Digitální učební materiál 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 motory proudové a raketové

Reaktivní motory Reaktivní motor je tepelný stroj, který přeměňuje část vnitřní energie paliva uvolněnou hořením na pohybovou energii; Využívá při tom třetí Newtonův pohybový zákon – zákon akce a reakce: 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.

Obrázek 17.1. Jednoproudový motor Turbokompresorový motor (jednoproudový) Může fungovat pouze v zemské atmosféře, protože ke své činnosti potřebuje kyslík; Skládá se z generátoru plynu (kompresor, spalovací komora, turbína) a výstupní trysky; Obrázek 17.1. Jednoproudový motor

Turbokompresorový motor (jednoproudový) Princip činnosti: Vstupní otvor zajišťuje přívod vzduchu do motoru; 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.

Turbokompresorový motor (jednoproudový) Turbokompresorové motory s přídavným spalováním mají tah až 200 kN; Nemají velký průtok vzduchu, ale mají rychle vystupující plyny; Vhodné pro nadzvukové rychlosti, kdy mají dostatek tahu a efektivní provoz; Využití: Nadzvukové bojové a dopravní letouny.

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; Tah motoru je vyvolán vrtulí, ne vystupujícími spalinami; Nejefektivnější při rychlosti 550 km/h; Využití: Lehké civilní letouny nebo dopravní letadla s rychlostmi letu do 900 km/h.

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; Navíc je přidán nízkotlaký kompresor (dmychadlo) a turbína k jeho pohonu; Část vzduchu z dmychadla proudí do jádra motoru, část vzduchu obtéká jádro motoru (dvouproudový motor); Výstupní plyny jsou pomalejší, ale motorem protéká více vzduchu, což umožňuje dosáhnout tah až 450 kN; Využití: Velké dopravní letouny dosahující rychlostí 900 – 2500 km/h.

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

Obrázek 17.7. Raketový motor Raketový motor na pevná paliva 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

NASA. cit. 2014-01-15. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: 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 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 17.9. Raketový motor na kapalná paliva

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 Reaktivní motory jsou tepelné stroje, které přeměňují část vnitřní energie paliva uvolněnou hořením na pohybovou energii; Využívají při tom třetí Newtonův pohybový zákon – zákon akce a reakce; 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 Vysvětlete, proč se proudové a raketové motory nazývají reaktivní. 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). Vyjmenujte základní části proudového motoru. Skládá se z generátoru plynu (kompresor, spalovací komora, turbína) a výstupní trysky. Kde se proudový motor využívá? Má nějaká omezení? V civilním nebo vojenském letectví. Funguje pouze v atmosféře. Proč za sebou proudová letadla letící ve velkých výškách zanechávají stopu? Ve velkých výškách je nízká teplota (-56 °C v 11 km) vodní páry vzniklé hořením paliva kondenzují a tvoří ledové krystalky.

Otázky a úkoly Jak to, že mohou rakety létat i mimo zemskou atmosféru? Protože si s sebou vezou nádrže s okysličovadlem. Porovnejte konstrukci raketových motorů na tuhá a kapalná paliva. 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