Autor: Ing. Bc. Pavel Kolář

Předmět/vzdělávací oblast:

Základy přírodních věd - Fyzika

Tematická oblast: TERMIKA

Téma: Reaktivní motory

Ročník: 2.

Datum vytvoření: leden 2014

Název: VY_32_INOVACE_08.2.17.FYZ

Anotace:Učební materiál vysvětluje princip reaktivních motorů. Uvádí základní typy proudových a raketových motorů a jejich využití v praxi.

Metodický pokyn:

Prezentace je primárně určena ke zkvalitnění výuky v hodinách fyziky, ale může být využita i k samostudiu nebo pro distanční formu vzdělávání. Otázky na konci tématu ověří u žáků pochopení probíraného učiva. Materiál vyžaduje použití multimediálních prostředků (PC a dataprojektoru).

Reaktivní motoryproudové a raketové

Reaktivní motory

Využívá při tom třetí Newtonův pohybový zákon – zákon akce a reakce:

Reaktivní motor je tepelný stroj, který přeměňuje část vnitřní energie paliva uvolněnou hořením na pohybovou energii;

Každá akce vyvolá stejně velkou reakci opačného směru;

Akce: Síla, kterou jsou z trysky vypuzeny hořením vzniklé plyny;

Reakce: Síla působící na motor, která uvádí do pohybu letadlo nebo raketu;

Tah motoru: Síla tlačící motor vpřed, daná násobkem průtoku vzduchu a rychlosti vystupujících plynů.

Reaktivní motory

Reaktivní motory dělíme na proudové a raketové;

Proudové motory:

Turbokompresorové (jednoproudové);

Turbovrtulové;

Turbodmychadlové (dvouproudové);

Raketové motory:

Na pevná paliva;

Na kapalná paliva.

Turbokompresorový motor (jednoproudový)

Skládá se z generátoru plynu (kompresor, spalovací komora, turbína) a výstupní trysky;

Může fungovat pouze v zemské atmosféře, protože ke své činnosti potřebuje kyslík;

Obrázek 17.1. Jednoproudový motor

Turbokompresorový motor (jednoproudový) Princip činnosti:

V kompresoru dojde ke stlačení vzduchu a tím k jeho zahřátí;

Ve spalovací komoře se do stlačeného vzduchu přidá palivo; Zapálením paliva vzroste teplota a zvýší se objem plynů; Protože spalovací prostor není uzavřen, tlak plynů nevzrůstá;

Unikající plyny roztáčí turbínu, která slouží k pohonu kompresoru;

Opuštěním výstupní trysky vyvozují spaliny tah motoru.

Vstupní otvor zajišťuje přívod vzduchu do motoru;

Turbokompresorový motor (jednoproudový)

Vhodné pro nadzvukové rychlosti, kdy mají dostatek tahu a efektivní provoz;

Využití: Nadzvukové bojové a dopravní letouny.

Turbokompresorové motory s přídavným spalováním mají tah až 200 kN;

Nemají velký průtok vzduchu, ale mají rychle vystupující plyny;

Obrázek 17.2. Jednoproudový motor GE J85-GE-17A (1970) používaný v letounech Cessna A-37

ACHARYA, Sanjay. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AJ85_ge_17a_turbojet_engine.jpg

Obrázek 17.3. Cessna A-37 Dragonfly – bojový letoun používaný během Vietnamské války

DU-POINT, André. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ACessna_A-37_Dragonfly%2C_El_Salvador_-_Air_Force_JP6008311.jpg

Turbovrtulový motor

Generátor plynu shodný s turbokompresorovým motorem;

Turbína roztáčí společně s kompresorem i vrtuli;

Nejefektivnější při rychlosti 550 km/h;

Využití: Lehké civilní letouny nebo dopravní letadla s rychlostmi letu do 900 km/h.

Tah motoru je vyvolán vrtulí, ne vystupujícími spalinami;

Obrázek 17.4. CASA C-295M – turbovrtulový dopravní letoun

LOFTING, Chris. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3APolish_Air_Force_CASA_C-295M_Lofting.jpg

Turbodmychadlový motor (dvouproudový) Kombinuje výhody turbovrtulového a turbokompresorového motoru; Generátor plynu zůstává stejný;

Část vzduchu z dmychadla proudí do jádra motoru, část vzduchu obtéká jádro motoru (dvouproudový motor);

Využití: Velké dopravní letouny dosahující rychlostí 900 – 2500

km/h.

Navíc je přidán nízkotlaký kompresor (dmychadlo) a turbína k jeho pohonu;

Výstupní plyny jsou pomalejší, ale motorem protéká více vzduchu, což umožňuje dosáhnout tah až 450 kN;

Obrázek 17.5. Boeing 747 - dvouproudový motor

MONNIAUX, David. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AB747_turbofan_dsc04626.jpg

Obrázek 17.6. Boeing 747 - dvouproudový motor (detail)

CLEYNEN, Olivier. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AGeneral_Electric_GEnx_on_747-8I_prototype.jpg

Používá k pohonu palivo v pevném skupenství;

Tvořen spalovací komorou a hnací tryskou;

Po zažehnutí postupně odhořívá uvnitř spalovací komory pevné palivo;

Konstrukčně jednoduchý a provozně spolehlivý;

Nedá se regulovat jeho výkon;

Neumožňuje vícenásobný start;

Využití:

Pomocné startovací rakety (pro

raketoplán);

Řízené i neřízené střely.

Obrázek 17.7. Raketový motor na pevná paliva

Raketový motor na pevná paliva

Obrázek 17.8. Pomocné startovací rakety na pevné palivo (Solid Rocket Booster)

NASA. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Public domain na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASTS-45_Launch_-_GPN-2000-000736.jpg

Obrázek 17.9. Raketový motor na kapalná paliva

Raketový motor na kapalná paliva Používá k pohonu palivo v kapalném

skupenství;

Obsahuje jednu nádrž na palivo (vodík, kerosin, hydrazin), druhou na okysličovadlo (kyslík);

Do spalovací komory jsou palivo a okysličovadlo vháněny pomocí čerpadla ;

Spalovací komora je ochlazována proudícím palivem;

Umožňuje plynulou regulaci výkonu a opětovný start;

Využití:

Velké rakety, hlavní motory raketoplánu;

Manévrovací a stabilizační motory.

Obrázek 17.10. Raketa Sojuz TMA-06M - kosmodrom Baikonur (Kazachstán)

INGALLS, Bill. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Public domain na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASoyuz_TMA-06M_rocket_launches_from_Baikonur_5.jpg

Obrázek 17.11. Raketa Sojuz – raketové motory

INGALLS, Bill. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Public domain na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASoyuz_rocket_engines.jpg

Shrnutí nejdůležitějších poznatků

Využívají při tom třetí Newtonův pohybový zákon – zákon akce a reakce;

Reaktivní motory jsou tepelné stroje, které přeměňují část vnitřní energie paliva uvolněnou hořením na pohybovou energii;

Reaktivní motory dělíme na proudové (η = 35 %) a raketové (η = 50 %);

Reaktivní motory se využívají v letectví a kosmonautice, k civilním nebo vojenským účelům.

Otázky a úkoly

1) Vysvětlete, proč se proudové a raketové motory nazývají reaktivní.

2) Vyjmenujte základní části proudového motoru.

3) Kde se proudový motor využívá? Má nějaká omezení?

4) Proč za sebou proudová letadla letící ve velkých výškách zanechávají

stopu?

o Využívají poznatku zákona akce a reakce: Každá akce (síla, kterou jsou vypuzeny

spaliny z trysky) vyvolá stejně velkou a opačně orientovanou reakci (síla, která

tlačí motor vpřed).

o Skládá se z generátoru plynu (kompresor, spalovací komora, turbína) a výstupní trysky.

o V civilním nebo vojenském letectví. Funguje pouze v atmosféře.

o Ve velkých výškách je nízká teplota (-56 °C v 11 km) vodní páry vzniklé hořením paliva kondenzují a tvoří ledové krystalky.

5) Jak to, že mohou rakety létat i mimo zemskou atmosféru?

Otázky a úkoly

6) Porovnejte konstrukci raketových motorů na tuhá a kapalná paliva.

o Protože si s sebou vezou nádrže s okysličovadlem.

o Raketový motor na tuhá paliva: Po zažehnutí postupně odhořívá uvnitř spalovací komory pevné palivo. Nedá se regulovat jeho výkon. Neumožňuje vícenásobný start.

Raketový motor na kapalná paliva: Obsahuje nádrže s palivem a okysličovadlem v kapalném skupenství. Umožňuje plynulou regulaci výkonu a opětovný start.

Použité zdroje

• LEPIL, Oldřich, BEDNAŘÍK, Milan, HÝBLOVÁ, Radmila. Fyzika pro střední školy I. 4. vyd. Praha: Prometheus, 2004, 266 s. Učebnice pro střední školy. ISBN 80-7196-184-1.

• BEDNAŘÍK, Milan, KUNZOVÁ, Vlasta, SVOBODA, Emanuel. Fyzika II pro studijní obory SOU. 1. vyd. Praha: SPN, 1986, 216 s. Učebnice pro střední školy.

• KUSSIOR, Zdeněk. Proudové motory - teorie a další články. [online]. [cit. 2013-01-14]. Dostupný z WWW: http://www.leteckemotory.cz/teorie/teorie-00.php

• Autorem obrázků a tabulek, pokud není uvedeno jinak, je autor výukového materiálu.

Použité zdroje

Obrázek 17.2.:ACHARYA, Sanjay. Commons.wikimedia.org: J85 ge 17a turbojet engine.jpg online. 2008-05-28 cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AJ85_ge_17a_turbojet_engine.jpg

Obrázek 17.3.:DU-POINT, André. Commons.wikimedia.org: Cessna A-37 Dragonfly, El Salvador - Air Force JP6008311.jpg online. 2005-06-20 cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ACessna_A-37_Dragonfly%2C_El_Salvador_-_Air_Force_JP6008311.jpg

Obrázek 17.4.:LOFTING, Chris. Commons.wikimedia.org: Polish Air Force CASA C-295M Lofting.jpg online. 2008-02-06 cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3APolish_Air_Force_CASA_C-295M_Lofting.jpg

Obrázek 17.5.:MONNIAUX, David. Commons.wikimedia.org: B747 turbofan dsc04626.jpg online. 2005-06-21 cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AB747_turbofan_dsc04626.jpg

Použité zdroje

Obrázek 17.6.:CLEYEN, Olivier. Commons.wikimedia.org: General Electric GEnx on 747-8I prototype.jpg online. 2011-06-21 cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AGeneral_Electric_GEnx_on_747-8I_prototype.jpg

Obrázek 17.8.:NASA. Commons.wikimedia.org: STS-45 Launch - GPN-2000-000736.jpg online. 1992-03-24 cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Public domain na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASTS-45_Launch_-_GPN-2000-000736.jpg

Obrázek 17.10.:INGALLS, Bill. Commons.wikimedia.org: Soyuz TMA-06M rocket launches from Baikonur 5.jpg online. 2012-10-23 cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASoyuz_TMA-06M_rocket_launches_from_Baikonur_5.jpg

Obrázek 17.11.:INGALLS, Bill. Commons.wikimedia.org: Soyuz rocket engines.jpg online. 2004-10-11 cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Public domain na WWW:http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASoyuz_rocket_engines.jpg