости горения Сен-Роберта, разработка ракетного двигателя, работающего при более низком давлении в камере, обеспечит более низкую скорость горения. Из-за нелинейности зависимости давления от скорости горения может потребоваться значительно снизить рабочее давление, чтобы получить желаемую скорость горения. Очевидным недостатком является снижение мощности двигателя, так как удельный импульс аналогично затухает с уменьшением давления в камере.

Скорость создания продукции

Скорость образования продуктов сгорания выражается в скорости регрессии зерна.Скорость производства продукта, интегрированная по площади порта, составляет

, где q — скорость образования продуктов сгорания на поверхности пороха, _p — плотность твердого топлива, A _b — площадь поверхности горения, r — скорость горения пороха. .

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.10.

Если плотность топлива неизвестна, она может быть получена из массовой доли и плотности отдельных компонентов следующим образом:

, где w — массовая доля, а нижний индекс i обозначает отдельные составляющие.Это идеальная плотность ; Фактическая плотность обычно составляет 94% -97% от идеальной плотности из-за крошечных пустот в зерне и зависит от технологии производства.

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.11.

Масса конденсированной фазы

Важно отметить, что продукты сгорания могут состоять как из газообразной, так и из конденсированной фазы. Конденсированная фаза, которая проявляется в виде дыма, может быть твердыми или жидкими частицами.Только газообразные продукты способствуют развитию давления. Однако конденсированная фаза, безусловно, вносит свой вклад в тягу ракетного двигателя из-за своей массы и скорости.

Наличие твердых или жидких частиц в выхлопе ракеты приводит к снижению производительности по ряду причин:

• Эта часть массы сгорания не может выполнять никакой работы по расширению и, следовательно, не способствует ускорению выхлопного потока.
• Более высокая эффективная молекулярная масса этих продуктов снижает характеристическую скорость истечения C *.
• Из-за тепловой инерции тепло конденсированных частиц частично выбрасывается из сопла перед передачей этого тепла окружающему газу и, следовательно, не преобразуется в кинетическую энергию. Это известно как тепловая задержка частиц .
• Точно так же из-за относительно большой массы частиц (по сравнению с газами) они не могут ускоряться так же быстро, как окружающие газы, особенно в той части сопла, где ускорение потока чрезвычайно велико (горловина).Ускорение частиц зависит от сопротивления трения в потоке газа, что требует наличия дифференциальной скорости. В конечном итоге частицы конденсированной фазы выходят из сопла с меньшей скоростью, чем газы. Это называется запаздыванием скорости частиц .

Давление в камере

Кривая давления ракетного двигателя показывает переходное и установившееся состояние. Переходные фазы — это когда давление существенно меняется со временем — во время фазы зажигания и запуска, а также после полного (или почти полного) потребления зерна, когда давление падает до уровня окружающей среды во время фазы спада.Изменение давления в камере во время фазы установившегося горения в основном связано с изменением геометрии зерен с соответствующим изменением скорости горения. Однако другие факторы могут играть роль, например, эрозия горловины сопла и увеличение скорости эрозионного ожога.

Монотопливные двигатели

Безусловно, наиболее широко используемым типом силовой установки для управления ориентацией и скоростью космических аппаратов является монотопливо гидразин. Его превосходные характеристики обращения, относительная стабильность при нормальных условиях хранения и чистые продукты разложения сделали его стандартом.Общая последовательность операций в гидразиновом двигателе:

• Когда система ориентации подает сигнал о работе подруливающего устройства, открывается электрический соленоидный клапан, позволяя течь гидразину. Действие может быть импульсным (всего 5 мс) или длительным (установившееся состояние).
• Давление в топливном баке выталкивает жидкий гидразин в форсунку. Он входит в виде спрея в напорную камеру и контактирует со слоями катализатора.
• Слой катализатора состоит из гранул оксида алюминия, пропитанных иридием.Поступающий гидразин нагревается до точки его испарения за счет контакта со слоем катализатора и с горячими газами, покидающими частицы катализатора. Температура гидразина повышается до точки, при которой скорость его разложения становится настолько высокой, что химические реакции являются самоподдерживающимися.
• Управляя переменными потока и геометрией камеры катализатора, разработчик может адаптировать пропорцию химических продуктов, температуру выхлопных газов, молекулярную массу и, таким образом, энтальпию для данного применения.Для двигателя малой тяги, в котором удельный импульс имеет первостепенное значение, разработчик пытается обеспечить диссоциацию аммиака 30-40%, что является примерно самым низким процентом, который можно надежно поддерживать. Для газогенераторов, где обычно требуются газы с более низкой температурой, разработчик предусматривает более высокие уровни диссоциации аммиака.
• Наконец, в космическом двигателе продукты разложения гидразина покидают слой катализатора и выходят из камеры через выхлопное сопло с высокой степенью расширения, создавая тягу.

Двигатели с одноразовым топливом и гидразином обычно производят удельный импульс длительностью от 230 до 240 секунд.

Другими подходящими пропеллентами для двигателей каталитического разложения являются перекись водорода и закись азота, однако производительность значительно ниже, чем у гидразин-удельного импульса около 150 с с H ₂ O ₂ и около 170 с с N _{. 2} О.

Монотопливные системы успешно обеспечивают функции поддержания орбиты и управления ориентацией, но не обладают достаточными характеристиками, чтобы обеспечить эффективные по весу большие маневры V , необходимые для вывода на орбиту.Двухотопливные системы привлекательны тем, что они могут обеспечить все три функции с помощью одной системы с более высокими характеристиками, но они более сложны, чем обычные твердотопливные комбинированные системы с ракетным топливом и монотопливом. Третьей альтернативой являются двухрежимные системы . Эти системы представляют собой гибридные конструкции, в которых гидразин используется как в качестве топлива для высокоэффективных двухкомпонентных двигателей, так и в качестве монотоплива для обычных каталитических двигателей малой тяги. Гидразин подается как в двухтопливные двигатели, так и в подруливающие устройства на одном топливе из общего топливного бака.

Привод холодного газа — это просто управляемый источник газа под давлением и сопло. Он представляет собой простейшую форму ракетного двигателя. Холодный газ имеет множество применений, где простота и / или необходимость избегать использования горячих газов важнее высоких характеристик. Пилотируемый модуль маневрирования, используемый космонавтами, является примером такой системы.

Постановка

Многоступенчатые ракеты позволяют увеличить полезную нагрузку для транспортных средств с высокими требованиями к V, таких как ракеты-носители или межпланетные космические корабли.В многоступенчатой ​​ракете топливо хранится в отдельных резервуарах меньшего размера, а не в отдельном резервуаре большего размера, как в одноступенчатой ​​ракете. Поскольку каждый резервуар выбрасывается, когда он пустой, энергия не расходуется на ускорение пустого резервуара, поэтому получается более высокий общий V. В качестве альтернативы, большая масса полезного груза может быть увеличена до того же общего V. Для удобства отдельные баки обычно объединяются с собственными двигателями, при этом каждая сбрасываемая единица называется ступенью .

Характеристики многоступенчатой ​​ракеты описываются тем же уравнением ракеты, что и одноступенчатые ракеты, но должны определяться поэтапно.Приращение скорости V _i для каждой ступени рассчитывается, как и раньше,

, где m _oi представляет собой общую массу транспортного средства, когда ступень i зажжена, а m _fi — общая масса транспортного средства, когда ступень i сгорела , но еще не выброшена . Важно понимать, что масса полезной нагрузки для любой ступени складывается из массы всех последующих ступеней и самой конечной полезной нагрузки.Приращение скорости для транспортного средства тогда является суммой для отдельных ступеней, где n — общее количество ступеней.

Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.12.

Мы определяем долю полезной нагрузки как отношение массы полезной нагрузки к начальной массе, или м _пл / м _o .

Для многоступенчатого транспортного средства с разными ступенями общая доля полезной нагрузки транспортного средства зависит от того, как требование V распределяется между ступенями.Доли полезной нагрузки будут уменьшены, если V разделен неоптимально. Оптимальное распределение можно определить методом проб и ошибок. Постулируется V-распределение и вычисляется результирующая доля полезной нагрузки. Распределение V изменяется до тех пор, пока доля полезной нагрузки не будет максимальной. После того, как V-распределение выбрано, размер транспортного средства выполняется, начиная с самого верхнего или конечного этапа (полезная нагрузка которого является фактической полезной нагрузкой, подлежащей доставке) и вычисляя начальную массу этой сборки. Эта сборка затем формирует полезную нагрузку для предыдущего этапа, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут определены размеры всех этапов.Результаты показывают, что для максимизации доли полезной нагрузки при заданном требовании V:

1. Ступени с более высоким I _sp должны быть выше ступеней с более низким I _sp .

2. Больше V должны обеспечивать ступени с более высоким I _sp .

3. Каждый последующий этап должен быть меньше предыдущего.

4. Подобные ступени должны обеспечивать одинаковый V.

Составлено, отредактировано и частично написано Робертом А.Брауниг, 1997, 2005, 2007, 2009, 2012.

Библиография

Чтобы безопасно исследовать Солнечную систему и за ее пределами, космические корабли должны лететь быстрее — ракеты с ядерными двигателями могут быть ответом

С мечтами о Марсе и НАСА, и Илон Маск мечтают о дальних космических полетах с экипажем. Но вы можете быть удивлены, узнав, что современные ракеты не намного быстрее, чем ракеты прошлого.

Есть много причин, по которым более быстрый космический корабль лучше, и ядерные ракеты — способ сделать это.Они предлагают много преимуществ по сравнению с традиционными ракетами, работающими на топливе, или современными электрическими ракетами, работающими на солнечной энергии, но за последние 40 лет в США было произведено всего восемь космических запусков с ядерными реакторами.

Однако в прошлом году законы, регулирующие полеты в ядерный космос, были изменены, и уже началась работа над новым поколением ракет.

Зачем нужна скорость?

Первый шаг космического путешествия включает использование пусковых ракет для вывода корабля на орбиту.Это большие двигатели, работающие на топливе, которые представляют себе люди, когда думают о запусках ракет, и вряд ли исчезнут в обозримом будущем из-за ограничений гравитации.

Интересно становится, когда корабль достигает космоса. Чтобы избежать земного притяжения и достичь дальнего космоса, кораблям необходимо дополнительное ускорение. Здесь в игру вступают ядерные системы. Если астронавты хотят исследовать что-то дальше, чем Луна и, возможно, Марс, им нужно будет двигаться очень-очень быстро.Пространство огромно, и все далеко.

Есть две причины, по которым более быстрые ракеты лучше подходят для дальних космических путешествий: безопасность и время.

Астронавты во время полета на Марс будут подвергаться воздействию очень высоких уровней радиации, которые могут вызвать серьезные долгосрочные проблемы со здоровьем, такие как рак и бесплодие. Радиационная защита может помочь, но она чрезвычайно тяжелая, и чем дольше миссия, тем больше защиты требуется. Лучший способ снизить радиационное воздействие — просто быстрее добраться туда, куда вы собираетесь.

Но безопасность человека — не единственное преимущество. По мере того, как космические агентства исследуют все дальше в космос, важно как можно скорее получить данные из беспилотных миссий. «Вояджеру-2» потребовалось 12 лет, чтобы добраться до Нептуна, где он сделал несколько невероятных фотографий во время полета. Если бы «Вояджер-2» имел более быструю двигательную установку, астрономы могли бы иметь эти фотографии и информацию, которые они содержали годами ранее.

Скорость хорошая. Но почему ядерные системы быстрее?

Ракета Сатурн V имела высоту 363 фута и в основном представляла собой бензобак.Майк Джетцер / heroicrelics.org, CC BY-NC-ND

Системы сегодняшнего дня

После того, как корабль покинул земную гравитацию, при сравнении любой двигательной установки необходимо учитывать три важных аспекта:

• Thrust — насколько быстро система может разогнать корабль
• Массовый КПД — сколько тяги система может произвести при заданном количестве топлива
• Плотность энергии — сколько энергии может произвести данное количество топлива

Сегодня наиболее распространенными двигательными установками являются химические двигательные установки, то есть ракеты, работающие на обычном топливе, и электрические двигательные установки, работающие на солнечной энергии.

Химические двигательные установки обеспечивают большую тягу, но химические ракеты не особенно эффективны, а ракетное топливо не так энергоемко. Ракета Сатурн V, доставившая астронавтов на Луну, вырабатывала при взлете 35 миллионов ньютонов силы и несла 950 000 галлонов топлива. Хотя большая часть топлива была использована для вывода ракеты на орбиту, ограничения очевидны: требуется много тяжелого топлива, чтобы добраться куда-либо.

Электродвигательные установки генерируют тягу, используя электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями.Наиболее распространенный способ сделать это — использовать электрическое поле для ускорения ионов, например, в двигателе Холла. Эти устройства обычно используются для питания спутников и могут иметь более чем в пять раз более высокую массовую эффективность, чем химические системы. Но они производят гораздо меньшую тягу — около трех Ньютонов, или достаточно, чтобы разогнать автомобиль до 100 км / ч примерно за два с половиной часа. Источник энергии — Солнце — по сути бесконечен, но становится менее полезным, чем дальше от Солнца удаляется корабль.

Одна из причин, по которой ядерные ракеты являются многообещающими, заключается в том, что они обладают невероятной плотностью энергии. Урановое топливо, используемое в ядерных реакторах, имеет плотность энергии в 4 миллиона раз выше, чем у гидразина, обычного химического ракетного топлива. Намного легче доставить небольшое количество урана в космос, чем сотни тысяч галлонов топлива.

Так что насчет тяги и массового КПД?

Первая ядерная тепловая ракета была построена в 1967 году и видна на заднем плане.На переднем плане — защитный кожух, который будет удерживать реактор.
НАСА / Википедия

Два варианта ядер

Инженеры

разработали два основных типа ядерных систем для космических путешествий.

Первый называется ядерной тепловой силовой установкой. Эти системы очень мощные и умеренно эффективные. Они используют небольшой ядерный реактор деления — аналогичный тем, что есть на атомных подводных лодках — для нагрева газа, такого как водород, а затем этот газ ускоряется через сопло ракеты для создания тяги.По оценкам инженеров НАСА, полет на Марс с ядерной тепловой установкой будет на 20-25% короче, чем полет на ракете с химическим двигателем.

Ядерные тепловые двигательные установки более чем в два раза эффективнее химических силовых установок — это означает, что они генерируют вдвое большую тягу с использованием того же количества пороховой массы — и могут обеспечить тягу в 100 000 ньютонов. Этой силы достаточно, чтобы разогнать машину от 0 до 100 км / ч примерно за четверть секунды.

Вторая ракетная система ядерного базирования называется ядерной электрической двигательной установкой.Ядерные электрические системы еще не построены, но идея состоит в том, чтобы использовать реактор деления большой мощности для выработки электричества, которое затем будет приводить в действие электрическую двигательную установку, такую ​​как двигатель Холла. Это было бы очень эффективно, примерно в три раза лучше, чем ядерная тепловая двигательная установка. Поскольку ядерный реактор мог производить большую мощность, многие отдельные электрические двигатели могли работать одновременно для создания хорошей тяги.

Ядерные электрические системы были бы лучшим выбором для сверхдальних миссий, потому что они не требуют солнечной энергии, имеют очень высокий КПД и могут давать относительно высокую тягу.Но несмотря на то, что ядерные электрические ракеты являются чрезвычайно многообещающими, еще предстоит решить множество технических проблем, прежде чем они будут введены в эксплуатацию.

Художественное представление о том, как мог бы выглядеть ядерный тепловой корабль, построенный для доставки людей на Марс.
Джон Фрассанито и партнеры / Википедия

Почему еще нет ядерных ракет?

Ядерные тепловые двигательные установки изучаются с 1960-х годов, но еще не летали в космос.

Правила

, впервые введенные в США в 1970-х годах, по существу требовали индивидуальной проверки и утверждения любого ядерного космического проекта со стороны нескольких государственных органов и явного одобрения президента. Наряду с отсутствием финансирования исследований ядерных ракетных систем, эта среда препятствовала дальнейшему совершенствованию ядерных реакторов для использования в космосе.

Все изменилось, когда администрация Трампа опубликовала президентский меморандум в августе 2019 года. Поддерживая необходимость обеспечения максимальной безопасности ядерных запусков, новая директива позволяет выполнять ядерные миссии с меньшим количеством ядерных материалов, чтобы пропустить процесс утверждения межведомственными организациями. .Только спонсирующее агентство, такое как НАСА, например, должно подтвердить, что миссия соответствует рекомендациям по безопасности. Более крупные ядерные миссии будут проходить через тот же процесс, что и раньше.

Наряду с этим пересмотром правил НАСА получило в бюджете 2019 года 100 миллионов долларов США на разработку ядерной тепловой силовой установки. DARPA также разрабатывает космическую ядерную тепловую двигательную установку для обеспечения операций по обеспечению национальной безопасности за пределами околоземной орбиты.

После 60 лет застоя вполне возможно, что ракета с ядерной установкой отправится в космос в течение десятилетия.Это захватывающее достижение откроет новую эру освоения космоса. Люди отправятся на Марс, и научные эксперименты сделают новые открытия по всей нашей солнечной системе и за ее пределами.

[ Вы слишком заняты, чтобы все читать. Мы получим это. Вот почему у нас есть еженедельный информационный бюллетень. Подпишитесь на хорошее воскресное чтение. ]

Планы НАСА по созданию двигателей в дальнем космосе

Ионные двигатели, солнечные паруса, деление и термоядерный синтез… некоторые идеи для создания энергии космических кораблей следующего поколения имеют ауру научной фантастики, поэтому может быть головокружительным сюрпризом то, что НАСА тоже воспринимает их всерьез.

В своем выступлении перед Американским астронавтическим обществом в феврале инженер НАСА Рональд Личфорд изложил стратегию развития космических кораблей к самым дальним краям Солнечной системы и за ее пределами.

Литчфорд рекомендовал исследования для улучшения обычных систем, таких как химические ракеты, электротермические двигатели и ионные двигатели. Но он также рекомендовал «скромные» инвестиции для исследования более спекулятивных и далеко идущих технологий.

Вот краткое изложение технологий, которые НАСА рассматривает для продвижения космических аппаратов следующего поколения в космос, примерно от наименее до наиболее спекулятивных.

1. Химические ракеты

Химические ракеты были электростанциями космической эры. Но после 90 лет разработки не ожидается, что дальнейшие усовершенствования двигателей приведут к значительным улучшениям с точки зрения тяги (эти ракеты в основном ограничены энергией, удерживаемой в химических связях).

Литчфилд утверждает, что исследования в области химической ракетной техники должны по-прежнему составлять основные усилия исследований НАСА, особенно в отношении выработки топлива на планете назначения, а не его переноса на борт.Например, те, кто находится на Марсе, могут расщеплять лед полярных шапок на водород и кислород для использования в качестве ракетного топлива.

2. Электротермический

Эти двигатели используют электрическую энергию, чтобы создать перегретую плазму и запустить ее через сверхзвуковое сопло для создания тяги.

Эти типы двигателей используются на российских спутниках с 1970-х годов и на спутниках Lockheed Martin A2100, где в качестве топлива используется гидразин. Эти двигатели эффективны, но создаваемая ими тяга чрезвычайно мала, а это означает, что их единственное возможное использование будет заключаться в ориентации спутников на орбите.

7-киловаттный ионный двигатель NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT). Предоставлено: НАСА

3. Ионный привод

Теперь мы переходим к футуристическим вещам. Двигатель с ионным приводом — это двигатель малой тяги, в котором молекулам инертного топлива, такого как ксенон, придается положительный или отрицательный заряд («ионизируется»), и они ускоряются электрическим полем для выстрела в спину.

Тяга невероятно мала, эквивалентна давлению листа бумаги на ладонь, поэтому ионный двигатель очень медленно набирает скорость.Но в дальних полетах он может обеспечить в 10 раз большую тягу на килограмм топлива, чем химическая ракета.

Космический зонд «Рассвет», в настоящее время находящийся на орбите карликовой планеты Церера (и ответственный за первые поразительные фотографии загадочных ярких пятен), использовал свой ионный двигатель, чтобы стать первым космическим кораблем, который вошел и покинул орбиты нескольких небесных тел.

4. Солнечная паруса

Частицы света (называемые фотонами) несут импульс, как шары для пинг-понга, отскакивающие от стены.Идея солнечного паруса уловила их достаточно, чтобы набрать значительную тягу.

Космический корабль с достаточно большим парусом может в конечном итоге достичь невероятных скоростей без топлива.

Эта концепция была подтверждена в 2010 году, когда в рамках японского проекта межпланетного воздушного змея, ускоренного радиацией Солнца (IKAROS), во время полета к Венере был развернут парус площадью 196 квадратных метров.

В прошлом году проект LightSail показал, что эта конструкция может работать при ограниченном бюджете.

Но по мере того, как солнечный парус удаляется от Солнца, солнечный свет становится слабее, и доступная тяга уменьшается.Более амбициозные проекты предполагают путешествие к ближайшим звездам с помощью мощного лазера, заполняющего парус и проходящего через межзвездные депрессии.

Первый плазменный двигательный двигатель из Исследовательского центра Льюиса в Кливленде, штат Огайо, в 1961 году. Фото: NASA

5. Плазменный двигатель

Эти двигатели похожи на высокооктановые версии ионного привода. Вместо нереактивного топлива магнитные токи и электрические потенциалы ускоряют ионы в плазме, создавая тягу.Этой идее полвека, но она еще не реализована в космосе.

Самая мощная плазменная ракета в мире в настоящее время — это магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASIMR), разрабатываемая компанией Ad Astra Rocket Company в Техасе. Ad Astra рассчитывает, что сможет доставить космический корабль к Марсу за 39 дней.

1 декабря 1967 г .: Первый наземный экспериментальный ядерный ракетный двигатель в Чудаков-Флэтс, Невада. Предоставлено: НАСА

6. Тепловое деление

Обычный реактор деления может нагревать топливо до чрезвычайно высоких температур для создания тяги.

Хотя ядерная тепловая ракета еще не летала, эта концепция была близка к реализации в 1960-х и 1970-х годах, когда несколько проектов были построены и испытаны на земле в США.

Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств (NERVA) считался готовым к интеграции в космический корабль, прежде чем администрация Никсона отложила идею отправки людей на Марс и уничтожила финансирование проекта.

7. Непрерывная сварка

Ракеты, работающие на термоядерном синтезе, эффективно пытаются воссоздать энергию Солнца, перегревая топливо до сотен миллионов градусов, пока атомные ядра не сливаются, и генерируют еще больше энергии.

Термоядерная ракета будет в сотни раз эффективнее, чем лучшая химическая ракета. Но разработчик непрерывного термоядерного синтеза зависит от получения чистой мощности термоядерного реактора, чего до сих пор не удалось сделать за несколько десятилетий исследований и несколько миллиардов долларов финансирования исследований.

8. Импульсная сварка

Возможно, более достижимый способ использовать термоядерную энергию — контролировать детонацию миниатюрной термоядерной бомбы для питания корабля.

Один из вариантов, разрабатываемый в Вашингтонском университете, заключается в сбрасывании гранулы из двух изотопов водорода, окруженной металлическими кольцами из лития, в камеру сгорания.

В нужный момент огромное магнитное поле ударяет по металлическим кольцам, сомкнутым вокруг гранулы, сжимая топливо до невероятных давлений, что приводит к термоядерному соединению. Это немного похоже на то, как в двигателе вашего автомобиля используются контролируемые взрывы бензина.

Песчинка из этого термоядерного материала будет иметь такое же энергосодержание, как четыре литра ракетного топлива. Но главная проблема с этим исследованием состоит в том, что на самом деле испытание одного из них, вероятно, нарушит договоры о запрещении ядерных испытаний.

9.Нанокосмический аппарат

Большинство стратегий дальнего космического транспорта включают создание более крупных и мощных двигателей. Но как насчет того, чтобы вместо этого уменьшить космический корабль?

В 2009 году исследователи из Мичиганского университета разработали своего рода наноразмерный движок, который можно было скопировать на кремниевый чип. Он работает как крошечный ускоритель частиц, с очень высокими скоростями, используя простые электрические поля между заряженными пластинами. Каждый чип мог содержать миллионы крошечных электрических пусковых установок.

Художник изображает двигательную установку на антивеществе. Предоставлено: НАСА

10. Антиматерия

И вот мы: на самом краю диапазона осуществимости фантастики. Антивещество состоит из античастиц, которые имеют ту же массу, что и частицы обычного вещества, но противоположные заряд и спин.

Антивещество также имеет самую высокую плотность энергии среди всех известных веществ. И если его использовать в качестве топлива, он может обеспечить наиболее эффективную двигательную установку, при этом до 40% энергии массы топлива преобразуется непосредственно в тягу (по сравнению с 1% для термоядерного синтеза, следующего по эффективности).

В 2006 году Институт перспективных концепций НАСА (NIAC) профинансировал команду Джеральда Смита из отдела исследований позитроники, разработавшую космический корабль на антиматерии. Они подсчитали, что всего 10 тысячных грамма антивещества будет достаточно, чтобы отправить корабль на Марс за 45 дней.

Проблема в выработке достаточного количества топлива.

Антивещество создается в ускорителях элементарных частиц, но если бы все антивещество, когда-либо созданное на сегодняшний день, было уничтожено сразу, оно не было бы достаточно энергичным, чтобы даже вскипятить чашку чая.

Если источник этого сверхтоплива не будет найден, двигатели на антивеществе, вероятно, всегда останутся в сфере научной фантастики.

Редактировать: В этой статье изначально говорилось, что VASIMR будет протестирован на космической станции. Это неверно; эти планы были отложены в прошлом году.

без названия

% PDF-1.7
%
57 0 объект
> / OCGs [59 0 R] >> / PageLabels 51 0 R / Pages 14 0 R / Тип / Каталог >>
эндобдж
58 0 объект
> / Шрифт >>> / Поля 63 0 R >>
эндобдж
56 0 объект
> поток
application / pdf

2011-10-29T15: 41: 51 + 08: 002012-06-25T13: 32: 30 + 02: 002012-06-25T13: 32: 30 + 02: 00 Acrobat Distiller 9.4.6 (Windows) uuid: 529ee8f0-f924-5141-80a9-447342b51598uuid: fc485b81-840a-e04f-90c8-0d1d333dc003

конечный поток
эндобдж
54 0 объект
>
эндобдж
51 0 объект
>
эндобдж
14 0 объект
>
эндобдж
1 0 obj
> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Type / Page >>
эндобдж
15 0 объект
> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Type / Page >>
эндобдж
20 0 объект
> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Type / Page >>
эндобдж
103 0 объект
> поток
HWkob xf-‘h] dE * $ W} cEj8; qw \ Z] 2 &
i (c [% ^ _ VY4T ە ‘Ji8V5D «IXf @ 4 & 㟽 ݱ fU
V (2ixҗTGB ܮ d퟽ҏkz} cWxqVYz: Ud; D և%, (> uq)
gO7 ~ L: Ffu_Qe228c
kJ8? ~%: GG ^ ԆV {9ZlQ + WUm ^ * Px Ս (Fm6qJ: ю = v, NuNXy +) f; pO0 \

.