Когда вы посещаете какой-либо веб-сайт, он может сохранять информацию в вашем браузере или получать из него данные, в основном в виде файлов cookie. Эта информация может относиться к вам, вашим предпочтениям, вашему устройству или будет использоваться для правильной работы веб-сайта с вашей точки зрения. Такие данные обычно не идентифицируют вас непосредственно, но могут предоставлять вам индивидуализированные возможности работы в интернете. Вы можете отказаться от использования некоторых типов файлов cookie. Нажимайте на заголовки категорий, чтобы узнать подробности и изменить настройки, заданные по умолчанию. Однако вы должны понимать, что блокировка некоторых типов cookie может повлиять на использование вами веб-сайта и ограничить предлагаемые нами услуги.
Строго необходимые файлы cookie
Всегда активно
Эти файлы cookie необходимы для функционирования веб-сайта и не могут быть отключены в наших системах.
Как правило, они активируются только в ответ на ваши действия, аналогичные запросу услуг, такие как настройка уровня конфиденциальности, вход в систему или заполнение форм. Вы можете настроить браузер таким образом, чтобы он блокировал эти файлы cookie или уведомлял вас об их использовании, но в таком случае возможно, что некоторые разделы веб-сайта не будут работать.
Эти файлы cookie позволяют нам подсчитывать количество посещений и источников трафика, чтобы оценивать и улучшать работу нашего веб-сайта. Благодаря им мы знаем, какие страницы являются наиболее и наименее популярными, и видим, каким образом посетители перемещаются по веб-сайту. Все данные, собираемые при помощи этих cookie, группируются в статистику, а значит, являются анонимными. Если вы не одобрите использование этих файлов cookie, у нас не будет данных о посещении вами нашего веб-сайта.
Трамвайные путевые тяги. Переход на плоские тяги значительно… | by Радченко Алексей
Переход на плоские тяги значительно улучшит уровень обслуживания пути.
В рамках нашего трамвайного проекта мне приходиться перелопачивать огромное количество технических материалов и нормативов. Как наших, так и зарубежных. И вот на одном примере я бы и хотел показать вам разницу в подходах у нас и “у них”.
Путевая тяга — металлическая стяжка для сохранения нормативного расстояния между рельсами в 1524 мм.
на прямых и кривых участках радиусом более 200 м — через 2,5 м;
на кривых участках радиусом от 75 до 200 м — через 2,4–2,0 м;
на кривых участках радиусом менее 75 м — через 1,8–1,3 м.
Вот как они выглядят в жизни:
Пример использования тяг на Краснопресненской сети (Строгино)
Основная проблема с ними — они не работают!
Как показало обследование, рельсы на большинстве участков имеют нарушение нормативного расстояния вплоть до 1530, 1540 или даже 1554 мм (метро Университет), что чревато серьезными проблемами. И это не удивительно, на большей части участков, тяг или нет или они представлены в состоянии, как на фото выше: погнуты, искривлены или не закреплены должным образом.
Причин две: 1) Их продавливают автомобили при движении по полотну (причем как и нарушители, объезжающие пробки, так и служебная техника самого Мосгортранса) 2) Подход самой службы пути к их обслуживанию. При невозможности или нежелании использовать болты для стягивания полотна, тяги тупо прогибают обычной кувалдой, стягивая таким образом рельс.
В итоге 90% путевых тяг обследованных нами не выполняют свою функцию.
Удивительно, но обе эти проблемы решаются элементарно и уже давно решены — всего-то стоит изменить саму форму тяги, и вместо штыря (круга в сечении) использовать плоские тяги (полоску металла).
Посмотрите как это выглядит в жизни (фото из Риги и Берлина):
Вектор тяги. К вопросу о двигателях для истребителей пятого поколения
Моторы самых первых аэропланов работали на фиксированных оборотах, но как только появилась возможность регулирования их мощности, этот процесс стал неотъемлемой частью управления самолетом в целом.
С достижением сверхзвуковых скоростей и высот значение управления тягой для выдерживания заданной траектории резко возросло, поскольку на многих режимах полета управляющие моменты, создаваемые одними только рулевыми поверхностями, а иногда даже и подъемная сила крыла для этого стали уже недостаточны. Это особенно сильно чувствовалось в таких «пилотируемых ракетах», как советский перехватчик Су-9 Сухого, или американский Локхид F-104 «Старфайтер», не только высотно-скоростные качества которых, но их устойчивость и управляемость определялись в значительной мере именно тягой двигателя.
Весь облик таких самолетов был нацелен на достижение максимальных высот и скоростей, они должны были выполнить перехват сверхзвукового противника в стратосфере, двигаясь почти как баллистическая ракета – «на двигателе». Но практика показала ошибочность такого упрощённого подхода к ведению войны в воздухе. В 1970-е годы началась переоценка ценностей во взглядах на приоритеты в летно-тактических данных самолетов-истребителей. Их скорость и высотность больше не росли, а на первый план вновь вышли показатели маневренности и дальности полёта. Некоторые эксперты считали, что теперь не важно, какой будет двигатель, а главное – аэродинамика и весовое совершенство. Однако попытка установки на истребитель IV поколения F-16 одноконтурного двигателя III поколения J79-GE вместо ТРДДФ IV поколения F100-PW-200 привела к такому падению боевых свойств, что от него отказались даже страны «третьего мира». И никто больше не сомневается, что для самолета V поколения и двигатель нужен этого же поколения. Но каким он должен быть?
Истребители IV поколения от предыдущих (на фото F-15А и YF-17 слева от самолета F-104) отличали не только аэродинамика, конструкция, оборудование и вооружение, но и двигатели – экономичные двухконтурные
Фото: nasa.gov
Новое поколение – новые задачи
В начале 1970-х гг. американская авиапромышленность создала тактические истребители F-15A и F-16A с очень высокими летными данными. Однако появившиеся в ответ советские МиГ-29 и Су-27 сохранили традиционное превосходство в ближнем бою и существенно сократили, а то и свели на нет отставание по дальности полета, возможностям управляемого вооружения и прицельного оборудования. Модернизация F-15 и F-16 ВВС США, как и палубных F-18, шла в направлении наращивания их ударного потенциала и их шансы в воздушном бою против обновленных МиГов и Су, особенно на малых дистанциях, сократились ещё более. Потому приступая к разработке следующего поколения истребителей, командование ВВС США во главу угла поставило именно летные данные.
Двухконтурные турбореактивные двигатели с форсажной камерой АЛ-31Ф наряду с передовой аэродинамикой определили высокие летные данные истребителя IV поколения Су-27 – скорость, маневренность, дальность
Фото: forums.airforce.ru
Оно хотело получить устойчивое, сохраняемое длительное время преимущество над советскими самолетами в маневренности, что лишило бы ВВС СССР традиционного превосходства в ближнем бою над линией фронта и гарантировало бы решение задачи захвата господства в воздухе для обеспечения действий ударной авиации. Для этого и был нужен двигатель с управлением вектором тяги, объединенным с системой основного (аэродинамического) управления самолетом.
Вторым аспектом было одновременное сокращение времени реакции и повышения радиуса действия, что давало возможность быстро концентрировать авиацию на решающем направлении. Первое традиционно достигалось уменьшением времени подготовки к боевому вылету, но уже к середине 70-х гг. здесь резервы были исчерпаны. Трудозатраты по обслуживанию на один час полета самолета-истребителя достигли низшего возможного предела: для F-15A они сократились до 11,3 часа, что было вдвое ниже, чем на самолете F-4E, и в 2,8 раза ниже, чем на F-4C. Даже на 1 час полета поршневого истребителя Р-51 «Мустанг» времен II мировой войны надо было тратить 15 часов труда техсостава! Оставалось увеличивать крейсерскую скорость до сверхзвуковой – у F-15A, например, она была лишь 930 км/ч. Это попутно дало бы и тактические преимущества при вступлении в воздушный бой.
Чтобы увеличить радиус действия обычно старались снизить километровый расход топлива и увеличить объем баков. Дозаправка в полете не касается нашей темы, а эти пути непосредственно связаны с совершенствованием двигателей. Чтобы они тратили как можно меньше керосина на километр, повышали степень сжатия входящего воздуха в компрессоре, температуру в камере сгорания (перед турбиной), разделяли роторы на два (высокого и низкого давления), наконец, перешли на двухконтурные двигатели с форсажной камерой – ТРДДФ.
Но за выгоды ТРДДФ на дозвуковых крейсерских режимах приходилось платить ухудшением характеристик на режимах боевых, а проценты дальнейшего снижения расхода топлива давались все труднее. Оставалось убирать непроизводительные его потери, повышая точность регулирования режима работы, но это какие-то проценты, или же переходить на сверхзвуковой крейсерский режим.
Советский истребитель-бомбардировщик Су-7Б с одноконтурным турбореактивным двигателем АЛ-7Ф со сравнительно низкими температурами газов за турбиной достигал сверхзвуковой скорости и без включения форсажа, но дальность у него при этом все равно была маленькая Фото: defence.ru
Еще с начала 50-х гг. советские самолеты Су-7 и Су-9, или английские «Лайтнинг» могли ходить на сверхзвуке без включения форсажа, но и при этом их дальность все равно получалась очень маленькой. Форсажный крейсерский сверхзвуковой режим более был получен на МиГ-25 с низконапорными одноконтурными ТРДФ, а затем на МиГ-31 с ТРДДФ. Но радиус действия этих крупных и тяжелых машин был таким в основном не благодаря высокой экономичности двигателей, а за счет объема баков. Для маневренных истребителей этот путь не годился – нужны были принципиально новые конструкции авиационных двигателей.
Самолет МиГ-25 с низконапорными одноконтурными ТРДФ Р-15-300, выпускавшийся в модификациях перехватчика, разведчика-бомбардировщика и самолета для борьбы с ПВО, имел форсажный сверхзвуковой крейсерский режим полета Фото: avia-simply.ru
Истребитель-перехватчик МиГ-31 дальнего действия сопровождает сверхзвуковой дальний ракетоносец Ту-22М3. На МиГ-31 установлены двухконтурные двигатели Д30Ф-6 и для выхода на сверхзвуковой крейсерский режим он включает форсаж Фото: russianarms.ru
И последним средством достижения превосходства в воздушном бою должна была стать концепция «первым увидел – первым выстрелил». Если ранее она реализовалась за счет большей дальности действия радиолокационной станции и ракет, то на поколении IV эти параметры у советских и американских истребителей сравнялись, и американцами ставка была сделана на ограничение демаскирующих признаков путем внедрения технологий «стелс» в конструкции и самолетов, и их силовых установок. В таком ключе в США были задуманы программы создания истребителей ATF и двигателей AFE поколения V.
По итогам конкурса для серийного выпуска были отобраны истребитель F-22A «Раптор» концерна «Локхид – Мартин», о котором мы писали в № 4 и 5 нашего журнала за 2008 г., и двигатель Пратт-Уитни F119-PW-100. Он был рассчитан на крейсерский полет с числами М=0,8…1,5 на высотах 60…16000 м и на ведение маневренного воздушного боя при М=0,5…1,8 на тех же высотах. При выполнении перехвата число М могло расти до 2,0…2,2, а высота полета – до 18000 м.
Пратт-Уитни F119-PW (AFE) на стенде – это первый в мире серийный двигатель для истребителей V поколения Фото: s2.smu.edu
Первый в мире серийный истребитель V поколения – американский Локхид-Мартин F-22A «Раптор», созданный по программе ATF, с ТРДДФ F119-PW (AFE)
Фото: paralay.com
Для советских истребителей V поколения Сухой С-22/С-32/С-37 и Микоян 1.44/1.42 были созданы двигатели Д30Ф9 и АЛ-41Ф, которые представляли собой глубокие модификации серийных ТРДДФ IV поколения Д30Ф6 и АЛ-31ФП. Зоны их крейсерских режимов должны были быть такими же, как и у «американца», но боевые были расширены вправо и вверх – до М=2,3…2,5 и Н=18000…22000 м с возможностью маневрирования там со значительными углами атаки и перегрузками.
Спроектированный еще во времена СССР истребитель V поколения Микоян 1.44/1.42 был оснащен двигателем АЛ-41Ф – это была глубокая модификация серийного ТРДДФ IV поколения АЛ-31ФП Фото: архив автора
Так получалось, что первый ход в создании IV и V поколений самолетов истребительной авиации делала Америка. Хорошо это или плохо для её вероятного противника – для СССР, а теперь для России? Конечно, что хорошего в постоянном отставании? Но с другой стороны такая ситуация позволяла перенимать готовые удачные решения и учитывать чужие ошибки, строя свой ответ с учетом их. Действительно, ни в одном из этих случаев Америке не удалось сделать так, чтобы её противник был вынужден пассивно следовать предложенным правилам игры и пытаться просто повторить то, что она делала, чтобы выдержать лишь симметричный паритет. Это касается и создания двигателей для самолетов истребительной авиации.
И первые советские истребители V поколения 1.44, разработанный ОКБ им. Микояна, и Сухой С-37, и сегодняшний Т-50, при всем сходстве поставленных задач и отдельных инженерных решений не являются попыткой повторить американский F-22 – об этом мы недавно подробно говорили. То же самое можно сказать и об их силовых установках.
Новые задачи – новые решения
Как только на самолетах III поколения, например, на F-111, стали видны недостатки ТРДДФ, начался поиск путей их устранения либо создания двигателей другой схемы. Конструкторы рассматривали силовые установки комбинированные и изменяемого цикла, одноконтурные многовальные ТРДФ, двигатели с выносными компрессорами («двухтрубные») и вовсе без форсажных камер и т.д., однако и сегодня большинство истребителей (за исключением F-35B с вертикальной посадкой – его ТРДДФ F135-PW-600 имеет выносное устройство вертикальной тяги и отклоняемое сопло – не путать с изменением вектора тяги для улучшения маневренности) всё ещё оснащены «обычными» ТРДДФ. Но их компоненты эволюционируют очень заметно, и именно это обеспечивает этому классу двигателей такое долголетие.
Естественно, пути этой эволюции в России и в США отличаются, что определяется различиями в поставленных задачах. Но вместе с тем в них есть и много общего. И в Америке, и в России при создании двигателей V поколения сохранились тенденции уменьшения двухконтурности при повышении степени сжатия в компрессоре, увеличения оборотов и температуры газов на выходе из основной камеры сгорания, а также роста удельных характеристик за счет и тяги без ограничения, а то и с наращиванием ресурса двигателя. Это достигается как обычно – путем улучшения способов смазки и охлаждения деталей, а также использованием новых материалов и технологий их обработки.
Рассматривались различные способы снижения массы и размеров двигателя как за счет более рациональной конструкции каждой детали, так и путем уменьшения числа ступеней компрессора и турбины. Если ротор ТРДДФ IV поколения в сумме имел 17…14 ступеней, то на V поколении их только 11…12, но при этом не удалось сократить ни длину, ни массу двигателя, потому что «работали против этого» другие факторы, определившие их рост.
Например, значительное расширение области возможных режимов работы (как крейсерских, так и боевых) потребовало полной переделки компрессора, как элемента наиболее чувствительного к свойствам входящего потока.
Когда разработка двигателей V поколения только начиналась, большое внимание уделялось снижению эффективной площади рассеивания (ЭПР), демаскирующего признака при облучении радиолокатором. Намеревались делать лопатки из композитов со сложной внутренней макроструктурой, наносить на них радиопоглощающее покрытие или профилировать их так, чтобы отраженные сигналы взаимоподавлялись. Но все это оказалось слишком сложно, и обошлись «радар-блокером» – сравнительно простым подавляющим сигнал РЛС устройством, которое стоит перед входным направляющим аппаратом компрессора (ВНА) и за стабилизаторами пламени форсажных камер. Естественно, за малозаментость пришлось заплатить ухудшением газодинамики и увеличением веса, пусть и небольшим.
Истребитель Локхид-Мартин F 22A «Раптор» – видны радар-блокеры за стабилизаторами пламени форсажных камер двигателей Фото: paralay.com
Можно ли обойтись без радар-блокеров как отдельных агрегатов и снизить ЭПР двигателя? Теоретически да – если найти такую форму устройств защиты воздухозаборников от попадания посторонних предметов и стабилизаторов пламени в форсажной камере, которая бы обеспечила совмещение разных функций в одном агрегате без существенной потери качества их исполнения и роста массы. Фактор материала здесь, по-видимому, мешать не будет – он один и тот же. Делается ли это? Не берусь утверждать, но на двигателе АЛ-41Ф1С отдельных радар-блокеров в форсажной камере нет.
Для двигателей V поколения в СССР и в США были созданы трехступенчатые компрессоры низкого давления (КНД) с регулируемым и входным направляющим аппаратом (ВНА) и широкоходными лопатками, спрофилированными так, чтобы исключить помпаж и зуд без перепуска воздуха, вызывающего потери давления, увеличивающего ЭПР и усложняющего конструкцию. Чтобы удовлетворить этим требованиям и достичь заданных выходных характеристик пришлось пойти на рискованные решения. Отказ от антивибрационных полок улучшил газодинамическое качество лопаток КНД, снизил и ЭПР и массу, но чтобы обеспечить их жесткость пришлось предпринимать другие меры, пойдя на усложнение и удорожание технологии.
Особенностью американского двигателя F119-PW-100 является то, что часть потока сравнительно холодного воздуха от КНД идет мимо камеры сгорания, как это сделано в турбовентиляторных двигателях без смешения потока транспортных самолетов. Этот воздух охлаждает створки агрегата УВТ и «окутывает» горячую часть реактивной струи, но остальное направляется в основную камеру сгорания (ОКС) и далее уже в виде горячего газа после сгорания топлива в ней топлива – в форсажную камеру сгорания (ФКС).
Такой отбор воздуха, естественно, ведет к ухудшению тяговых и расходных показателей двигателя. В СССР, а затем в России технологиям «стелс» не придавалось такого значения, но и там пришлось отбирать часть воздуха на охлаждение сопла. Правда, по другой причине – для обеспечения его работы при отклонении вектора тяги на большой угол.
Компрессор низкого давления IV поколения имел 9-10 ступеней, а V поколения – только 6. Относительное удлинение его лопаток уменьшилось, что позволило повысить их газодинамическую эффективность и прочность.
Конструкция Пратт-Уитни F119-PW (AFE) и его системы управления вектором тяги Фото: smu.edu
Конструкторы американской фирмы «Дженерал Электрик» в своем варианте двигателя AFE (YF120-GE) пытались регулировать пропорцию расходов воздуха через контуры низкого и высокого давления путем изменения газодинамических свойств трактов в целом. Их двигатель на режиме максимальной тяги, при разгоне с числом M>1 и в сверхзвуковом крейсерском полете должен был работать как «чистый» одноконтурный ТРД, а при крейсерском полете на дозвуке и на снижении и т.д. – как ТРДД. Но это оказалось слишком сложно и дорого, что и стало одной из главных причин проигрыша в конкурсе.
Московское НПО «Сатурн» тоже делало свой ТРДДФ V поколения как двигатель изменяемого цикла, но пошло по другому пути. Регуляция потоков происходит в камере, где они смешиваются, что и позволило, хотя и не сразу, успешно решить эту очень сложную задачу.
Новинкой российского двигателя является плазменная система зажигания ОКС. Она более надежна как для обеспечения работы двигателя в момент пуска ракет, так и при его запуске в полете после аварийной остановки, что является «больным» вопросом на двигателях с широкоходным КНД.
Американским ноу-хау в области обеспечения ресурса основных камер сгорания являются «плавающие теплозащитные стенки», а также в ее конструкции применен новый сплав с увеличенным содержанием кобальта, который имеет повышенную сопротивляемость термической коррозии. В то же время опыт показывает, что ОКС не является тем элементом, который в первую очередь определяет ресурс двигателя. Другими словами, камера сгорания после наработки положенных тысяч часов будет в хорошем состоянии, но его все равно надо будет отправлять на капремонт, т.к. этого будут требовать другие узлы. Но о ремонте – чуть ниже, а пока идем дальше по двигателю и попадаем в турбину.
Число ступеней турбин высокого и низкого давления на ТРДДФ V поколения уменьшено до минимума – до одной в каждом каскаде (раньше их обычно было по две). Это самая нагруженная и теплонапряженная часть ТРДДФ, потому лопатки ТВД на двигателях IV поколения сделаны охлаждаемыми. Теперь нагрузка на каждую лопатку выросла, тем не менее, они стали неохлаждаемыми, что исключило необходимость отбора воздуха от компрессора, упростив конструкцию двигателя.
Но стоимость от этого не уменьшилась, а наоборот – резко выросла. В 70-е гг. изготовление неохлаждаемых лопаток турбин шло по пути внедрения технологий их «выращивания» как монокристаллов, но это оказалось дорого даже для одной лопатки – детали сравнительно небольшой. А теперь для снижения массы и исключения потерь давления за счет перетекания потока по стыкам лопаток и дисков рабочих колес компрессоров и турбин они делаются цельными. В США это называется Integrally Bladed Rotor – IBR. Попробуем представить, как вырастить монокристалл размером около метра! И сколько это будет стоить…
Потому пришлось вернуться к тому, от чего пытались уйти – к литью или к порошковой металлургии, поскольку штамповку, техпроцесс, оптимальный с точки зрения ресурса, нельзя применить из-за перекрытия лопаток, установленных плотно, с малым угловым шагом. Так можно сделать только заготовку для интегрального рабочего колеса. Да и допуски на размеры здесь таковы, что обойтись без последующей мехобработки отливки или порошковой детали не получается. И теперь представим: фрезерный станок с ЧПУ на минимальной подаче обрабатывает одну за другой десятки поверхностей двойной знакопеременной кривизны и каждая – под своим исходным углом, да еще перекрывающие друг друга! Может быть решение этой технологической проблемы будет найдено с развитием 3D-принтеров? Но обеспечат ли они длительное сопротивление такого рабочего колеса температурным и силовым нагрузкам, износу от механического трения и сверхбыстрого потока очень горячих газов с частичками сажи?
Валы роторов низкого и высокого давления ТРДДФ V поколения установлены на несмазываемых подшипниках и имеют противоположное направление вращения. Зазоры между нагруженными потоком и центробежной силой, нагретыми до температуры более 1500°С лопатками турбины и стенками проточной части должны быть минимальны. Так пытались сделать еще на ТРДФ III поколения J79-GE и АЛ-21Ф, но тогда столкнулись с явлением «титанового пожара». Изготовленные из этого материала лопатки под действием центробежных сил и высоких температур вытягивались, чиркали на своей огромной скорости о стенки канала и температура там подскакивала настолько, что он мгновенно возгорался. Пришлось материал лопаток и стенок каналов заменить на более тяжелую сталь, а вдоль их «дорожек» на внутренней стороне каналов проложить термостойкое спецпокрытие.
Одноконтурные двухвальные высокотемпературные ТРДФ АЛ-21Ф советского фронтового бомбардировщика III поколения Су-24, как и американские J79-GE самолета F-4 «Фантом» отличались выполнением многих нагруженных деталей из титановых сплавов и уменьшенными до предела зазорами между лопатками и корпусом Фото: архив автора
Сама форсажная камера сгорания при создании двигателей V поколения не претерпела значительных изменений, однако надо помнить, что их тяга существенно выросла, соответственно увеличились силы и температуры, действующие в ней. Единственным конструктивным новшеством стали радар-блокеры, аналогичные установленным перед ВНА. Но в ФКС они включены в конструкцию, работают в горячем потоке и должны не только не ухудшать, но и стабилизировать процесс горения истекающей с огромной скоростью топливовоздушной смеси.
Самым заметным внешним отличием российского двигателя V поколения АЛ-41Ф1 и американского F119-PW-100 является сопло со всеракурсно изменяемым вектором тяги. Конструкторы и в России, и в США вот уже много лет работают в этом направлении. Еще в СССР были проведены сравнительные испытания управляемого двумерного (плоского) и осесимметричного сопла со сферическим шарниром на летающих лабораториях на базе самолета Су-27. Они показали, что «круглый» вариант не только дает меньшие потери давления на прямом сопле и при перекладке, но при этом позволяет всеракурсное управление, тогда как плоское сопло дает возможность отклонять вектор тяги только в одной плоскости. И при этом было найдено такое решение поворотного узла, которое обеспечило существенный выигрыш в стоимости, массе, размерах и внешней аэродинамике этого агрегата по сравнению с «плоским» вариантом.
Российский истребитель Су‑35С имеет двигатели АЛ-41Ф1С с легкими и обтекаемыми осесимметричными соплами со всеракурсным управлением вектором тяги Фото: yaplakal.com
Американцы до такого при проектировании двигателей V поколения додуматься не смогли. Аналитики, рассматривающие достоинства двигателя F119-PW-100 самолета F-22A, объясняют выбор «плоского» сопла тем, что оно имеет пилообразные кромки, снижающие ЭПР. Однако уже давно очевидно, что значение этого аспекта в свое время было непомерно раздуто. Следующий истребитель V поколения F-35/JSF имеет двигатель с осесимметричным соплом – типа F135-PW. От российского АЛ-41Ф1 оно отличается «зубчатой» кромкой для снижения заметности и отсутствием управления вектором тяги.
Отклонение тяги вниз на режиме посадки есть у двигателя F135-PW-600 – оно чем-то напоминает советский ТРДДФ Р-79 разработки 1980-х гг., но потери давления в нем вероятно выше, судя по «угловатому» характеру изгиба канала из-за примитивной его конструкции. Опять же, такое управление не годится для улучшения маневренности в бою.
Преимуществом сопел двигателей F119-PW-100 истребителя F-22A считаются пилообразные створки, которые должны служить одновременно для управления вектором тяги и для снижения радиолокационной и визуальной (в том числе в ИК и УФ спектре) заметности самолета Фото: airportjournals.com
Истребитель V поколения Локхид-Мартин F-35B «Лайтнинг» II выполняет пуск ракеты ASRAAM. Его двигатель F135-PW имеет осесимметричное сопло, способное отклоняться вниз на угол порядка 90 градусов – как и у советского ТРДДФ Р-79 разработки 1980-х гг. Фото: lockheedmartin.com
Усложнение управления двигателем с изменяемым вектором тяги, необходимость его объединения с процессом управления полетом в целом потребовала сделать следующий шаг в развитии соответствующих систем силовой установки. Двигатели IV поколения имели электронно-гидромеханическую систему регулирования, которая могла строится как на базе полноценного цифрового компьютера, так и достаточно простого аналогового вычислителя. Такая электроника лишь корректировала режимы, задаваемые полностью пилотом, перемещавшим рычаг управления двигателем (РУД), то теперь за ЭВМ закреплена основная роль. Особенностью V поколения ТРДДФ является электронная (цифровая) система управления с полной ответственностью. На Западе её называют FADEC – Full-Authority Digital Electronic (engine) Control.
На двигателе F119-PW-100 самолета F-22A она состоит из двух блоков управления на каждом двигателе – один рабочий и один резервный. В каждом блоке есть два канала, каждый – со своим компьютером, и таким образом каждый из двух двигателей американского истребителя теоретически имеет один работающий и три резервных канала управления. Российский АЛ-41Ф1 оснащен таким же цифровым управлением с полной ответственностью с элементами распределенных параметров.
И последнее. Все описанные компоненты выше объединяет корпус. Особенность любого реактивного двигателя заключается в том, что весь он в большей или меньшей степени нагружен силами, вызванными его тягой, и к тому же местами нагрет до очень немаленьких температур. Но грамотная конструкция, учитывающая реально действующие напряжения в его материале в каждом месте, может быть достаточно легкой. Но не дешевой.
При создании корпусов ТРДДФ давно используются методы компьютерного проектирования. Они делают прочностные и тепловые расчеты по методам конечных элементов, позволяющим оптимизировать выбор сечений и материалов деталей. Переход на крупногабаритные панели одновременно усложняет и упрощает это: увеличивается количество обсчитываемых элементов, но уменьшается число связей между деталями и реакций в них.
В результате формы частей корпуса становятся все сложнее, а требования к точности – все выше. Их уже не может обеспечить ни литье, ни штамповка, ни порошковая металлургия и приходится применять механическую обработку там, где раньше обходились «без стружки».
Ну и последнее – материалы. Например, корпусные детали F119-PW-100 вновь делают из титанового сплава, причем из специального – в США он именуется Titanium C-Alloy. Да, титан легче стали примерно вдвое при той же прочности, но он в разы дороже, труднее обрабатывается, имеет проблемы со сваркой и температурными деформациями.
Как видим, трудностей на пути создателей двигателей для истребителей V поколения было множество, и причем мы перечислили их не все. И тем не менее, они их преодолели. Как – мы узнаем во второй части статьи.
Продолжение
Часть 2. Двигатель V поколения как объективная реальность
Статьи по теме:
Страсти вокруг Су-57
Рекордная скороподъемность истребителя Т-50
Напоминаем Вам, что в нашем журнале «Наука и техника» Вы найдете много интересных оригинальных статей о развитии авиации, кораблестроения, бронетехники, средств связи, космонавтики, точных, естественных и социальных наук. На сайте Вы можете приобрести электронную версию журнала за символические 60 р/15 грн.
В нашем интернет-магазине Вы найдете также книги, постеры, магниты, календари с авиацией, кораблями, танками.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.
Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!
Email*
Подписаться
Современные дымоходы Craft
Эффективность и стабильность работы теплогенирующего аппарата зависят от своевременного регулирования интенсивности горения топлива. Для поддержания оптимального режима работы топочной установки необходим регулятор тяги, сответствующий параметрам отопительного прибора и системы дымоудаления. Правильно отрегулированный регулятор работает автоматически, тем самым повышая КПД и обеспечивая долговечность отопительного прибора. Регуляторы тяги Craft выпускаются в 3 диаметрах: 120,150 и 200 мм.
Назначение регулятора тяги
Конфигурация системы дымоотведения во многом зависит от типа теплогенерирующего аппарата, совместно с которым планируется её использование. Эффективность системы зависит от естественных температурных колебаний, в зависимости от времени года и погоды. В холодное время года значительные температурные изменения могут привести к высокому разрежению в дымоходе. И это приведет к снижению эффективности работы системы и увеличению потребления топлива. Регулятор тяги регулирует давление в дымоходе до оптимального значения и, тем самым, увеличивает КПД отопительного прибора.
Давление воздуха также воздействует непосредственно на тягу в дымоходе — чем ниже давление воздуха, тем она выше. Давление воздуха определяется местоположением (в горах, например, давление воздуха ниже, чем на уровне моря) и временем суток, погодными условиями, временем года — летом, давление воздуха выше, чем зимой. Таким образом, разница между давлением воздуха в пасмурный апрельский день и ясный день в сентябре может быть до 90 Па.
Механизм работы регулятора тяги
Как только тяга в дымоходе превышает оптимальное значение, заслонка ограничителя тяги открывается и понижает давление из-за поступающего из помещения воздуха. Добавочный воздух смешивается с дымовыми газами, тем самым понижая их температуру. Термическая подъемная сила уменьшается. При достижении оптимального значения, заслонка закрывается снова. Этот метод является одновременно простым и эффективным и обеспечивает равномерное горение и энергосбережение. Деньги, которые вы инвестируете в систему стабилизации тяги быстро окупаются за счет снижения расхода топлива и является простым способом уменьшения расходов на отопление, как в промышленном так и в индивидуальном использовании. Другим, не менее важным аргументом в пользу установки системы регулировки тяги является сокращение выбросов газов в результате непрерывного горения.
Еще одним приемуществом наличия регулятора тяги является то, что он способствует просушке дымовой трубы во время простоя теплогенерирующего аппарата. Кроме того, наличие регулятора тяги в системе позволяет использовать старые дымовые трубы вместе с новыми низкотемпературными отопительными котлами без необходимости замены.
Рекомендации по установке регулятора тяги
Регулятор тяги может быть установлен в помещении, в котором находится теплогенерирующий аппарат, либо в соседнем помещении, в котором располагается отвод дымохода от отопительного аппарата. Диапазон изменения давления от 10 до 35 Па.
Два варианта размещения регулятора:
1 — регулятор тяги устанавливается на 500 мм выше уровня соединения теплогенерирующего аппарата и системы дымоотведения.
2 — регулятор тяги расположен на одном уровне с местом соединения котла и дымохода, но не менее 400 мм от уровня пола.
При правильном использовании системы избыточного давления не будет. Соединительный элемент должен быть установлен после глушителя и отвода, если он присутствует.
Регулятор тяги для коллективных дымоходов
В коллективных системах дымоотведения регулятор тяги должен быть расположен в том же помещении, что и отопительный аппарат. В исключительных случаях, по согласованию со специалистами газовой службы, для предотвращения утечки дымовых газов в коллективных дымоходах можно устанавливать только один регулятор тяги. В системах дымоотведения, соединенных с котлами с принудительной тягой, стабилизатор тяги не нужен.
Что такое естественная тяга в трубе?
Простыми словами, тяга – это внешняя сила, которая обеспечивает приток воздуха в топку и движение продуктов горения по трубе. Она играет важную роль в работе печи или котла, поскольку отвечает за сгоранием всего топлива в топке и вывод продуктов горения наружу. Зависит от нескольких факторов, но об этом подробнее далее.
Тяга или разряжение бывает двух видов:
естественная – возникает за счет нагревания и остывания воздуха или продуктов горения;
принудительная – обеспечивается вспомогательными устройствами, например, вентиляторами или дымососами.
Если топка сложена правильно или верно подобран котел в случае покупки готовой конструкции, естественная тяга дымовой трубы будет достаточной силы, поэтому устанавливать дымососы или вентиляторы нет необходимости. Они требуют затрат электроэнергии, шумят во время работы и имеют другие недостатки.
Как возникает естественная тяга?
Естественная тяга – это физический процесс, в основе которого лежит сила Архимеда. Разряжение возникает за счет того, что плотность нагретого воздуха или продуктов горения значительно ниже, чем плотность холодного воздуха. Чем выше разница температур, тем больше сила, которая движет продукты горения по дымовым трубам. По этой причине разряжение внизу дымохода всегда больше, чем на выходе.
Воздух попадает в топку через колосник. Так называют решетку внизу топки, на которую укладывают дрова или другое топливо. В процессе горения он сильно нагревается. В современных котлах большая часть тепловой энергии передается на стенки, но при этом температура продуктов горения остается довольно большой. Это и способствует движению дыма по проходам.
Чтобы обеспечить эффективный отвод продуктов горения, создают столб плотного воздуха. Чем больше этот столб, тем выше тяга, поэтому рекомендуется устанавливать дымоходы длиной не менее 5 метров. В верхней точке разряжение равно нулю, поэтому продукты горения без проблем выходят наружу. В теплое время года разряжение хуже, поскольку разница температур внешней среды и дыма не значительная. Чем холоднее на улице, тем лучше тяга.
Чрезмерная или недостаточная тяга
Иногда естественная тяга котла имеет слишком большую силу. В результате кислород поступает в топку в больших количествах, что способствует повышению температуры горения. Чтобы обеспечить безопасное использование отопительных устройств, разряжение регулируют при помощи заслонок, шиберов и других вспомогательных устройств, которые позволяют уменьшать или увеличивать приток воздуха или отвод продуктов горения.
Неконтролируемая тяга может стать причиной пожара.
Если продукты горения движутся чрезмерно быстро. Стенки дымохода будут сильно нагреваться. Если в каких-то местах они соприкасаются с горящими материалами, может возникнуть возгорание. Произойти это может, например, на чердаке.
Недостаточная тяга создает не меньше проблем. При малом разряжении продукты горения будут не полностью удаляться наружу. Дым, а вместе с ним и опасный угарный газ, будет проникать в помещение. При обнаружении задымленности необходимо сразу принимать меры. Чтобы улучшить тягу, нужно почистить трубы от сажи и копоти, а также обеспечить доступ воздуха в топку. Для этого требуется прочистить колосники и поддувало. Собирающийся пепел снизу может препятствовать притоку воздуха.
Если эти меры не помогают, тогда стоит задуматься о футеровке. Гильзование нержавеющими трубами, полимерными руками или керамическими вкладышами позволит решить проблему. Дело в том, что трубы, используемые для гильзования, имеют гладкую поверхность.
Поскольку при движении продукты горения практически не сталкиваются с сопротивлением, они быстрее проходят по дымоходу и выводятся наружу. Шероховатая поверхность кирпича и кладочного раствора замедляет прохождение газов. К тому же в квадратном или прямоугольном сечении прохода могут возникать завихрении, которые также тормозят движение продуктов горения. Подобные проблемы не характерны для труб, применяемых для футеровки. К тому же на гладкой поверхности обычно не оседает сажа, которая также ухудшает тягу.
При правильном сложении топки, верно спроектированной системы дымоудаления естественная тяга дымохода будет иметь достаточную силу. Она сможет обеспечить эффективное сгорание топлива и безопасное отведение продуктов горения наружу.
Институт Тяги и Подвижного Состава
Институт Тяги и подвижного состава является одним из старейших учебных подразделений Дальневосточного государственного университета путей сообщения. В 1939 году был осуществлен набор студентов, а в 1944 году состоялся первый выпуск молодых специалистов.
Ежегодно свыше ста выпускников приступают к инженерной работе в локомотивных и вагонных депо, на предприятиях путевого хозяйства. За время своего существования институт подготовил более 8 тысяч инженеров. Много теплых слов можно сказать о наших выпускниках. Они сегодня успешно трудятся на железных дорогах Дальнего Востока и Сибири, промышленных предприятиях, государственных, муниципальных и др. организациях.
Многое меняется в структуре института и направлениях подготовки специалистов и в соответствии с требованиями производства, законами рынка. С каждым годом председатели аттестационных комиссий по результатам защиты дипломных проектов отмечают возросшее качество подготовки, серьезность решаемых задач по заданию производства, высокую квалификацию и эрудированность выпускников. И это вполне объяснимо. В последнее время растет престиж инженерных специальностей, возрастает конкурс, более подготовленные абитуриенты вливаются в коллектив института и активно участвуют не только в учебном процессе, но и решают научные задачи в студенческом научном обществе, участвуют в студенческом творчестве и спорте. В этих молодых умах мы видим будущее нашего института, продолжение славных традиций и истории.
Направления подготовки специалистов:
Специальности:
23.05.01 — Наземные транспортно-технологические средства
Специализация «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование».
23.05.03 — Подвижной состав железных дорог
Специализации:
Вагоны
Локомотивы
Электрический транспорт железных дорог
Направление подготовки бакалавров:
15.03.01 – Машиностроение
Прикладной бакалавриат:
23.03.03 — Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов
П 08-01-14 «Положение об институте тяги и подвижного состава»
Контакты:
Адрес института: 680021 г. Хабаровск, ул.Серышева, 47, каб. 3309
Директор института: Стецюк Андрей Евгеньевич
Зам. директора по учебой работе: Яворский Николай Иванович
Зам. директора по научной работе: Трофимович Виталий Владимирович
Зам. директора по воспитательной работе: Клименко Василий Александрович
Тяга самолета. Тяга двигателя самолета. Тяга реактивного двигателя.
Тяга – сила, выработанная двигателем. Она толкает самолет сквозь воздушный поток. Единственное, что противостоит тяге – лобовое сопротивление. В прямолинейном горизонтально установившемся полете они сравнительно равны. Если летчик увеличивает тягу путем добавления оборотов двигателя и сохраняет постоянную высоту, тяга начинает превосходить сопротивление воздуха. Летательный аппарат (ЛА) при этом ускоряется. Очень быстро сопротивление увеличивается и снова уравнивает тягу. ЛА стабилизируется на постоянной высокой скорости. Тяга – один из самых важных факторов для определения скороподъемности самолета, а именно насколько быстро ЛА может подняться на определенную высоту. Вертикальная скорость зависит не от подъемной силы, а от запаса тяги, которым обладает самолет.
Тяга реактивного двигателя самолета
Сила тяги двигателя, или его движущая сила, равноценна всем силам давления воздуха на внутреннюю поверхность силовой установки. Тяга некоторых видов реактивных двигателей зависит от скорости и высоты полета. Для вычисления силы тяги реактивного двигателя часто приходится определять тягу на конкретной высоте, у земли, на взлете и во время какой-либо скорости. Для ЖРД сила тяги равноценна произведению массы исходящих газов на скорость, с которой они вылетают из сопла двигателя.
Для ВРД (воздушно-реактивный двигатель) сила тяги измеряется как результат массы газов на разность скоростей, а именно скорости воздушной струи, выходящей из сопла двигателя, и скорости поступающего воздуха в двигатель. Проще говоря, данная скорость уравнивается к скорости полета самолета с реактивным двигателем. Тяга ВРД обычно измеряется в тоннах или килограммах. Важным качественным показателем ВРД является его удельная тяга. Для турбореактивного двигателя – тяга, отнесенная к конкретной единице веса воздуха, который проходит через двигатель в секунду. Этот показатель позволяет понять, насколько высока эффективность эксплуатации воздуха в двигателе для образования тяги. Удельная тяга измеряется в килограммах тяги на 1 кг воздуха, расходуемого за секунду. В некоторых случаях применяется другой показатель, который также называется удельной тягой, показывающей отношение количества топлива, которое расходуется, к силе тяги за секунду. Естественно, что чем выше показатель удельной тяги ВРД, тем меньше поперечный вес и размеры самого двигателя.
Показатель полетной или тяговой мощности – это сила, которая задействует реактивный двигатель при конкретной скорости полета. Как правило, измеряется в лошадиных силах. Величина лобовой тяги говорит о степени конструктивного оптимума реактивного двигателя. Лобовая тяга – это отношение наибольшего показателя площади поперечного сечения к тяге. Лобовая тяга равна тяге, в кг поделенной на площадь в метрах квадратных.
В мировой авиации наиболее ценится тот двигатель, который обладает высокой лобовой тягой.
Чем совершеннее ВРД в конструктивном отношении, тем меньший показатель его удельного веса, а именно общий вес двигателя вместе с приборами и обслуживающими агрегатами, поделенный на величину собственной тяги.
Реактивные двигатели, как и тепловые вообще, отличаются друг от друга не только по мощности, весу, тяге и другим показателям. При оценивании ВРД огромную роль играют параметры, которые зависят от собственной экономичности, а именно от КПД (коэффициент полезного действия). Среди данных показателей главным считается удаленный расход топлива на конкретную единицу тяги. Он выражается в килограммах топлива, которое расходуется за час на образование одного килограмма тяги.
Определение тяги по Merriam-Webster
\ ˈThrəst
\
переходный глагол
1 : толкать или толкать с силой : толкать
2 : для того, чтобы заставить что-то проникнуть или пробить что-либо, или как будто толкая
воткнуть кинжал ему в сердце
5а : принудительно поставить (кого-либо, например, не желающего) на курс действий или положение
была тяга в работу
б : часто неправильно вводить в позицию : интерполировать
6 : для оказания давления, принуждения или навязывания кому-либо принятия
возложить на нее новые обязанности
непереходный глагол
1а : для взлома входа или прохода
б : для продвижения вперед : нажмите вперед
2 : для нанесения уколов, колющих ударов или выпадов с помощью или как будто с помощью заостренного оружия.
колоть их ножом
1а : толчок вперед или вверх
б : движение (как группа людей) в указанном направлении.
2а : существенный или существенный элемент или значение
суть аргумента
б : основная проблема или цель
главный упор плана — испытания — Райан Лизза
3а : сильное продолжающееся давление
б : боковая сила или давление одной части конструкции на другую часть (как арка на опору).
c : сила, создаваемая пропеллером, реактивным или ракетным двигателем, приводящим в движение транспортное средство (например, самолет).
d : почти горизонтальный геологический разлом
4а : толчок или выпад острым оружием
б (1) : словесная атака
(2) : военное нападение
Что такое тяга?
Эта страница предназначена для учащихся колледжей, старших и средних школ.Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице:
доступно на
Детская страница.
Тяга — это сила, которая перемещает
самолет по воздуху. Тяга используется для преодоления
тащить
самолета, и преодолеть
масса
ракеты.
Тяга создается двигателями самолета.
через какой-то
двигательная установка.
Тяга — это механическая сила, поэтому силовая установка должна
находиться в физическом контакте с рабочим телом для создания тяги.
Тяга возникает чаще всего через
реакция ускорения
масса
газа.
Поскольку тяга — это сила, это
векторная величина
имеющий как величину, так и направление.
Двигатель делает
работай
на газу и разгоняет газ в заднюю часть двигателя;
тяга создается в противоположном направлении от ускоренного газа.Величина тяги зависит от количества газа, который
ускоряется и на
разница в скорости
газа через двигатель.
Физика, участвующая в создании тяги, представлена в
в средней школе и довольно подробно учился в средней школе и колледже.
Чтобы ускорить газ, мы должны израсходовать
энергия.
Энергия
генерируется в виде тепла при сгорании
немного топлива. Уравнение тяги описывает
как ускорение газа создает силу.Тип
двигателя, используемого на самолете, может варьироваться от самолета к самолету и
каждое устройство создает тягу по-своему. Мы будем
обсудить четыре основные двигательные установки на этом веб-сайте; в
пропеллер
турбина или реактивный двигатель,
прямоточный воздушно-реактивный двигатель,
и
ракета.
Вы можете просмотреть короткий
фильм
из «Орвилла и Уилбура Райтов» обсуждают силу тяги
и как это повлияло на полет их самолета.Файл фильма может
можно сохранить на свой компьютер и просмотреть как подкаст на проигрывателе подкастов.
Действия: Экскурсии
Силы на самолете:
Двигательные установки:
Навигация..
Руководство для начинающих Домашняя страница
Определение и значение тяги | Словарь английского языка Коллинза
Примеры «толчка» в предложении
тяга
Эти примеры были выбраны автоматически и могут содержать конфиденциальный контент. Прочитайте больше… Он потерял тягу в двигателях.
Times, Sunday Times (2016)
Англия будет переведена прямо на конкурентную основу.
Times, Sunday Times (2017)
Мы потеряли тягу в обоих двигателях.
Times, Sunday Times (2016)
Я улыбнулся, просто глядя, как смыкаются руки струнных исполнителей.
Times, Sunday Times (2016)
Небольшая организация, насчитывающая около 27 000 членов, оказалась в центре внимания благодаря своей работе, представляющей рабочих сталелитейной промышленности.
Times, Sunday Times (2016)
Был ли ваш образ жизни защищенным или вы постоянно оказывались в центре внимания?
Мэнсфилд, Патрисия Почему я боюсь быть напористой? (1994)
Настоящая суть этой книги — это призыв к изменению законов о наркотиках.
Times, Sunday Times (2015)
Переместите вес между ног на высоту головы, используя мощные толчки от бедра.
The Sun (2012)
Будет потеряна некоторая управляемость и тяга, но добавится дополнительный щелчок.
Times, Sunday Times (2012)
Остальным были нанесены ранения в голову и укол в спину.
Дайан Пуркисс Гражданская война в Англии: история народа (2006)
Подробнее …
На самом деле спектакль происходит на приподнятой сцене, выступающей с одного конца помещения.
Times, Sunday Times (2010)
Это привело к отсутствию тяги двигателей и обоих комплектов шасси.
Times, Sunday Times (2013)
Офицеры заявили, что в мужчину воткнули большой нож, прежде чем он был расчленен.
Солнце (2009)
Он продвигался вперед и заслужил свою цель.
Солнце (2008)
Молодым мужчинам сложно попасть в центр внимания.
Times, Sunday Times (2010)
Здесь линии часто имеют реальный поворот и тягу.
Times, Sunday Times (2008)
Каждый персонаж вызывает сочувствие и отталкивает его.
Times, Sunday Times (2013)
Теперь ему предстояло устроить одну из самых физически изматывающих должностей в правительстве.
Times, Sunday Times (2011)
У него пропала тяга в двигателях.
Солнце (2009)
Но именно ее роман с женатым футболистом в прошлом году снова привлек ее внимание.
The Sun (2012)
Без указания скорости полета пилот рискует применить слишком большую или слишком маленькую реактивную тягу.
Times, Sunday Times (2009)
Держите руки прямыми, затем поднимите вес между ног на высоту головы.
используя силовые толчки от бедра.
Солнце (2012)
В конце он окажется в центре внимания.
Times, Sunday Times (2006)
Если бы они применили дополнительную тягу, самолет мог бы вырваться из-под контроля, разорвав его на части в турбулентности.
Times, Sunday Times (2009)
Вы можете просто увидеть мысленный процесс, с помощью которого они вычисляют, сколько толчков при приседаниях потребуется, чтобы отработать каждую подушку из теста.
Times, Sunday Times (2015)
определение тяги по The Free Dictionary
тяга
(тяга)
v. тяга , тяга , тяга
v. tr. 1. Чтобы быстро и сильно толкать или вести машину: воткните шест в землю. См. Раздел «Синонимы при нажатии».
2. Вызвать выступать или раздвигать: тополя, проталкивающего свои ветви вверх; высунул палец.
3.
а. Принуждать к определенному условию или ситуации: Он был брошен в положение огромной ответственности.
б. Чтобы заставить или навязать нежелающему или неподобающему получателю: «Некоторым навязывают величие» (Шекспир).
4. Архаичный Колоть; проколоть.
v. внутр.
1. Чтобы толкнуть что-то во что-то или во что-то еще: нанести удар рапирой в грудь противника.
2. Чтобы расти или расширяться вверх: «Собор … внезапно выдвинулся, намного выше, чем окружающие дома» (Леонард Майклс).
3. Пробиваться; жмите вперед: «Я наблюдал, как молодой заяц проткнулся сквозь барвинок под окном» (Сэм Пикеринг).
н. 1.
а. Сильный толчок или толчок: вставил ключ с усилием.
б. Выпад или удар.
2.
а. Движущая сила или давление.
б. Направленная вперед сила, возникающая в реактивном или ракетном двигателе как реакция на высокоскоростной выброс выхлопных газов назад.
с. Наружное или поперечное напряжение в конструкции, например, со стороны арки или свода.
3.
а. Сущностное значение; суть: общая направленность его высказываний.
б. Основная цель или задача: вся суть проекта заключалась в том, чтобы заработать деньги.
4. Сильное движение, особенно наступление или нападение вооруженных сил.
1. ( tr ) толкнуть (кого-то или что-то) силой или внезапной силой: она оттолкнула его; она сунула его в огонь.
2. ( tr ) для принуждения или навязывания (кого-то) или (какое-то условие или ситуация): они возлагают на нее дополнительные обязанности; она оказалась в центре внимания.
3. (далее: с по ) для прокалывания; stab
4. ( intr; обычно следует через или внутрь), чтобы форсировать проход или вход
5. ( intr ), чтобы толкать вперед, вверх или наружу
6. (далее: at ), чтобы нанести удар или выпад в (человека или вещь)
n
7. сильный толчок, толчок, удар или выпад
8. (общая физика) сила, особенно вызывающая движение
9. (аэронавтика)
a. движущая сила, создаваемая давлением жидкости или изменением количества движения жидкости в реактивном двигателе, ракетном двигателе и т. Д.
b. аналогичная сила, создаваемая гребным винтом
10. (Машиностроение) давление, которое непрерывно оказывает одна часть объекта, конструкции и т. Д. На другую, особенно осевое усилие на валу или на валу
11 (геологические науки) геология
a. сжимающая сила в земной коре, которая вызывает лежачие складки и надвиги или обратные разломы
12. (гражданское строительство) гражданское строительство сила, действующая в направлении вниз и наружу, например, аркой или стропилами, или горизонтальная сила, создаваемая удерживаемой землей
13. сила, импульс или драйв: мужчина с напором и энергией.
14. существенная или наиболее веская часть: суть аргумента.
[C12: от древнескандинавского thrysta; относится к латинскому trūdere; см. Вторжение]
Сила, которая заставляет объект двигаться вперед. Тяга в реактивном или ракетном двигателе развивается как реакция на выброс выхлопных газов из задней части двигателя. Тяга в винте возникает в результате вращения лопастей гребного винта, которые толкают воздух или воду в определенном направлении.
Из древнескандинавского þrysta , из протогерманского * þrustijaną , возможно, из протоиндоевропейского * trewd- .
Произношение [править]
Существительное [править]
тяги ( счетных и несчетных , множественных тягов )
(фехтование) Атака, выполняемая перемещением меча параллельно его длине и приземлением острием.
Пьер был мастером фехтования и мог парировать ударов слабых людей, едва ли не подумав.
Толчок, удар или выпад вперед (действие.)
Кошелек попытался выбить ее сумку из ее рук, но она уклонилась от его удара и крикнула: «Вор!»
Сила, создаваемая движителем, как в реактивном двигателе.
Космический корабль — это чудо инженерной мысли, спроектированный таким образом, чтобы противостоять тяге отрыва, а также обратному давлению пустоты.
(образно) Первичное усилие; цель.
Якобы, класс был посвящен общественному здравоохранению в целом, но основной упор на самом деле было половое воспитание.
Синонимы [править]
Переводы [править]
(переносное) первичное усилие
Глагол [править]
тяги ( толчков от третьего лица единственного числа, простого настоящего толчков , причастия настоящего толкающих , простых прошедших и прошедших причастий толчков или толчков )
(непереходный) Продвигаться вперед с силой.
Мы атаковали врага своими силами.
(переходный) Чтобы кому-то что-то навязать.
Я ее просил не воткнуть ответственность на меня.
(переходный) Для быстрого или мощного выталкивания или вытягивания.
Он сунул руку в ледяной ручей и схватил извивающуюся рыбу, поразив наблюдателей.
Башни устремляются вверх .
Три стула пароходного типа, все изувеченные, составляли мебель этого сада на крыше, с […] на одном из колпаков ряд из четырех красных глиняных цветочных горшков, наполненных запеченной на солнце пылью, с корявой и ржавой стебли поднимаются вверх , как иссохшие эльфийские конечности.
(переходный) Толкать или водить с силой; пихать.
до толкать что-либо рукой или ногой, или инструментом
(непереходный) Ввести нажатием; втиснуться.
1692 , Джон Драйден, Клеомен, спартанский герой
И столкновение между моим отцом и богом.
Нанести удар; проткнуть; обычно с по .
Синонимы [править]
Переводы [править]
сделать наступление с силой
китайский:
Мандарин: 推力 (zh) (tuīlì)
датский: støde
Голландский: vooruitstuwen
финский: iskeä (fi), sysätä (fi), työntyä
французский: propulser (fr)
Немецкий язык: schieben (de), stoßen (de), entgegenwerfen, stürmen (de)
Механика, подобная аэродинамическому профилю, создает давление на переднюю часть тела плавающих рыб
Значение
У многих рыб есть тела в форме аэродинамического профиля с низким сопротивлением, с закругленной передней кромкой и плавно сужающейся задней частью, и они движутся, как аэродинамический профиль, покачивающийся по наклону. небольшой угол.Эта форма снижает сопротивление, но ее значение для создания тяги рыбами экспериментально не исследовалось. Количественно оценивая давление и силы на поверхности тела во время плавания, мы обнаруживаем, что форма и движения передней части тела позволяют рыбам производить тягу так же, как колеблющийся аэродинамический профиль. Эта работа помогает нам понять, как обтекаемая форма тела рыб способствует не только снижению сопротивления, но и непосредственно движению, и, количественно связывая форму и функции, приводит к более полному пониманию эволюции и экологии рыб.
Abstract
Передняя часть тела многих рыб имеет форму крылового профиля, повернутого на бок. Имея осциллирующий угол по отношению к направлению плавания, такой аэродинамический профиль испытывает отрицательное давление как из-за своей формы, так и из-за движений по тангажу. Это отрицательное давление действует как сила тяги на переднюю часть тела. Здесь мы применяем подход с высоким разрешением, основанный на давлении, чтобы описать, как две рыбы, синежаберная солнечная рыба ( Lepomis macrochirus, Rafinesque) и ручейная форель ( Salvelinus fontinalis Mitchill), плавают в каранжеобразном режиме, наиболее распространенной плавающей рыбе. В этом режиме они создают тягу на своих передних телах, используя механику всасывания передней кромки, очень похожую на аэродинамический профиль.Эта механика контрастирует с той, о которой ранее сообщалось у миног — угловатых пловцов, — которые создают тягу с отрицательным давлением, но делают это за счет волнообразной механики. Тяга, создаваемая на переднюю часть тела этих пловцов в форме панциря за счет отрицательного давления, составляет 28% от общей тяги, создаваемой над телом и хвостовым плавником, существенно уменьшая чистое сопротивление передней части тела. Что касается задней части тела, то небольшие различия в форме тела и кинематике позволяют форели производить больший толчок, чем синежаберцы, что позволяет предположить, что они могут плавать более эффективно.Несмотря на большое филогенетическое расстояние между этими видами и различия в области хвоста, профили давления вокруг передней части тела схожи. Мы предполагаем, что такая механика, подобная аэродинамическому профилю, очень эффективна, потому что она требует очень небольшого движения и, следовательно, относительно небольшой активной мышечной энергии, и может использоваться широким кругом рыб, поскольку многие виды имеют тела соответствующей формы.
Давно известно, что форма многих рыбок напоминает обтекаемое тело (1⇓⇓ – 4).В частности, двумерное (2D) горизонтальное поперечное сечение многих рыб похоже по форме на современные профили аэродинамического профиля, предназначенные для минимизации лобового сопротивления (3). Поскольку почти все аспекты жизни рыбы зависят от того, насколько хорошо она плавает, было высказано предположение, что эта форма представляет собой эволюционную оптимизацию для минимизации сопротивления для экономичного плавания (1). В целом, плавание связано с эволюцией форм тела и движений рыб (5⇓⇓⇓⇓ – 10). Для рыб, которые быстро плавают или мигрируют на большие расстояния, может быть важна даже небольшая экономия энергии.
Однако, наряду с уменьшением лобового сопротивления, аэродинамический профиль может непосредственно создавать движущие силы в силу своей формы и эффекта, называемого всасыванием на передней кромке. Из-за своей формы аэродинамический профиль будет создавать положительную (выше окружающей среды) точку торможения давления возле своей передней кромки, когда поток разделяется и движется вдоль любой стороны крыла (3, 4, 11, 12). Затем аэродинамический профиль создает отрицательное (ниже окружающего) давление на большей части своей длины (рис. 1 B , и аналогично усредненному по времени давлению на рис.1 A ) (3, 4, 11⇓ – 13). Поскольку давление создает силу, перпендикулярную поверхности, отрицательное давление вдоль передней части фольги (от ~ 5 до 40% на рис. 1 A и B ) будет способствовать толчению, поскольку поверхность там наклонена вперед (показано на рис.1 B ) (4, 11, 14). Аэродинамические поверхности также создают тягу в своих передних областях за счет всасывания на передней кромке, когда они находятся под углом к потоку (12, 15, 16). Когда профиль расположен под углом, точка торможения и область положительного давления не находятся непосредственно на конце профиля (рис.1 A и C ) (15, 16). Когда положительное давление отклоняется в одну сторону, отрицательное давление перемещается вперед, чтобы действовать более кпереди на противоположной стороне (сравните Рис. 1 B и C ) (15, 16). Эта область отрицательного давления, расположенная рядом с обращенными вперед поверхностями возле передней кромки аэродинамического профиля, действует как локальные силы с небольшими составляющими тяги в механизме, называемом всасыванием передней кромки (рис. 1 C ) (11, 12, 14⇓– 16).
Рис. 1.
Физическая механика крыловых профилей.( A ) Коэффициент давления ( CP ) вдоль одной стороны профиля NACA 0015 с закругленной задней кромкой по тангажу на пониженной частоте 0,2, средний угол атаки около 0 °, с амплитудой ± 5 ° ( 13). Цвета указывают мгновенные профили давления, а жирная черная линия представляет усредненное по времени среднее значение. ( B ) Градиенты давления вокруг аэродинамического профиля (здесь статические при угле атаки 0 °) действуют перпендикулярно поверхности и могут вносить вклад в силы тяги или сопротивления в зависимости от ориентации поверхности.( C ) Всасывание по передней кромке происходит, когда наклонные движения аэродинамического профиля смещают точку торможения и положительное давление в одну сторону, позволяя отрицательному давлению действовать более кпереди на противоположной стороне (11, 12, 14⇓ – 16). Для ясности в моделях B и C показаны только силы отрицательного давления на одной стороне аэродинамического профиля.
Если тело рыбы похоже на крыловидный профиль, повернутый на бок, то можно ожидать, что передняя часть тела может аналогичным образом производить тягу из-за своей формы и движений.Для рыб, которые плавают, в основном волнообразно изгибая заднюю половину своего тела или меньше, образуя различные узоры, широко классифицируемые как «панцирные», характерно, что их тела напоминают крылышки. Однако, хотя давно было признано, что аэродинамическая форма пловца в форме крестовины имеет решающее значение для уменьшения сопротивления (1, 4, 14, 17, 18), в частности, из-за сужающейся задней части тела, которая помогает предотвратить разделение потока (3 , 11, 12, 19), возможность создания тяги на передней части тела плавающей рыбы экспериментально не исследовалась.Некоторые предыдущие исследователи выдвинули гипотезу, что рыба может извлечь выгоду из этого эффекта, поскольку местная тяга значительно снижает воздействие чистого сопротивления, ожидаемого на переднюю часть тела человека, имеющего форму панциря (20). Действительно, в вычислительных моделях можно увидеть области отрицательного давления на переднюю часть тела (21, 22), но этот эффект никогда не исследовался систематически или на живых рыбах. Поэтому мы использовали недавний набор инструментов (23, 24) для количественной оценки давления и сил, возникающих во время плавания для двух видов рыб, у которых оба имеют форму крыльев переднего тела, синежабровой солнечной рыбы ( Lepomis macrochirus, Rafinesque) и ручьей форели ( Salvelinus). fontinalis Mitchill), с высоким временным и пространственным разрешением, первое подобное экспериментальное испытание создания тяги при отрицательном давлении у живых пловцов в форме панциря.
Известно, что некоторые рыбы могут создавать отрицательное давление во время плавания. В частности, Gemmell et al. (25, 26) количественно оценили распределение давления вокруг личинок миног и обнаружили, что они создают отрицательное давление вдоль передних частей своего тела, что приводит к возникновению сил тяги. По сути, личинки миноги сосут сами себя вперед.
Отрицательное давление, создаваемое личинками миноги, не связано с механикой аэродинамического профиля. Вместо этого, они, вероятно, связаны с высокоамплитудными движениями их тел (26), паттерном, называемым «угловатым» плаванием, которое используется в основном некоторыми видами рыб, напоминающих угря, удлиненной формы (17, 27).Многие англообразные пловцы колеблют большую часть своего тела с большой амплитудой, что отличается от картины, наблюдаемой у многих других рыб, использующих режим карагеобразной формы (17, 27). Более того, личинки миног используют необычно большие амплитуды во время плавания, даже по сравнению со взрослыми миногами (28). Неизвестно, является ли тяга с отрицательным давлением причудой их конкретного режима плавания, или такое отрицательное давление может создаваться другими видами рыб и режимами плавания, в частности, режимом в форме черепах, наиболее распространенным режимом плавания (27, 29).
Мы обнаружили, что и синежаберная солнечная рыба, и ручьевая форель производят толчок отрицательного давления на свои передние части тела, но они делают это, используя совершенно иной механизм, чем у личинок миног: комбинация их аэродинамических тел и всасывания на передней кромке. Наши описания давления и силы вдоль тела также позволяют нам понять, как тонкие различия в форме и движении влияют на плавание в более широком контексте. Образец плавания в форме караге не соответствует более тонким, но существенным вариациям форм, движений и экологических ролей, которые существуют в этом режиме (7, 20, 29, 30).Например, синие жабры имеют относительно глубокий ствол и неглубокий стебель, если смотреть сбоку, волнообразно изгибаются только в задней трети тела с большой амплитудой (20) и встречаются в озерах, где они обычно парят или плавают медленно (31, 32). Для сравнения, у ручейной форели относительно более мелкий ствол и более глубокий стебель, волнистость тела немного больше с большой амплитудой (20), и она живет в проточной воде, где она часто плавает с высокой скоростью (33, 34). Эти различия настолько велики, что, основываясь только на амплитуде волнистости, иногда эти рыбы считаются примерами двух различных подтипов панцирников — настоящих панцирных (синежабрых) и субчерепных (форель) (30).Эти виды различаются формой тела и плавательными движениями; мы определяем тонкие особенности кинематики плавания, которые приводят к различиям в их силе.
В более широком смысле, наше понимание эволюции и экологии рыб ограничено из-за отсутствия исчерпывающих описаний создания силы плавания. Такие описания, подобные представленным здесь, позволят нам оценить силу взаимосвязи между формой тела, движениями и плавательными способностями. Помогая идентифицировать специфическое давление отбора, лежащее в основе разнообразия современных форм рыб, мы можем делать прогнозы относительно ролей различных рыб в пределах данного сообщества — видов, одновременно обитающих в одном и том же водоеме (7, 14, 18, 20).Такое понимание связи между формой и функцией у рыб может предложить потенциальные решения для текущих проблем проектирования подводных аппаратов (35–37), таких как создание животных подобных аппаратов, менее разрушительных для водных организмов, повышение эффективности плавания биомиметических аппаратов на более длительный срок. срочные развертывания или улучшение возможностей маневрирования для навигации в средах со сложной физической структурой.
Результаты
Мы измерили картину течения жидкости в горизонтальной плоскости вокруг пяти синежаберных солнечных рыб (9.Общая длина от 3 до 11,5 см ( L ) и трех ручьевых форелей (общая длина от 10,0 до 11,0 см) с использованием стандартной цифровой велосиметрии с изображением частиц (38). Отдельные рыбы плавали в проточном туннеле при 2,5 л ⋅ с −1 , что соответствовало числам Рейнольдса (Re = ρuL / μ, где ρ — плотность воды, u — скорость потока, л — длина тела рыбы, μ — динамическая вязкость воды) (17) от 20 000 до 30 000. Частота хвостовых биений составляла 4,9 ± 0,5 Гц для синежабрых и 4.7 ± 1,0 Гц для форели, что соответствует числам Струхаля (St = fA / u, где f — частота хвостовых биений, а A — размах хвостовых биений) (22) от 0,156 до 0,404 и уменьшенные частоты f ∗ = fL / u (17) 2,0 ± 0,2 для синежабры и 2,1 ± 0,4 для форели.
Передняя часть тела совершает небольшие движения.
У обоих видов амплитуда (расстояние от центральной линии до максимального отклонения с одной или другой стороны) была очень маленькой в переднем отделе тела и увеличивалась в более задних сегментах (рис.2 A и B ). В сегментах 1–3 (от 0 до 40% L ) амплитуда была менее 2% L для обоих видов и увеличивалась только до 3% L в сегменте 4 форели и сегменте 5 синежабры, прежде чем увеличивается до 6% L и более в самых задних сегментах (рис. 2 C и D ). Для сравнения максимальная ширина тела составляла ∼13% L для обоих видов (рис. 2 A и B ). Точно так же угол тела, образованный траекторией рыбы, составлял менее 5 ° в сегментах 1-3 и увеличивался по задней части тела до 30-40 ° (рис.2 E и F ).
Рис. 2.
Синежабрышки и форель — панцирные пловцы. Общая кинематика средней линии для голубого жабра ( A ) и форели ( B ), плавающих на глубине 2,5 L⋅ с -1 , указывает на то, что они пловцы в форме панциря. Незначительные различия между подтипами черепаховой формы видны при сравнении амплитуды ( C, и D ) и угла тела ( E и F ) для переднего ( C и E ) и заднего ( D и F ) сегменты (Segm.), где сегменты определены, как на рис. 3.
Передняя часть тела создает отрицательное давление.
Движение тела и хвоста перемещало жидкость вдоль передней части тела, как аэродинамический профиль, прежде чем ускорить жидкость вдоль задней части тела и увлечь ее в вихри, которые рассеивались, когда хвост достиг максимального отклонения и менял направление (фильмы S1 и S2). Это привело к появлению полей давления (Рис. 3 A, и B и Movies S3 и S4) с областью сильного положительного давления перед носом, отрицательного давления вдоль большей части передней части тела и колеблющимися положительными и отрицательными значениями. градиенты давления вдоль задней части тела и хвостового плавника.
Рис. 3.
Волнообразные плавательные движения создают сложные пространственные и временные модели давления и силы. На панелях показаны поля давления ( A, и B, ) и расчетные векторы силы ( C, и D ) для синежабрых солнечных рыб и форели, устойчиво плавающих при 2,5 L⋅ с -1 . Нумерация сегментов тела, используемых повсюду, дана в A и B , а белые линии указывают границы сегментов. Для наглядности в C и D нанесен только каждый третий вектор силы.
Чтобы учесть разницу в скорости плавания рыб, мы вычислили коэффициенты давления: CP = P / (0,5ρu2), где P — давление. На рис. 4 показаны мгновенные коэффициенты давления вдоль одной стороны тела вместе со средним по времени значением.
Рис. 4.
Профили коэффициента давления CP вдоль тела меняются за период хвостового биения. Цветные кривые показывают мгновенные профили синего жабра ( A, ) и форели ( B ) вдоль одной стороны тела, а толстые черные кривые показывают усредненное по времени среднее значение.Штриховой рисунок над диаграммами представляет собой боковой ( верхний, ) и спинной ( нижний ) виды рыб.
Общая форма профилей коэффициента давления имела три важных различия для разных видов (рис. 4). Во-первых, область положительного давления на морду у форели была меньше, в результате чего отрицательное давление развивалось больше спереди (Рис. 3 A и B и Movies S3 и S4). Во-вторых, у синежабрника часто были более высокие коэффициенты отрицательного давления в средней части тела (от 10 до 55% L ), чем у форели, но у форели были более высокие коэффициенты положительного и отрицательного давления в задней части тела (от 55 до 100% L ). .Наконец, для обоих видов давление сместилось с отрицательного в средней части тела на положительное около хвоста, но для форели этот сдвиг временами происходил в более переднем направлении (особенно в момент времени t = 80,0% цикла «хвостовое биение» на рис. 4).
Мгновенные коэффициенты давления часто сильно отличались от средних профилей (рис. 4). Примечательно, что место, где коэффициент давления меняет знак с отрицательного на положительный, смещается в средней части тела, и временами появляется вторая область отрицательного давления на задней части тела (например,g., время t = 53,3% от тактового цикла; Рис.4).
Отрицательное давление создает давление на переднюю часть тела.
Сдвиг градиентов давления в сочетании с кинематикой тела привел к сложным пространственным и временным схемам осевых сил (рис. 3 C, и D, и 5 и фильмы S5 и S6). Как положительное, так и отрицательное давление могут создавать тягу или сопротивление, в зависимости от ориентации корпуса (рис. 1 B ). Таким образом, было четыре типа сил: тяга из-за положительного давления, тяга из-за отрицательного давления, сопротивление из-за положительного давления и сопротивление из-за отрицательного давления (рис.3 и 5). Для голубого жабра средняя сила тяги составила 1,3 ± 0,5 мН. Форель давала среднюю тягу 1,5 ± 0,4 мН. Все значения были того же порядка величины, что и предыдущие оценки из анализа следов (39, 40).
Рис. 5.
Тяга и сопротивление возникают как в результате положительного, так и отрицательного давления во временных и пространственно-зависимых моделях. A, и B сравнивают силы с фазовым разрешением для синего жабра ( A ) и форели ( B ) для семи сегментов (Segm.) Вдоль одной стороны тела.Буквы указывают, где были обнаружены значительные различия в величине силы у разных видов ( P <0,05). Заштрихованная область на заднем плане указывает время, когда сегмент тела перемещался слева направо от максимальной амплитуды к максимальной амплитуде. C и D сравнивают среднюю осевую (Thr) и лобовую (Drg) силы, возникающие в результате положительного ( C ) (+) или отрицательного ( D ) (-) давления. Если линии или столбцы не показаны, это означает, что коэффициенты средней силы обоих видов фактически равны нулю (CFx <5% общего CFx для этого типа силы).
На рис. 5 показаны пространственные и временные паттерны этих четырех сил у двух видов, а также усредненные по времени значения на одной стороне тела рыб. Опять же, чтобы контролировать разницу в форме тела и скорости плавания между видами, силы были нормированы на коэффициенты: CF = F / (0,5ρSu2), где F — сила, а S — площадь боковой поверхности. Большинство средних коэффициентов для подтипов осевой силы достоверно различались между синежаберцами и форелью (рис.5 C и D ). Кривые, показывающие средние коэффициенты силы, суммированные по обеим сторонам тела, а также средние продольные (общие, а не разбитые по подтипам) и поперечные коэффициенты силы на каждом сегменте тела, доступны в приложении SI , рис. S1 – S3.
В пространстве передний угол тела (рис.2 E и F ) в сочетании с отрицательным давлением приводил к толчку на переднюю часть тела и хвост, в то время как положительное давление способствовало толчку только в задних сегментах (рис.5). На кончике морды положительное давление создавало чистое сопротивление (темно-оранжевый), но немного дальше назад давление становилось отрицательным, создавая тягу с отрицательным давлением (светло-зеленый). Этот сдвиг произошел в сегменте 1 (от 0 до 10% L ) для форели, но в сегменте 2 (от 10 до 20% L ) для синего жабра, и у обоих видов отрицательное давление в сегменте 2 (от 10 до 20% L). ) производил тягу. Коэффициенты тяги положительного давления (темно-зеленые) наблюдались в сегментах с 4 по 7 (от 40 до 100% L ) и увеличивались от переднего к заднему.Толчок отрицательного давления (светло-зеленый) также произошел в самых задних сегментах (сегменты 6–7, 70–100% L ). Сопротивление положительного давления (темно-оранжевый) присутствовало только в сегментах 1 (от 0 до 10% L ) и 7 (от 85 до 100% L ). Сопротивление отрицательного давления (светло-оранжевый) было сосредоточено в средней части тела (сегменты 3–5, 20–70% L ).
Форель производит тягу с положительным давлением больше кпереди, чем синежабрика.
Картина коэффициентов осевой силы вдоль тела различалась у разных видов в зависимости от того, была ли сила силой тяги или силы сопротивления, и была ли сила вызвана положительным или отрицательным давлением (линейный дисперсионный анализ смешанной модели: значительное четырехстороннее взаимодействие между вид, тип силы, тип давления и сегмент тела; числитель DF = 6, знаменатель DF = 610, F = 4.1312, P = 0,0004). В тех случаях, когда у двух видов были значительно разные коэффициенты силы, форель имела большие размеры, чем синежабрика, за исключением сопротивления отрицательного давления в сегменте 5 (от 55 до 70% L ; рис. 5).
Рис. 6 сравнивает внутри вида различные типы силы в трех задних сегментах, которые являются функционально важными. Для голубого жабра сегмент 4 (от 40 до 55% L ) имел значительно большее сопротивление, чем тягу (Рис.6 A ), но у форели эти две силы были равны (Рис.6 В ). В сегменте 5 (от 55 до 70% L ) узор сместился; форель производила больше тяги, чем сопротивления (рис. 6 B ), но у синежабры они были равны (рис. 6 A ). Таким образом, синие жабры производили чистое сопротивление в сегменте 4 и не создавали результирующей силы в сегменте 5, в то время как форель не создавала результирующей силы в сегменте 4 и толчка в сегменте 5 (рис. 6 и приложение SI , рис. S2). Более того, форель произвела такое же поперечное усилие, что и синежабра в сегменте 5 ( SI Приложение , рис.S3). Кинематика этих сегментов у двух видов различалась: форель имела более высокие амплитуды и больший угол к горизонту (рис. 2).
Рис. 6.
Синежабрик и форель по-разному используют свое тело для создания силы плавания. Сравнение сил тяги (Thr) и сопротивления (Drg) от положительного (+) и отрицательного (-) давления на одной стороне тела на задних сегментах тела (Segm.) Для синеголового ( A ) и форели ( B ) ). Буквы указывают на существенные различия между типами силы внутри вида ( P <0.05).
Мы аппроксимируем гидродинамический КПД Фруда η, отношение полезной мощности к полной мощности (17), как η = ∑i (FT, i⋅vi) / ∑i | Fi⋅vi |, где FT, i — сила тяги вектор, Fi — вектор полной силы, а vi — полная скорость относительно потока (включая движение из стороны в сторону и скорость потока) для каждого сегмента i. На основании этой оценки эффективность плавания форели составляет 29,5 ± 1,9%, по сравнению с 26,6 ± 1,0% у синежабрых (среднее значение ± стандартная ошибка; нет значимых различий между видами; P = 0.142).
Обсуждение
Многие механические объяснения плавания рыб подчеркивают, что рыбы выталкивают жидкость за собой во время плавания, создавая области положительного давления на тело, которые толкают рыбу вперед в качестве силы тяги (17, 25, 37). Таким образом, недавнее открытие, что личинки миноги в значительной степени полагаются на отрицательное давление для создания тяги (25), указывает на недооцененную роль отрицательного давления в передвижении рыб. Здесь мы представляем экспериментальные данные, чтобы показать, что форма и колебания аэродинамического тела, характерного для многих видов рыб, приводят к отрицательному давлению, которое вносит значительный вклад в тягу за счет другого механизма, чем у личинок миног.Используя современные методы измерения давления и силы с временным и пространственным разрешением (23, 24), мы обнаружили, что, как и у миног, отрицательное давление вносит значительный вклад в силу плавания вдоль тела пловца в форме панциря (рис. 5), производя 39% от общего количества. тяга ко всему телу. Однако, в отличие от миног, большая часть тяги отрицательного давления, создаваемой пловцами-панцирями, возникает не из-за плавательных движений с большой амплитудой, а, скорее, из-за аэродинамической механики передней части тела.Отрицательное давление, действующее на переднюю часть тела, производит 28% общей тяги. Для сравнения, передняя часть тела производит 36% общей тяги при сочетании положительного и отрицательного давления.
Кроме того, высокое пространственное и временное разрешение наших методов позволяет нам определить, насколько небольшие различия в кинематике у пловцов привели к значительным различиям в силах (рис. 2 и 6). В частности, небольшие различия в амплитуде тела и углу задней части тела в сочетании с различиями в поперечных профилях глубины тела позволяли форели создавать более высокие тяговые усилия без увеличения боковых сил и, таким образом, могли позволить им плавать более эффективно, чем синие жабры.Таким образом, управление градиентами давления посредством аэродинамической формы передней части тела и кинематики задней части тела важно для эффективного развития сил плавания.
Тяга к задней части тела создается как положительным, так и отрицательным давлением.
Около двух третей толчка происходит за счет известного волнового механизма, как предсказывали более ранние исследования (17, 20, 41, 42), основанного как на положительном, так и на отрицательном давлении в задней части тела. Усредненные по времени профили давления ранее были измерены Dubois et al.(42), и их, и наша в целом напоминали усредненную по времени картину давления на аэродинамическом профиле тангажа (рис. 1 A ), особенно на передней половине тела. Наши профили задней части тела выглядят так же, как их, только при усреднении по циклу хвостовых импульсов (рис. 4). В мгновенных профилях давления давление меняет знак в зависимости от местоположения на теле и времени в пределах цикла хвостового биения (рис. 4), напоминая различные чередующиеся области «давления» (положительное давление) и «всасывания» (отрицательное давление) рядом с задним отделом позвоночника. тело, положенное Müller et al.(41) и обнаружены на задних телах в компьютерных моделях пловцов типа панцирных пловцов (21, 22). Это контрастирует с равномерно отрицательным давлением на задней части аэродинамического профиля по тангажу (рис. 1 A ). В частности, хвостовой плавник (сегмент 7, от 85 до 100% L ) испытывал три силы: тягу с положительным давлением на передней стороне бокового движения, тягу с отрицательным давлением на задней стороне и сопротивление с положительным давлением на задняя сторона (рис. 5). Вместе эти три силы создают пик тяги каждый раз, когда хвостовой плавник перемещается между пиковыми отклонениями, и силы, близкие к нулю, когда хвостовой плавник меняет направление (рис.5 и SI Приложение , рис. S1). Dubois et al. (42⇓ – 44) знали об этих эффектах; они отметили, что давление на некоторые части тела рыбы колебалось в ритме с тактом хвостового плавника, что было отрицательное давление на задней стороне хвостового плавника и что хвостовой плавник вызывает некоторое сопротивление, и все наблюдения согласуются с нашими.
Мы предполагаем, что действия всех трех этих сил необходимы для создания формы характерного двухпикового рисунка выработки тяги в течение цикла хвостового биения (20, 29, 43⇓ – 45).Положительное давление, действующее на переднюю сторону хвостового плавника (сегмент 7, от 85 до 100% L ), является основным источником тяги, ведущей к величине пиковых усилий на кривых результирующей силы (рис. 5 A ). и B и SI Приложение , рис. S1), поскольку величина тяги при отрицательном давлении равна величине сопротивления при положительном давлении (рис. 6). Это, опять же, согласуется с расчетными моделями карагиформного плавания, в которых тяга концентрировалась в хвостовой области (21, 22).Однако синхронизация пиков тяги положительного давления на передней стороне хвостового плавника и тяги отрицательного давления на задней стороне различается (Рис.5 A и B и SI Приложение , Рис. S1). Кроме того, влияние на хвостовой плавник смещается по времени тяги при отрицательном давлении и сопротивления при положительном давлении, при этом тяга действует в первую очередь быстро, а сопротивление — во вторую и медленно (рис. 5 A и B ). время максимальной тяги и форма кривой результирующей силы на хвостовом плавнике.Это влияние заметно при сравнении синежабрых и форель; у форели пик напора отрицательного давления возникает раньше, что приводит к кривым результирующей силы, имеющим различную форму для разных видов (Рис. 5 A и B и SI Приложение , Рис. S1).
Подразумевается, что контроль рыбы над градиентами давления вокруг своего хвостового плавника посредством корректировки формы хвостового плавника или кинематики тела может иметь жизненно важное значение для настройки производства тяги на заднюю часть тела.Это согласуется с гипотезой Мюллера и др. (41, 46) о том, что рыбы могут вносить небольшие изменения в свою кинематику, чтобы контролировать поток вокруг тела и точно настраивать свои плавательные характеристики, и, кроме того, это указывает на определенные особенности — форму хвостового плавника. и задняя кинематика тела — на которую мог повлиять отбор плавательных способностей в ходе эволюции рыб.
Важно отметить, что описанные здесь модели выработки силы отражают только устойчивое плавание.Предположительно, время, величина и расположение сил, в дополнение к относительной роли положительного и отрицательного давления, могут изменяться во время ускорения. Например, многие пловцы в форме панциря, в том числе синежабры, имеют большие амплитуды колебаний головы и хвоста и большую частоту биений хвоста во время ускорений (39, 47), что приводит к большей добавленной массе и большим общим силам (39). Интересно, что у синежабрника (39), но не у форели (47), это увеличение происходит без существенного перенаправления чистых сил тяги по сравнению с устойчивым плаванием, что позволяет предположить, что существуют различия в механике выработки силы между видами и поведением, например, устойчивым плаванием и ускорением.
Форель может производить плавательную силу более эффективно, чем синежаберный.
Исходя из их образа жизни, мы можем предположить, что синие жабры, которые обычно парят или плавают медленно в стоячей воде или медленно текущих ручьях (20, 31, 32), не производят тяги так же эффективно, как форель, которая большую часть своей жизни проводит в плавании ( 20, 33, 34), хотя оба плавают одинаково. Если эта гипотеза верна, то какие аспекты кинематики или морфологии тела форели приводят к более эффективному плаванию? Ответы на подобные вопросы, как внутри, так и между режимами плавания, позволили бы нам оценить силу взаимосвязи между плавательными способностями, морфологией и кинематикой, а также выявить конкретные факторы отбора, которые, возможно, привели к появлению современных форм рыб.Наши измерения давления позволяют нам приблизительно оценить гидродинамический КПД Фруда, соотношение полезной и полной мощности. Мы обнаружили, что эффективность Фруда у форели на 2,9% выше, чем у синежабры. Более ранние прогнозы также предполагают, что форель может иметь более высокую продуктивность по Фруде, чем синежабрика (20). Наблюдаемая нами разница в эффективности, хотя и незначительна ( P = 0,142), может указывать на функциональные различия в производстве тяги между форелью и синежаберцами. Эффективность Фруда — это только механическая эффективность и не учитывает потенциальные различия в скорости метаболизма (1), но даже такие небольшие различия в эффективности могут привести к значительной экономии энергии в течение длительных периодов непрерывного плавания, типичного для образа жизни форели (20, 33 , 34).
Действительно, мы предполагаем, что тонкие различия в кинематике и форме тела между видами имеют функциональное значение. Средняя часть (сегменты 4–5, от 40 до 70% L ), где силы переходят от сопротивления к силе тяги, является наиболее функционально значимой. У Bluegill переход от сопротивления к толчковой нагрузке произошел на 5 сегменте тела (от 55 до 70% L ), где коэффициент полезной силы был близок к нулю (Рис. 6 A и SI Приложение , Рис. S2). Напротив, у форели этот переход произошел более кпереди в сегменте 4 (от 40 до 55% L ), при этом сегмент 5 (от 55 до 70% L ) явно создавал толчок (рис.6 B и SI Приложение , рис. S2).
Эти различия, по-видимому, отражают кинематические различия между видами: форель иногда классифицируется как «субчаранжевая» пловчиха, которая имеет более высокие амплитудные волнообразные волны на своем теле, чем пловцы с «истинно-панцирной» формой, такие как синежабрика (Рис. 2 A — С ) (20). Во-первых, более передний переход к волнообразному движению у форели означает, что развитие сдвиговых градиентов положительного давления происходит и в более переднем направлении (рис.4, время t = 53,3 и 80% цикла хвостовых импульсов). Во-вторых, у форели эти более задние сегменты имеют больший угол по отношению к траектории плавания (рис. 2 E и F ), направляя силы больше на толчок, чем на боковые силы. Действительно, соотношение коэффициентов осевой и поперечной силы в этом сегменте у форели намного больше, чем у синежаброго (0,33 для форели и 0,06 для синежабры) (рис. 5 и приложение SI, приложение , рис. S2 и S3).
В целом наши результаты показывают, что форель производит плавучее усилие более эффективно, чем синежабра.Это потому, что они производят более высокую силу тяги, чем синие жабры, и используют большую часть своего тела для создания тяги. Однако, хотя форель волнообразна с большей амплитудой, создаваемые ею боковые силы не отличаются или меньше (сегмент 4, 40–55%, L ) синжабровых ( SI Приложение , рис. S3). Поскольку боковые силы — это напрасная трата усилий (часть знаменателя в эффективности Фруда), эти более крупные неровности тела, по-видимому, не требуют дополнительных затрат для форели.Мы предполагаем, что это связано с более мелким профилем глубины тела форели. Хотя полный анализ морфологии, боковых сил и эффективности плавания выходит за рамки данного исследования, эти результаты предполагают, что изучение тонких различий между пловцами-панцирями является многообещающим направлением для будущей работы, связывающей форму и функцию у рыб.
Передняя часть тела создает тягу за счет аэродинамической конструкции.
Несмотря на различия в распределении сил в задних сегментах, общая картина давления и сил в переднем теле очень похожа для синежабрых и форель и очень похожа на аэродинамический профиль.Приведенная частота колебаний довольно велика (~ 2 для обоих видов), что позволяет предположить, что колебательная механика может быть более важной, чем механика, подобная аэродинамическому профилю. Однако мы обнаружили, что распределение давления на передней части тела очень похоже на аэродинамический профиль при постоянном угле атаки (пониженная частота 0) (48) или на аэродинамический профиль тангажа при гораздо более низкой пониженной частоте (0,2 на рис. 1 ). А ) (13).
У обеих рыб форма поперечного сечения передней части тела близка к форме профиля Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA) (рис.1 A и 2 A и B ) (2, 3), что приводит к развитию отрицательного давления на большей части его длины (рис. 3 и 4), как крыловой профиль (рис. 1 A ). (4, 11). У обоих видов рыб, как и в аэродинамических профилях с углом атаки к потоку (рис. 1 A и C ) (11, 12, 14⇓ – 16), область положительного давления не находится непосредственно на кончике. морды (рис. 4 и видеоролики S3 и S4). Вместо этого он колеблется в обе стороны (рис. 1 A, и 4 и фильмы S3 и S4), а остальная передняя часть тела (сегменты 2–3, 10–40% L ) испытывает исключительно отрицательное давление (рис. .3 и 4). Этот процесс аналогичен механике всасывания передней кромки на аэродинамических профилях при умеренных углах атаки (рис. 1 C ) (11, 12, 14⇓ – 16). Наши наблюдения отрицательного давления также совпадают с измерениями Dubois et al. (42, 44), которые имплантировали канюли давления под кожу синего рыбы и обнаружили, что отрицательное давление преобладает на большей части длины синего рыбы, что приводит к профилям среднего давления, имеющим форму, аналогичную тем, которые показаны на рис.4, и осевым силам всасывания на переднюю часть тела. . Точно так же мы обнаруживаем, что отрицательное давление, возникающее из-за аэродинамической формы и помещенное далеко вперед на переднюю часть тела из-за механики всасывания передней кромки, расположено рядом с обращенными вперед поверхностями тела и приводит к небольшой, но значительной, непрерывной толчке в сегмент 2 (от 10 до 20% L ) (рис.3 и 5 A и B ).
Аналогичные распределения давления были также обнаружены в трехмерных вычислительных моделях гидродинамики пловцов в форме панциря. Боразджани и Сотиропулос (21) и Лю и др. (22) оба задокументировали области отрицательного давления вдоль передних тел при моделировании скумбрии и гребневого домкрата, соответственно, но они не подчеркнули роль этих отрицательных давлений в создании тяги. Тем не менее, наличие этой механики у пяти филогенетически далеких видов указывает на повсеместное распространение аэродинамической тяги среди пловцов с черепаховой формой.
Этот механизм создания тяги означает, что передняя часть тела производит меньшее сопротивление, чем могло бы в противном случае, но это все же создает чистое сопротивление. Dubois et al. (42⇓ – 44), Андерсон и др. (19), Боразджани и Сотиропулос (21), а также Лю и др. (22) все обнаружили, что передняя часть тела создает результирующие силы сопротивления. Наша работа не противоречит этим выводам; действительно, мы обнаруживаем, что на передней части тела величина осевых сил отрицательного давления меньше суммы сил сопротивления (сопротивление положительного давления на кончике носа, сегмент 1, от 0 до 10% L , и сопротивление отрицательного давления на средней части тела, сегмент 3, от 20 до 40% L ) (Рис.5 и SI Приложение , рис. S2). Однако толчок отрицательного давления на переднюю часть тела (сегменты с 1 по 4, от 0 до 55% L ) уравновешивает большую часть (45%) этого сопротивления, заставляя переднюю часть тела производить гораздо меньшее чистое сопротивление. Таким образом, мы указываем на более тонкую роль передней части тела во время карангиформной локомоции, поскольку силы тяги передней части тела составляют значительную часть общей тяги.
Эти силы тяги возникают из-за очень малых движений передней части тела (рис.2 A — D ) и, вероятно, потребует небольшой мышечной активности. На низких скоростях, как в этом исследовании, форель не активирует переднюю красную мышцу 50% L (49), как и большеротый окунь, вид, тесно связанный с синежаберцовой солнечной рыбой (50). Таким образом, небольшое, в основном пассивное движение в передней части тела может позволить этой аэродинамической конструкции тяги быть высокоэффективной.
Этот аэродинамический механизм отличается от механизма Gemmell et al. (25, 26), идентифицированные у личинок миног, которые также производят тягу из-за отрицательного давления (рис.7). Личинки миноги плавают по угловатому режиму, который характеризуется волнообразными волнами большой амплитуды в передних отделах тела (рис.7) (17, 25, 27). Даже среди англообразных пловцов личиночные миноги, изученные Gemmell et al. (25, 26) имеют особенно большие передние движения тела (28). Эти волны вращают поверхность тела, что ускоряет прилегающую жидкость, усиливает завихренность жидкости и создает большие области отрицательного давления (рис. 7 A ) (26, 51, 52).Это отрицательное давление приводит к осевым силам всасывания, которые действуют непрерывно на большей части длины корпуса (рис. 7 A ) (25, 26, 51, 52). Напротив, синие жабры и форель, которые являются пловцами в форме панциря, создают отрицательное давление локально на переднюю часть тела из-за их формы поперечного сечения и небольших движений (рис. 7 B ).
Рис. 7.
Тяга тела вперед у наклонно-гребневых и прямоугольных пловцов основана на разной механике. Серые и черные силуэты показывают движение тела, а цвет указывает на давление.Пловцы с угловатой формой тела ( A ) создают тягу с отрицательным давлением вдоль всего тела, используя волнообразный насосный механизм, в котором движения тела с большой амплитудой всасывают жидкость вдоль тела. Кинематика угловатой формы адаптирована из исх. 53. Напротив, пловцы в форме панциря ( B ) производят тягу на переднюю часть тела посредством аэродинамической механики. Для наглядности показаны только осевые силы отрицательного давления.
Растущее количество работ указывает на то, что разные режимы плавания и формы тела, скорее всего, дают разные функциональные преимущества (5⇓⇓⇓⇓ – 10).Подробные сравнения выработки силы отдельными частями тела рыбы, подобные тем, которые выполнены здесь, позволят нам окончательно проверить эти гипотезы и, в конечном итоге, прийти к более полному пониманию эволюции и экологии рыб. Например, мы давно выдвинули гипотезу, что обтекаемые тела, подобные телам тунца, обеспечивают быстрое и эффективное плавание, необходимое для миграций с Тихого океана. Здесь мы показываем, что такая оптимизация корпуса может способствовать повышению эффективности создания тяги. Эти рыбы не только обладают низким сопротивлением, но также могут использовать аэродинамическое поперечное сечение своего тела и движения отдачи для создания тяги.Поскольку обтекаемое поперечное сечение тела и небольшие колебания передней части тела очень распространены у рыб, мы предполагаем, что этот механизм создания толчка может быть общей чертой плавания у многих видов рыб.
Материалы и методы
Полную информацию о методах можно найти в приложении SI , SI Материалы и методы .
Экспериментальные процедуры.
Отдельные синие жабры и ручья форель плавали на скорости 2,5 L⋅ с −1 в рециркуляционном лотке, засеянном частицами с почти нейтральной плавучестью, освещенными горизонтальными лазерными световыми пластинами с двух сторон.Рыб снимали с помощью двух высокоскоростных камер (Photron Fastcam Mini AX50; разрешение 1024 × 1024 пикселей; размер пикселя 20 мкм), которые снимали синхронизированные кадры вентрального и бокового обзора со скоростью 1000 и 100 кадров в секунду соответственно. Были обработаны только последовательности, в которых рыба использовала устойчивые плавательные движения туловищем и хвостовым плавником не менее 1,5 циклов хвостовых ударов в пределах светового полотна. Для каждого человека было собрано видео трех повторных попыток плавания. Эксперименты были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Гарвардского университета в соответствии с протоколом 20-03 (GVL).
Обработка данных.
Скорость воды была рассчитана с использованием велосиметрии изображения частиц в DaVis 8.2.2 (LaVision) с размерами окна запроса 32 × 32 пикселей и 16 × 16 пикселей, перекрытием 50% и двумя проходами при каждом размере окна (38).
Следуя нашему ранее проверенному протоколу (24), брюшные контуры рыб были вручную оцифрованы в ImageJ (NIH). Средние линии были автоматически извлечены из этих контуров с помощью специального скрипта Matlab 2015b (Mathworks). Кинематика средней линии (например,g., период хвостового биения, частота, поперечная амплитуда и угол тела) были рассчитаны с использованием специального скрипта на Python (версия 2.7.11; Python Software Foundation; https://www.python.org) после Videler (29). Мы используем математическую амплитуду, расстояние между центральной линией и максимальным боковым отклонением, которое составляет половину бокового отклонения от пика до пика, часто называемого «амплитудой» в более ранних работах (1, 54). Чтобы облегчить сравнение различных частей тела рыб, рыбы были разделены на семь сегментов тела, которые сгруппированы вместе части тела со сходной кинематикой, формой тела и градиентами давления.Рассчитанные ниже давление и силы были усреднены по сегментам.
Распределение давления было рассчитано согласно Dabiri et al. (23) в Matlab с использованием скоростных данных и очертаний тел рыб. Мы оценили силы, используя процедуру, подробно описанную в Lucas et al. (24). Вкратце, величина силы рассчитывалась как произведение давления и площади поверхности в точке расчетной границы, проведенной вокруг рыбы, где площадь была произведением расстояния между точками в горизонтальной плоскости и глубины тела рыбы в этих точках. .Векторы силы были направлены внутрь или наружу в зависимости от знака окружающего давления. Наши предыдущие проверки (24) показывают, что для рыбоподобных пловцов влияние давления преобладает над эффектами сдвига (например, трение кожи), и что этот двухмерный подход устойчив к обтекания рыбы вне плоскости [например, Liu et al. al. (22)], что позволяет точно оценить силы с помощью этих процедур.
Статистика.
Линейные модели смешанных эффектов были разработаны в соответствии со стандартной практикой, изложенной Zuur et al.(55). Для осевых сил (CFx) были разработаны две модели. Первый сравнивал средние величины подтипов осевой силы и включал четыре фиксированных эффекта, каждый из которых имел несколько уровней: тип силы (тяга, сопротивление), тип давления (положительное, отрицательное), виды (синие жабры, форель) и сегмент (1–7). ), и все взаимодействия между этими эффектами. Вторая модель исследовала средства полных осевых сил. И эта модель, и модель средних боковых сил (CFy) включали два фиксированных эффекта: вид и сегмент, а также их взаимодействие.Модель эффективности включала один фиксированный эффект: виды. Во всех моделях индивидуальность учитывалась как случайный эффект, а в силовых моделях спецификации дисперсии учитывали неоднородность (55, 56). Тесты ANOVA и апостериорные попарные сравнения были проведены, чтобы определить, какие эффекты значительно повлияли на коэффициенты силы. Ко всем апостериорным результатам применялась поправка на частоту ложных открытий (57).
Вся статистика выполнялась в R (версия 3.5.1; R Foundation for Statistical Computing; https: // www.r-project.org/) с использованием пакета nlme (версия 3.1–137; https://cran.r-project.org/web/packages/nlme/index.html), а маргинальные средние были оценены для парных сравнений с использованием пакет emmeans (версия 1.2.3; https://cran.r-project.org/web/packages/emmeans/index.html).
Благодарности
Спасибо Мариэль Росич за помощь в сборе данных; члены G.V.L. лаборатория по уходу за рыбками; Джону Дабири, Брэду Геммеллу и Гэри Лукасу за техническую помощь; Тайлер Уайз за образцы данных, используемых для разработки кода; Стиву Уортингтону и Каре Фейлич за советы по статистике; Пол Уэбб, Шон Колин, Елена Крамер, Пит Гирги и члены Girguis и E.D.T. Laboratories за полезные обсуждения; Картика Менона и Раджата Миттала за данные о давлении на поверхность профиля; и анонимные рецензенты, отзывы которых значительно улучшили рукопись. Эта работа была поддержана научным сообществом NSF Grant DGE-1745303, предоставленным K.N.L. и грантом NSF Grant Division of Integrative Organismal Systems Award 1652582 для E.D.T., а также грантом N000141410533 Управления военно-морских исследований для исследовательской инициативы нескольких университетов, мониторинг которого осуществляет д-р Боб Бриззолара для G.V.L.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.
Сноски
Автор: K.N.L. и Г.В.Л. спланированное исследование; К.Н.Л. проведенное исследование; Г.В.Л. предоставлено оборудование и средства по уходу за рыбой; К.Н.Л. и E.D.T. проанализированные данные; и K.N.L., G.V.L. и E.D.T. написал газету.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов
Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.J.L. — приглашенный редактор по приглашению редакционной коллегии.
Размещение данных: Файлы данных о плавании рыб и статистические анализы, представленные в этом документе, были депонированы в Harvard Dataverse, https://doi.org/10.7910/DVN/1SOLNG («Данные расчета поверхностного давления и силы плавания для синие жабры и форель устойчиво плавают на скорости 2,5 L / с ”, набор данных). Скрипты, используемые для обработки данных, описанные в этой статье, размещены на GitHub, https://github.com/kelseynlucas/Forces-on-carangiform-swimmers.
Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.19117/-/DCSupplemental.
Momentum Thrust — обзор
II.A Общие принципы
Полезно изучить основные уравнения для ракетных двигателей, чтобы понять мотивацию инженеров-ракетчиков создавать и использовать криогенные, токсичные и взрывоопасные соединения в погоня за ракетными транспортными средствами с минимальным весом или минимальным объемом (или и тем и другим).Жидкостные ракеты — это реактивные двигатели, основанные на законах Ньютона. Сенгер описал принцип импульса следующими словами: «… все гребные винты кораблей, гребные винты самолетов, водяные колеса и весла создают свой поступательный толчок за счет импульса водных или воздушных масс, которые ускоряются назад».
Следовательно, ускорение рабочего тела из задней части транспортного средства создает тягу. Рабочей жидкостью может быть холодный газ, продукты разложения монотоплива, продукты сгорания двухкомпонентного топлива или молекулы, нагретые от источника электрической, солнечной или ядерной энергии.Тяга ракеты на жидком топливе возникает в основном из-за высокой скорости продуктов выхлопа, выходящих из двигателя в плоскости выхода.
Простой воздушный шар для вечеринок, надутый воздухом, иллюстрирует все эти принципы. Источником энергии является упругая энергия растянутой резины. Рабочая жидкость — воздух, заключенный в надутом баллоне. Выхлопное сопло — это отверстие, через которое может выходить воздух. В выходной плоскости воздушного шара воздух движется с большей скоростью, чем объем воздуха, остающийся в воздушном шаре.Применимый закон Ньютона гласит, что скорость изменения количества движения будет пропорциональна чистой внешней силе. Это первое уравнение, классическое уравнение тяги ракеты.
(1) F = mVe + Pe − PaAe
Где:
м — массовый расход рабочей жидкости (фунт / с, кг / с)
Ve — скорость рабочая жидкость на выходе из свободного тела (фут / сек, м / с)
P e — давление рабочей жидкости в месте выхода рабочей жидкости из свободного тела (фунт / фут 2 , Паскали)
P a — давление в окружении свободного тела (фунт / фут 2 , Паскаля)
A e — площадь выхода из сопла (фут 2 , м 2 )
Первый член дает от 90 до 100% тяги, и этот член можно назвать скоростной тягой или импульсной тягой.Из этого термина можно увидеть, что чем выше расход, тем выше тяга и чем выше скорость на выходе, тем выше тяга. Для фиксированного расхода рабочей жидкости это уравнение показывает, почему инженеры-ракетчики пытаются максимизировать тягу на единицу расхода, максимизируя выходную скорость.
Второй член уравнения тяги обычно дает вклад в тягу 0–10% и называется «тягой под давлением». Тяга под давлением в значительной степени зависит от давления окружающей среды вокруг свободного тела.Например, при взлете тяга под давлением главного двигателя космического корабля многоразового использования (SSME) фактически отрицательна, поскольку P a превышает P e на уровне моря. В космическом вакууме, где P a практически равны нулю, тяга давления SSME вносит вклад в тягу порядка 10%. Для транспортного средства, работающего на постоянной высоте, расположение P e = P a приводит к тому, что определяется как оптимальная степень расширения, при которой давление давления намеренно установлено равным нулю.Допуск P e больше, чем P a , можно рассматривать как потерянную энергию, которую можно было бы преобразовать в большую тягу при том же расходе топлива
Тяга на единицу расхода определяется как удельный импульс ( I sp )
(2) Isp = F / m
Удельный импульс является условным параметром для теоретического сравнения различных топлив и для оценки эффективности фактически поставленных характеристик ракетного двигателя в сравнении теоретический.
В английских единицах измерения м — это массовый расход в фунтах в секунду. Поскольку сила тяги выражается в фунтах, единицей измерения удельного импульса остаются секунды. Для более физического определения удельный импульс следует рассматривать как фунты силы на фунт в секунду потока топлива. В любых агрегатах, чем выше значение удельного импульса, тем выше удельные характеристики ракеты. В системе единиц MKS, если тяга выражается в ньютонах, а массовый расход — в килограммах в секунду, единицы удельного импульса уменьшаются до метров в секунду.
Комбинация пороха с более высоким удельным импульсом приведет либо к более легкому транспортному средству при фиксированной полезной нагрузке, либо к увеличению полезной нагрузки при фиксированной массе транспортного средства. Ракетами можно торговать по дальности и полезной нагрузке. Чем легче автомобиль, тем проще и дешевле его будет построить, транспортировать и использовать. Кроме того, чем легче, тем меньше строительного материала может быть меньше затрат. Конструкторы транспортных средств склонны выбирать комбинацию топлива с наивысшим удельным импульсом, если все остальные характеристики равны или, по крайней мере, приемлемы.Конечно, все остальные характеристики никогда не бывают равными, поэтому для разных типов транспортных средств разные комбинации топлива обеспечивают наилучший компромисс.
Возвращаясь к уравнению. 1, разделив на м и установив оптимальную степень расширения ( P e = P a ), получим следующие результаты:
(3) F / m = V = c
Эту скорость, остающуюся в правой части уравнения, можно интерпретировать как фактическую физическую скорость рабочего тела относительно ракетного корабля.Эта скорость определяется как эффективная скорость истечения и обычно обозначается буквой c . Обратите внимание, что эффективная скорость выхлопа в метрической системе также является значением удельного импульса в метрической системе для оптимальной степени расширения. Когда сообщается, что у ракеты есть удельный импульс 1000 м / с, это означает, что скорость газов, выходящих из сопла, составляет 1000 м / с относительно сопла.
В заполненном воздухом баллоне для вечеринок воздух представляет собой сжимаемую жидкость, ускоряющуюся из выходного отверстия.Выходное отверстие для ракетного двигателя — это выходная плоскость сходящегося-расходящегося сверхзвукового сопла. Из принципов термодинамики и механики жидкости можно вывести уравнение, используя сохранение энергии, идеальный газ и концепцию, называемую обратимым адиабатическим потоком. Без деталей вывода скорость на выходе из сопла записывается как:
(4) Ve = kk − 12gRMWTc [1− (PePc) k − 1k]
Где:
Ve — скорость выхода рабочего тела
k — отношение удельных теплоемкостей рабочего тела
г — гравитационная постоянная
R — универсальная газовая постоянная
MW — молекулярная масса рабочей жидкости
T c — абсолютная температура рабочей жидкости на входе в сопло
P e is давление рабочего тела на выходе из сопла
P c — давление рабочего тела на входе в сопло
9013 7
Примерно P c и T c — это давление и температура рабочей жидкости в камере сгорания.
Из уравнения. 4 можно выделить несколько движущих факторов для выбора пороха. Чтобы максимизировать Ve , который максимизирует тягу, желательными факторами являются
1.
Наименьшее значение k
2.
Наименьшее значение молекулярной массы
3.
Наивысшее значение T c
4.
Наивысшее значение P c
Значение k варьируется от 1.От 28 для гелия до 1,66 для диоксида углерода. Воздух, водород, кислород и азот — 1,4. Это значение на самом деле не выбирается, однако газы с наименьшей молекулярной массой также имеют наименьшее значение k .
Наименьшая молекулярная масса — 2,02 для водорода. Вот драйвер для выбора жидкого водорода, гидридов и всех других видов топлива, содержащих столько атомов водорода, сколько может достичь наука. Унос соединений азота, кислорода и углерода в выхлопных газах увеличивает молекулярную массу смеси и ухудшает качество Ve .Если источником тепловой энергии является концентратор солнечной энергии, ядерный реактор или электрическая энергия, рабочим телом может быть чистый водород. Однако, когда источником энергии является химическое разложение или горение, эта увеличенная молекулярная масса рабочего тела неизбежна.
Для химической ракеты энергия, выделяемая в камере сгорания, нагревает рабочую жидкость до очень высоких температур. Максимальная температура в камере сгорания обеспечивает максимальную скорость на выходе. Вот драйвер для выбора окислителей с легендарной реактивностью в попытке максимально увеличить T c при минимальном расплавлении всех частей ракеты.Некоторые из самых высоких тепловыделений связаны с окислением металлов. Это движущая сила включения металлического алюминия или даже бериллия в процесс сгорания.
Высокое давление в камере, P c , является фактором, который может допускать огромные степени расширения, которые все равно приводят к P e больше, чем P a . Когда P e больше, чем P a , это можно рассматривать как потерю возможности преобразовать это дополнительное давление в дополнительную скорость выхлопа.Отказ от дополнительного выходного давления означает, что удельный импульс мог быть выше.
Подводя итог, конструктор транспортного средства хочет выхлоп с наименьшей молекулярной массой, наивысшей температурой сгорания и наивысшим давлением в камере, которое требуется для миссии или за которое спонсор готов платить, и все это вызвано соотношением уравнения 4.
Возвращаясь к формуле. 1, если массовый расход заменяется уравнением неразрывности, скорость заменяется уравнением. 4 применяется уравнение состояния идеального газа и математически обрабатываются переменные, уравнение тяги принимает следующий вид:
(5) F = PcAtCf
, где P c — давление в камере сгорания, A t — площадь горловины сходящегося-расходящегося сверхзвукового сопла, а C f — сложный термин, включающий k , Pc и Pe , и называется коэффициентом тяги.
Уравнение 5 представляет собой интересный способ получить ракетную тягу, поскольку оно отделяет давление тяги (давление, умноженное на площадь) камеры ракеты от вклада сходящегося-расширяющегося сверхзвукового сопла. Вся беспорядочная математика находится в C f . Значения C f варьируются от приблизительно 1,0 до максимального теоретического значения 1,964 для бесконечного отношения P a / P e .Таким образом, тяга реальной ракеты составляет от 100 до 200% тяги давления, в зависимости от степени расширения сопла.
Если F заменить на Ур. 5 в определении удельного импульса (уравнение 2), тогда:
(6) Isp = PcAtCfm
Новый член может быть определен путем сбора всех переменных, кроме коэффициента тяги. Эта новая переменная определяется как характерная скорость истечения, называемая c * и произносится как «см. Звезду».Физически это можно представить как скорость рабочего тела в горловине сходящегося-расширяющегося сопла.
(7) c * = PcAtm
Замена ур. 7 в уравнении. 6 показано интересное соотношение для I sp :
(8) Isp = c * Cf
И снова производительность сопла была отделена от производительности камеры. Таким образом, c * представляет характеристики горения топлива, используемого в ракете, тогда как C f представляет сопло.
Испытания можно проводить при атмосферном давлении без проблем с измерением тяги, чтобы оптимизировать соотношение смеси двухкомпонентного топлива или оценить живучесть оборудования при воздействии высокого давления P c и T с . Гораздо проще и быстрее точно измерить P c прототипа тяжелого ракетного оборудования, чем измерить тягу. В результате первым показателем того, насколько хорошо работает инжектор, почти всегда является эффективность c * , которая измеряется c * по сравнению с теоретическим c * .
Добавить комментарий