Západočeská univerzita v Plzni Fakulta strojní. Semestrální práce z Matematického Modelování



Podobné dokumenty
VŘS PŘISTÁVÁNÍ RAKETY V GRAVITAČNÍM POLI ZEMĚ

Přijímací odborná zkouška pro NMgr studium 2015 Letecká a raketová technika Modul Raketová technika

Termika. Nauka o teple se zabývá měřením teploty, tepla a tepelnými ději.

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Obr. 1 Stavební hřebík. Hřebíky se zarážejí do dřeva ručně nebo přenosnými pneumatickými hřebíkovačkami.

F - Dynamika pro studijní obory

Teorie reaktivního pohonu

p V = n R T Při stlačování vkládáme do systému práci a tím se podle 1. věty termodynamické zvyšuje vnitřní energie systému U = q + w

CVIČENÍ č. 3 STATIKA TEKUTIN

OTOPNÁ TĚLESA Rozdělení otopných těles 1. Lokální tělesa 2. Konvekční tělesa Článková otopná tělesa

2. DOPRAVA KAPALIN. h v. h s. Obr. 2.1 Doprava kapalin čerpadlem h S sací výška čerpadla, h V výtlačná výška čerpadla 2.1 HYDROSTATICKÁ ČERPADLA

BUBEN A JEHO VESTAVBY Vývoj funkce bubnu

Materiály charakteristiky potř ebné pro navrhování

Charakteristika matematického modelování procesu spalování dřevní hmoty v aplikaci na model ohniště krbových kamen

Měření kinematické a dynamické viskozity kapalin

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Digitální učební materiál

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

12 Prostup tepla povrchem s žebry

VENTILÁTORY RADIÁLNÍ RVI/ až 2500 oboustranně sací

II. VNITŘNÍ ENERGIE, PRÁCE A TEPLO

Stručná teorie kondenzace u kondenzačních plynových kotlů - TZB-info

Vztlaková síla působící na těleso v atmosféře Země

QJB - MÍCHADLA. Při výběru typu je třeba dbát na následující

Kontrolní otázky k 1. přednášce z TM

POHYBY TĚLESA V ODPORUJÍCÍM PROSTŘEDÍ

VENTILÁTORY RADIÁLNÍ RVK 1600 až 2500 jednostranně sací

VYZTUŽOVÁNÍ STRUKTURY BETONU OCELOVÝMI VLÁKNY. ČVUT Fakulta stavební, katedra betonových konstrukcí a mostů, Thákurova 7, Praha 6, ČR

GRAVITAČNÍ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

ONLY FOR FLIGHT SIMULATION USAGE NOT FOR REAL WORLD FLYING

Rychlostní a objemové snímače průtoku tekutin

ELEKTRICKÉ SVĚTLO 1 Řešené příklady

SNÍMAČE. - čidla, senzory snímají měří skutečnou hodnotu regulované veličiny (dávají informace o stavu technického zařízení).

VENTILÁTORY RADIÁLNÍ RVI 1600 až 2500 jednostranně sací

STŘEDNÍ PRŮMYSLOVÁ ŠKOLA STROJNICKÁ A STŘEDNÍ ODBORNÁ ŠKOLA PROFESORA ŠVEJCARA, PLZEŇ, KLATOVSKÁ 109. Josef Gruber MECHANIKA

2.3 Tlak v kapalině vyvolaný tíhovou silou Tlak ve vzduchu vyvolaný tíhovou silou... 5

POPIS VYNÁLEZU К PATENTU. (30) Právo přednosti od HU (4102/83) FRIGYESI FERENC, BACSKÓ GÁB0R, PAKS (HU)

Pokyny k řešení didaktického testu - Dynamika

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

9. Umělé osvětlení. 9.1 Základní veličiny. e. (9.1) I =. (9.6)

ZÁKLADNÍ ŠKOLA KOLÍN II., KMOCHOVA 943 škola s rozšířenou výukou matematiky a přírodovědných předmětů

ORGANIZAČNÍ A STUDIJNÍ ZÁLEŽITOSTI

Vedení tepla v MKP. Konstantní tepelné toky. Analogické úlohám statiky v mechanice kontinua

7. Na těleso o hmotnosti 10 kg působí v jednom bodě dvě navzájem kolmé síly o velikostech 3 N a 4 N. Určete zrychlení tělesa. i.

ODBORNÉ VZDĚLÁVÁNÍ ÚŘEDNÍKŮ PRO VÝKON STÁTNÍ SPRÁVY OCHRANY OVZDUŠÍ V ČESKÉ REPUBLICE. Spalování paliv - Kotle Ing. Jan Andreovský Ph.D.

1 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ Vlastnosti kovů a jejich slitin jsou dány především jejich chemickým složením a strukturou.

ELEKTRICKÉ SVĚTLO 1 Řešené příklady

HVOZDĚNÍ. Ing. Josef Prokeš

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově

REKTIFIKACE DVOUSLOŽKOVÉ SMĚSI, VÝPOČET ÚČINNOSTI

Doprovodné otázky pro studenty, kvízy, úkoly aj.

SPALOVACÍ MOTORY. Doc. Ing. Jiří Míka, CSc.

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

Ideální krystalová mřížka periodický potenciál v krystalu. pásová struktura polovodiče

Výkonové vypínače jsou určeny ke spínání jmenovitého i zkratového proudu.

Elektronický učební text pro podporu výuky klasické mechaniky pro posluchače učitelství I. Mechanika hmotného bodu

Výpočtový program DYNAMIKA VOZIDLA Tisk výsledků

Výroba páry - kotelna, teplárna, elektrárna Rozvod páry do místa spotřeby páry Využívání páry v místě spotřeby Vracení kondenzátu do místa výroby páry

Číslo šablony III/2 Číslo materiálu VY_32_INOVACE_F.5.15 Autor Mgr. Jiří Neuman Vytvořeno

Laboratorní úloha č. 4 MĚŘENÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH VLASTNOSTÍ PNEUMATICKÝCH A ODPOROVÝCH TEPLOMĚRŮ

ČÁST V F Y Z I K Á L N Í P O L E. 18. Gravitační pole 19. Elektrostatické pole 20. Elektrický proud 21. Magnetické pole 22. Elektromagnetické pole

VLIV STŘÍDAVÉHO MAGNETICKÉHO POLE NA PLASTICKOU DEFORMACI OCELI ZA STUDENA.

Vítězslav Stýskala TÉMA 2. Oddíl 3. Elektrické stroje

Posuzování kouřových plynů v atriích s aplikací kouřového managementu

Věra Keselicová. duben 2013

Ilustrační animace slon a pírko

REGULACE V TECHNICE PROSTŘEDÍ (STAVEB) Cvičení č. 2

Chemické výpočty. = 1, kg

Vítězslav Stýskala TÉMA 2. Oddíl 3. Elektrické stroje

Práce, energie a další mechanické veličiny

Odolnost teplotním šokům při vysokých teplotách

Návrh a výpočet cirkulačního potrubí. Energetické systémy budov I

Síla. Měření tažné síly robota. Tematický celek: Síla. Úkol:

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Připravil: Roman Pavlačka, Markéta Sekaninová Dynamika, Newtonovy zákony

Název: Archimedův zákon. Úvod. Cíle. Teoretická příprava (teoretický úvod)

2 Kotvení stavebních konstrukcí

3 - Hmotnostní bilance filtrace a výpočet konstant filtrační rovnice

Návrh výměníku pro využití odpadního tepla z termického čištění plynů

Studentská tvůrčí činnost. O letu volejbalového míče při podání

Návod k obsluze a instalaci kotle

FYZIKA na LF MU cvičná. 1. Který z následujících souborů jednotek neobsahuje jen základní nebo odvozené jednotky soustavy SI?

sf_2014.notebook March 31,

ENERGETICKÝ AUDIT KOMPLEXÙ S PLYNOVOU KOGENERAÈNÍ JEDNOTKOU

3. TEKUTINY A TERMIKA 3.1 TEKUTINY

Výměna tepla může probíhat vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) nebo sáláním (zářením).

Úvod do teorie spalování tuhých paliv. Ing. Jirka Horák, Ph.D.

Dynamika pro učební obory

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_07_FY_A

Seminář RIB. Úvod do požární odolnosti

Maturitní okruhy Fyzika

THERM DUO 50.A, 50 T.A, 50 FT.A

na dálku prost ednictvím silových polí Statický ú inek síly Dynamický ú inek síly dynamika Síla F je vektorová veli ina ur ená velikostí, p sobišt

Téma sady: Všeobecně o vytápění. Název prezentace: základní pojmy 1

stavitel Vzduchotěsnost

CVIČENÍ 1 PRVKY KOVOVÝCH KONSTRUKCÍ

Požární minimum pro vzduchotechniku (I)

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

CERTIFIKAČNÍ SPECIFIKACE PRO KLUZÁKY A MOTOROVÉ KLUZÁKY

Tepelné jevy při ostřiku okují Thermal phenomena of descalling

Transkript:

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta strojní Semestrální práce z Matematického Modelování Dynamika pohybu rakety v 1D Vypracoval: Pavel Roud Obor: Technologie obrábění e mail:stu85@seznam.cz 1

1.Úvod... 3 2.Bilance sil... 5 2.1 Vertikální síly... 5 2.2 Horizontální síly... 6 3.Představení jednoduchého modelu... 7 3.1 Pohyb rakety bez odporu prostředí... 8 3.2 Pohyb rakety s odporem prostředí... 9 4.Použité zdroje... 11 2

1 Úvod Raketa je těleso, které v závislosti na čase mění svoji hmotnost a díky tomu i rychlost. Základní schéma rakety je na obr.1. Raketa je nejčastěji konstruována jako vícestupňová. Důvodem je co největší úspora hmotnosti. Část ve které již bylo vyčerpáno palivo je zbytečná a pouze způsobuje zbytečnou zátěž. Samotná hmotnost rakety je tvořena z 90% hmotností paliva, zbytek tvoří samotná konstruktce, včetně přídavných látek ( výbušniny, zařízení pro sběr dat apod.). Obr. 1 Rakety můžeme rozdělit podle několika hledisek: Dle dráhy letu o S plochou o Vertikální o Po balistické křivce nejčastější Dle paliva o Jednosložkové o Dvou složkové o Vícesložkové Tuhé motory používající toto palivo se vyznačují jednoduchou konstrukcí a dosahují vysokého tahu a spolehlivosti. Palivo je umístěno ve spalovací komoře a je nazýváno zrnem. Kromě směsi zrna je možné tah motoru ovlivňovat jeho tvarem. Kapalné předností je vyšší výkon, menší hmotnost, možnost řídit velikost a směr tahu v širokém rozsahu, včetně restartu. Nevýhodou je konstrukční složitost tudíž vyšší cena. Hybridní jedna složka pohonné látky v tuhém skupenství a druhá v kapalném. Mají vysoký specifický impuls, lze u nich regulovat tah a restartovat je. Ve spalovací komoře je blok paliva tvořen práškovým kovem (stačí levný hliník) a pojivem. Do komory se vstřikuje kapalné okysličovadlo, například kapalný kyslík nebo fluór 3

Dle probíhají reakce o Chemické výkonné, lehké a jednoduché o Jaderné při reakci se uvolňuje 10 100x10 6 více energie než při chemickém reakci o Elektrické pracovní látka se zrychluje elektrickou energií ze zdroje, který si raketa nese s sebou Velikost rychlosti na použitém palivu udává Tab.1. Palivo Okysličovadlo Výtoková rychlost [m/s] černý prach 2360 benzín tekutý kyslík 4377 benzín tekutý ozon 4888 benzín peroxid vodíku 3640 benzín kyselina dusičná 3450 etylalkohol kyslík 4164 benzol kyslík 4450 pentan kyslík 4455 vodík kyslík 5180 Dalšími charakteristikami je maximální dolet, maximální výška od země tzv. apogeum. Tyto charakteristiky se vztahují na balistické střely pohybující se po balistické křivce. Nejdůlěžitějším parametrem je tzv. specifický impuls raketového motoru [Ns/kg]. Uvádí velikost tahu, který vyvine daný raketový motor, v němž spálíme kilogram pohonné látky za sekundu. Jinými slovy: tah je přibližně roven součinu specifického impulsu a sekundové spotřeby pohonných látekněkdy také nazývané reaktivita paliva. Specifický impuls motoru je ovlivněn řadou faktorů, z nichž některé jsou dány vlastnostmi použitých pohonných látek, jiné konstrukčním řešením. Nejvhodnější jsou pohonné látky s minimální hmotností a maximální spalnou teplotou. Technici pochopitelně usilují o použití materálů, které tuto teplotu vydrží, a o lehkou konstrukci, umožňující ve spalovací komoře vyvinout vysoký tlak a naopak dosáhnout téměř nulový tlak na výstupu z trysky. 4

2 Bilance sil Pro popis pohybu rakety se používá 1. Impulsový zákon: Kde: [p(t)] hybnost tělesa v čase t Ns [Fc] celková působí síla N Hybnost tělesa je dána součinem jeho hmotnosti a rychlosti, jež jsou obecně v čase proměnné. pt mtvt Kde: [m(t)] hmotnost tělesa v čase t kg [v(t)] rychlost tělesa v čase t m/s Celková působící síla, znamená výslednici sil, které na těleso působí. Tyto síly můžeme podle směru rozdělit na Vertikální Horizontální 2.1 Vertikální síly Jednou ze sil působících na raketu je gravitační síla, která táhne těleso směrem dolů. Její velikost lze určit z Newtonova zákona síly: Kde: je zrychlení tělesa, V konkrétním případě [a]=g =m/s 2 [m] hmotnost tělesa kg Silou jež působí proti gravitační síle je vztlaková síla Fz a tu lze obdržet dosazením do věty Kutta Žukovského: Гaρ Kde: Г cirkulace m 3/ s [a] rychlost proudícího média (vzduchu) [m/s] ρ hustota média[kg/m 3 ] 5

2.2 Horizontální síly Mezi horizontální síly patří reaktivní síla motoru, která způsobuje pohyb rakety. Tato síla je úměrná relativní rychlosti spalin [m/s] a reaktivitě paliva, resp. jeho hmotnostnímu toku r[kg/s]. r Rozměrová analýza: N Podle prostředí ve kterém se raketa pohybuje, působí na ni odporová síla, která může nabývat hodnot Kde: 0 pro prostředí, které neklade žádný odpor vakuum, nebo neuvažujeme vliv prostředí 0 o Konstantní o Proměnná V závislosti na jednom parametru např. ρ pak ρ 1 ρ 2 ρ hustota prostředí ρ hustota referenčního prostředí odporová síla referenčního prostředí Rozměrová analýza : N N K K 1 V závislosti na více parametrech ρ,, pak ρ Kde: součinitel odporu prostředí [ ] ρ hustota prostředí [kg/m 3 ] S x plocha v normálném směru na kterou odpor prostředí působí [m 2 ] rychlost [m/s] Rozměrová analýza: N kgm m ms kgms 6

3 Představení jednoduchého modelu Raketa s plochou dráhou letu má prorazit stěnu o šířce l a hustotě ρ. Na základě znalosti fyzikálních zákonitostí se má stanovit změna rychlosti rakety v závislosti na čase a odporu prostředí, která brání pohybu rakety konst. silou. Jako další zjednodušující podmínka je rovnováha mezi gravitační a vztlakovou silou a proto se pohyb rakety odehrává pouze v horizontální rovině. Dalším zjednodušujícím předpokladem je vypotřebování veškerého paliva v době nárazu. Dalšími parametry jež se mají stanovit: potřebná rychlost rakety k proražení stěny určit dobu do vyhoření paliva pokud je uvažován odpor prostředí, jak je nutné změnit relativní rychlost spalin nebo reaktivitu paliva, aby byla proražena stěna o dané šířce pokud tah rakety změnit nelze, jak se změní její rychlost a jak se změní tlouštka stěny, která raketa bude schopná prorazit Použité symboly : [kg] počáteční hmotnost paliva [kg] hmotnost vlastní konstrukce rakety [kg] celková hmotnost rakety [kg] hmotnost rakety v čase t r [kg/s] reaktivita paliva [N] reaktivní síla motoru rakety [m/s] relativní rychlost spalin vycházejících z motoru [m/s] rychlost rakety v čase t [J] koncová kinetická energie [J] počáteční kinetická energie W [J] práce odporové síly ρ ZDI [km/m 3 ] hustota zdi [N] odporová síla zdi [m] šířka zdi ρ VZD [km/m 3 ] hustota vzduchu [N] odporová síla vzduchu 7

3.1 Pohyb rakety bez odporu prostředí Doba do vyhoření paliva První impulsový zákon Derivací podle dt Vznikne diferenciální rovnice prvního řádu: Úpravou za : Řešení dif. Rovnice pomocí metody Variace konstant: 1 ln ln ln ln Derivací podle dt : Dosazením do dif. Rovnice: m t C mt m t C mt Dosazením do v(t): mt Mrt 8

Potřebná rychlost pro proražení stěny se vypočte za zákonu o změně kinetické energie tělesa: Uvažuje se, že v době nárazu došlo palivo 0 1 2 2 2 Potřebná rychlost spalin ρ ZDI ρ VZD Mr 3.2 Pohyb rakety s odporem prostředí Bude se uvažovat konstantní síla, která klade odpor proti pohybu rakety. Tzn., že na pravé straně rovnice přibude člen Proto bude rovnice pro první impulsový zákon ve tvaru: Použijí se stejné úpravy jako v případě pohybu raket bez odporu prostředí: Dostáváme diferenciální rovnici prvního řádu: Úpravou za : Řešení dif. Rovnice pomocí metody Variace konstant: 1 ln ln ln ln 9

Derivací podle dt : m t C mt Dosazením do dif. Rovnice: C m t mt Dosazením do v(t): mt Mrt Pokud má raketa prorazit stěnu musí mít stejnou rychlost jako v případě bez uvažování odporu prostředí. Proto se musí zvýšit buď relativní rychlost spalin nebo použít palivo o větší reaktivitě r. Pro případ, že použité palivo bude stejné, je potřebná relativní rychlost spalin: Pokud rychlost spalin změnit nelze, (kvůli konstrukci), nutná reaktivita paliva r: V případě, že nelze změnit ani jeden z parametrů bude maximální tlouštka stěny, kterou raketa bude schopná prorazit odvozena ze zákona o změně kinetické energie: 0 1 2 2 10

4 Použité zdroje [1] MÍKA,S. Texty z aplikované matematiky:matematické modelování,plzeň 2006 [2] KUCHTA,R. Texty z přednášek Technická Fyzika pro FST,Plzeň 2004 [3] Balistické rakety http://www.palba.cz/viewtopic.php?t=2197 [4] Co žene rakety vzhůru http://www.21stoleti.cz/view.php?cisloclanku=2006050417 11