แรงขับ

กองกำลังบน หน้าตัดของ aerofoil

อากาศยานปีกคงสร้างแรงผลักดันไปข้างหน้าเมื่ออากาศถูกผลักในทิศทางตรงข้ามที่จะเที่ยวบิน ซึ่งสามารถทำได้หลายวิธีรวมถึงใบมีดหมุนของใบพัดหรือหมุนพัดลมอากาศผลักดันออกมาจากด้านหลังของเครื่องยนต์หรือโดยการดึงก๊าซร้อนจากเครื่องยนต์จรวด ^[2]แรงขับไปข้างหน้าเป็นสัดส่วนกับมวลของกระแสลมคูณด้วยความแตกต่างของความเร็วของกระแสลม สามารถสร้างแรงขับย้อนกลับเพื่อช่วยในการเบรกหลังจากลงจอดโดยการถอยหลังของใบพัดใบพัดแบบแปรผันหรือใช้ตัวพลิกกลับของแรงขับในเครื่องยนต์เจ็ท เครื่องบินปีกหมุนและเครื่องบินV / STOL แบบเวกเตอร์แรงขับ ใช้แรงขับของเครื่องยนต์เพื่อรองรับน้ำหนักของเครื่องบินและผลรวมเวกเตอร์ของแรงขับด้านหน้าและด้านท้ายเพื่อควบคุมความเร็วไปข้างหน้า

ยนต์สร้างแรงผลักดัน (หรือแรงผลักดันกลับ) เมื่อใบพัดจะหันไปเร่งไปข้างหลังน้ำ (หรือส่งต่อ) แรงขับที่เกิดขึ้นจะผลักเรือไปในทิศทางตรงกันข้ามกับผลรวมของการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมในน้ำที่ไหลผ่านใบพัด

จรวดขับเคลื่อนไปข้างหน้าโดยแรงผลักดันเท่ากับขนาด แต่ตรงข้ามในทิศทางเพื่อเวลาอัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของไอเสียเร่งตัวขึ้นจากห้องเผาไหม้ผ่านหัวฉีดเครื่องยนต์จรวด นี่คือความเร็วไอเสียเทียบกับจรวดคูณกับอัตราเวลาที่มวลถูกขับออกหรือในแง่คณิตศาสตร์:

${\ displaystyle \ mathbf {T} = \ mathbf {v} {\ frac {\ mathrm {d} m} {\ mathrm {d} t}}}$

โดยที่Tคือแรงผลักที่สร้างขึ้น (แรง)${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} m} {\ mathrm {d} t}}}$คืออัตราการเปลี่ยนแปลงของมวลตามเวลา (อัตราการไหลของไอเสีย) และvคือความเร็วของก๊าซไอเสียที่วัดได้เทียบกับจรวด

สำหรับการปล่อยจรวดในแนวดิ่งแรงขับเริ่มต้นที่ยานยกจะต้องมากกว่าน้ำหนัก

เครื่องยนต์หลักของกระสวยอวกาศ สามตัวแต่ละตัวสามารถสร้างแรงขับได้ 1.8  เมกะนิวตันและเครื่องเพิ่มจรวดแข็งสองตัวของกระสวยอวกาศ14.7  MN (3,300,000  lbf ) รวมกัน 29.4 MN ^[3]

ในทางตรงกันข้ามAid แบบง่ายสำหรับ EVA Rescue (SAFER) มี 24 แรงขับของ 3.56 N (0.80 lbf) ต่อตัว ^{[ ต้องการอ้างอิง ]}

ในประเภทอากาศหายใจเครื่องยนต์เจ็ท AMT-USA AT-180 ที่พัฒนาขึ้นสำหรับเครื่องบินบังคับวิทยุผลิตแรงขับได้90 นิวตัน (20 ปอนด์ ) ^[4] GE90 -115B เครื่องยนต์ติดตั้งบนเครื่องบินโบอิ้ง 777 -300ER ได้รับการยอมรับจากหนังสือกินเนสส์เวิลด์เร็กคอร์ดเป็น "โลกที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในเชิงพาณิชย์เจ็ตเครื่องยนต์" มีแรงผลักดันจาก 569 กิโลนิวตัน (127,900 ปอนด์) ก

ผลักดันให้มีอำนาจ

พลังงานที่จำเป็นในการสร้างแรงผลักดันและแรงผลักดันที่อาจจะเกี่ยวข้องในการไม่เชิงเส้นวิธี โดยทั่วไปแล้ว${\ displaystyle \ mathbf {P} ^ {2} \ propto \ mathbf {T} ^ {3}}$. ค่าคงที่ของสัดส่วนแตกต่างกันไปและสามารถแก้ไขได้สำหรับการไหลสม่ำเสมอ:

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} m} {\ mathrm {d} t}} = \ rho A {v}}$

${\ displaystyle \ mathbf {T} = {\ frac {\ mathrm {d} m} {\ mathrm {d} t}} {v}, \ mathbf {P} = {\ frac {1} {2}} { \ frac {\ mathrm {d} m} {\ mathrm {d} t}} {v} ^ {2}}$

${\ displaystyle \ mathbf {T} = \ rho A {v} ^ {2}, \ mathbf {P} = {\ frac {1} {2}} \ rho A {v} ^ {3}}$

${\ displaystyle \ mathbf {P} ^ {2} = {\ frac {\ mathbf {T} ^ {3}} {4 \ rho A}}}$

โปรดทราบว่าการคำนวณเหล่านี้ใช้ได้เฉพาะเมื่ออากาศที่เข้ามาถูกเร่งจากจุดหยุดนิ่งตัวอย่างเช่นเมื่อวางเมาส์

ค่าผกผันของค่าคงที่ตามสัดส่วน "ประสิทธิภาพ" ของทรัสเตอร์ที่สมบูรณ์แบบเป็นสัดส่วนกับพื้นที่หน้าตัดของปริมาตรของของไหลที่ขับเคลื่อน (${\ displaystyle A}$) และความหนาแน่นของของเหลว (${\ displaystyle \ rho}$). สิ่งนี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดการเคลื่อนที่ในน้ำจึงง่ายกว่าและเหตุใดเครื่องบินจึงมีใบพัดขนาดใหญ่กว่าเรือบรรทุกสินค้า

เค้นพลังขับเคลื่อน

คำถามที่พบบ่อยมากคือการเปรียบเทียบอัตราแรงขับของเครื่องยนต์เจ็ทกับระดับกำลังของเครื่องยนต์ลูกสูบ การเปรียบเทียบดังกล่าวเป็นเรื่องยากเนื่องจากปริมาณเหล่านี้ไม่เทียบเท่า เครื่องยนต์ลูกสูบไม่ได้เคลื่อนเครื่องบินด้วยตัวเอง (ใบพัดทำเช่นนั้น) ดังนั้นเครื่องยนต์ลูกสูบมักจะได้รับการจัดอันดับตามกำลังที่ส่งไปยังใบพัด ยกเว้นการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความกดอากาศปริมาณนี้ขึ้นอยู่กับการตั้งค่าเค้นโดยทั่วไป

เครื่องยนต์เจ็ทไม่มีใบพัดดังนั้นกำลังขับเคลื่อนของเครื่องยนต์เจ็ทจึงพิจารณาจากแรงขับดังนี้ พลังคือแรง (F) ที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายบางสิ่งในระยะทางหนึ่ง (d) หารด้วยเวลา (t) ที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายระยะทางนั้น: ^[5]

${\ displaystyle \ mathbf {P} = \ mathbf {F} {\ frac {d} {t}}}$

ในกรณีของจรวดหรือเครื่องบินไอพ่นแรงจะเท่ากับแรงขับ (T) ที่ผลิตโดยเครื่องยนต์ หากจรวดหรือเครื่องบินเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ระยะทางหารด้วยเวลาก็เท่ากับความเร็วดังนั้นกำลังจึงเท่ากับความเร็วของแรงขับ: ^[6]

${\ displaystyle \ mathbf {P} = \ mathbf {T} {v}}$

สูตรนี้ดูน่าประหลาดใจมาก แต่ถูกต้อง: พลังขับเคลื่อน (หรือกำลังที่มีอยู่ ^[7] ) ของเครื่องยนต์เจ็ทจะเพิ่มขึ้นตามความเร็ว ถ้าความเร็วเป็นศูนย์แสดงว่ากำลังขับเคลื่อนเป็นศูนย์ หากเครื่องบินเจ็ทอยู่ที่คันเร่งเต็มที่ แต่ติดอยู่กับแท่นทดสอบแบบคงที่เครื่องยนต์เจ็ทจะไม่สร้างพลังขับเคลื่อนอย่างไรก็ตามยังคงมีแรงขับเกิดขึ้น เครื่องยนต์ลูกสูบแบบผสม - ใบพัดยังมีกำลังขับเคลื่อนที่มีสูตรเดียวกันทุกประการและจะเป็นศูนย์ที่ความเร็วศูนย์ด้วย - แต่สำหรับเครื่องยนต์ - ชุดใบพัด เครื่องยนต์เพียงอย่างเดียวจะยังคงผลิตกำลังที่ได้รับการจัดอันดับในอัตราคงที่ไม่ว่าเครื่องบินจะเคลื่อนที่หรือไม่ก็ตาม

ลองนึกภาพโซ่ที่แข็งแรงขาดและเครื่องบินเจ็ทและลูกสูบเริ่มเคลื่อนที่ ด้วยความเร็วต่ำ:

เครื่องยนต์ลูกสูบจะมีกำลังคงที่ 100% และแรงขับของใบพัดจะแปรผันตามความเร็ว
เครื่องยนต์เจ็ตจะมีแรงขับคงที่ 100% และกำลังของเครื่องยนต์จะแปรผันตามความเร็ว

แรงขับมากเกินไป

หากเครื่องบินขับเคลื่อนกำลังสร้างแรงขับ T และประสบกับการลาก D ความแตกต่างระหว่างทั้งสองคือ T - D จะเรียกว่าแรงขับส่วนเกิน ประสิทธิภาพในทันทีของเครื่องบินส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับแรงขับที่มากเกินไป

แรงขับส่วนเกินเป็นเวกเตอร์และถูกกำหนดให้เป็นความแตกต่างของเวกเตอร์ระหว่างเวกเตอร์แรงขับและเวกเตอร์ลาก

แกนแรงขับ

แกนแรงขับสำหรับเครื่องบินคือแนวการกระทำของแรงขับทั้งหมดในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง ขึ้นอยู่กับตำแหน่งจำนวนและลักษณะของเครื่องยนต์เจ็ทหรือใบพัด โดยปกติจะแตกต่างจากแกนลาก ถ้าเป็นเช่นนั้นระยะห่างระหว่างแกนแรงขับและแกนลากจะทำให้เกิดช่วงเวลาที่ต้องต่อต้านโดยการเปลี่ยนแปลงของแรงแอโรไดนามิกบนโคลงแนวนอน ^[8]โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องบินโบอิ้ง 737 MAX ที่มีเครื่องยนต์ขนาดใหญ่และสะพายต่ำกว่ารุ่นก่อนหน้า 737 มีระยะห่างระหว่างแกนแรงขับและแกนลากมากขึ้นทำให้จมูกลอยขึ้นในบางระบบการบิน ระบบการควบคุม, MCAS MCAS เวอร์ชันแรกเกิดความผิดพลาดอย่างร้ายแรงในเที่ยวบินทำให้มีผู้เสียชีวิตกว่า 300 คนในปี 2018 และ 2019 ^{[9] [10]}

• แรงพลศาสตร์
• แรงขับ Astern
• เครื่องยนต์กังหันก๊าซ
• แรงขับแบบ Gimballedซึ่งพบมากที่สุดในจรวดสมัยใหม่
• ปอนด์ของแรงขับ (เช่นเดียวกับปอนด์ (แรง) )
• สตรีมแรงขับเฉลี่ย
• อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก
• เวกเตอร์แรงขับ
• การกลับตัวของแรงขับ
• ความพยายามในการดึง