🔥 Ракетний двигун — сопло Лаваля

Дізнайся, як сопло Лаваля перетворює гарячі продукти згоряння на надзвуковий вихліп, створюючи тягу. Змінюй тиск у камері, відношення площ сопла та паливну пару, щоб побачити як це впливає на тягу та Isp.

🇬🇧 English

Пальне

Камера та сопло

Характеристики

Тяга—
Isp (вакуум)—
Isp (атм.)—
Швидкість виходу—
Тиск виходу—
Витрата маси—
Розширення—
Формули:
c* — характеристична швидкість
v_e = √(2γ/(γ-1)·R·T_c·[1−(p_e/p_c)^((γ-1)/γ)])
F = ṁ·v_e + (p_e − p_a)·A_e
Isp = F / (ṁ·g₀)

Принцип роботи сопла Лаваля

Сопло Лаваля (сходяще-розходяще сопло) — ключовий компонент, що перетворює теплову енергію горіння на спрямовану кінетичну. У збіжній частині дозвуковий гарячий газ прискорюється. У критичному перетині — найвужчому місці — потік досягає числа Маха 1. У розсіювальній частині потік стає надзвуковим і продовжує прискорюватись. Відношення площ ε = A_e/A_t визначає число Маха на виході і тиск виходу. Оптимальне розширення (p_e = p_a) максимізує тягу на даній висоті. Висока тиск у камері дозволяє зробити критичний перетин меншим при тій самій тязі, зменшуючи масу двигуна.

Про цю симуляцію

Ракетний двигун перетворює теплову й хімічну енергію згоряння на тягу, прискорюючи гарячий газ через сопло Лаваля — сходяще-розходящий канал, що розганяє дозвуковий потік рівно до числа Маха 1 у найвужчому критичному перетині, а далі продовжує прискорювати його вже до надзвукових швидкостей, коли канал знову розширюється. Ця симуляція моделює весь процес: обери паливну пару, задай тиск у камері, площу критичного перетину та відношення площ сопла ε = A_e/A_t — і одразу побачиш тягу, швидкість виходу та питомий імпульс (Isp), а також чи сопло недорозширене, перерозширене чи оптимальне для заданого зовнішнього тиску.

🔬 Що показано

Анімований переріз показує частинки продуктів згоряння, що прискорюються від камери через вузький критичний перетин (позначений «Критперетин M=1») і далі крізь розсіювальну надзвукову частину, змінюючи колір у міру охолодження вихлопу. Пунктирні позначки показують розташування критичного перетину та поточне відношення площ.

🎮 Як користуватись

Обери паливну пару (рідкий О₂/водень, рідкий О₂/гас, N₂O₄/НДМГ або тверде паливо), потім рухай повзунки Тиск у камері, Площа критперетину, Відношення площ ε = A_e/A_t та Тиск зовні. Панель «Характеристики» одразу оновлює тягу, Isp у вакуумі й атмосфері, швидкість та тиск виходу, витрату маси й статус розширення.

💡 Чи знали ви?

Двигуни на рідкому кисні й водні досягають Isp близько 450 секунд — це майже максимум для хімічних ракетних двигунів — бо дуже мала молекулярна маса водню дозволяє продуктам згоряння розганятись до значно вищих швидкостей, ніж у гасу чи твердого палива при тій самій температурі згоряння.

Часті запитання

Що таке питомий імпульс (Isp) і чому він важливий?

Isp = F / (ṁ·g₀) показує, скільки тяги двигун створює на кожну одиницю ваги палива, що витрачається за секунду, і вимірюється в секундах. Що вищий Isp, то більше тяги дає той самий запас палива, а це напряму визначає, яку корисну масу ракета може вивести з даним запасом пального.

Чому потік у критичному перетині сопла завжди досягає рівно числа Маха 1?

Критичний перетин — найвужче місце сходяще-розходящого каналу. Для запертого ізентропного потоку це єдина точка, де він може перейти від дозвукового до надзвукового; закон збереження маси й теорія стисливого потоку змушують місцеве число Маха дорівнювати 1 саме там, якщо перепад тиску достатньо великий.

Що контролює відношення площ ε = A_e/A_t?

Відношення площ визначає, наскільки надзвуковий газ розширюється між критичним перетином і зрізом сопла, а отже задає число Маха і тиск на виході p_e. Більше ε дає сильніше розширення і вищу швидкість виходу, але це вигідно лише тоді, коли зовнішній тиск достатньо низький, інакше сопло стане перерозширеним.

У чому різниця між недорозширеним, перерозширеним та оптимальним соплом?

Сопло оптимальне, коли тиск виходу p_e точно дорівнює зовнішньому тиску p_a — це дає максимальну тягу за даних умов. Якщо p_e більше за p_a, сопло недорозширене; якщо p_e менше за p_a, сопло перерозширене, і навколишнє повітря тисне на вихлоп, знижуючи тягу й створюючи ризик відриву потоку.

Чому різні палива дають настільки різний Isp?

Isp залежить головно від температури згоряння і молекулярної маси продуктів вихлопу — легші продукти при тій самій температурі розганяються до вищих швидкостей. Пара рідкий кисень/водень дає дуже легкий водяний вихлоп і найвищий Isp (~450с), тоді як важче тверде паливо чи N₂O₄/НДМГ жертвують частиною ефективності заради вищої густини й простішого зберігання.