Рабочая масса , также называемая реакционной массой , - это масса, против которой работает система, чтобы вызвать ускорение . В случае ракеты, например, реакционная масса - это топливо, выброшенное назад для обеспечения движения. Любое ускорение требует обмена импульсом , который можно рассматривать как «единицу движения». Импульс связан с массой и скоростью, что определяется формулой P = mv, где P - импульс, m - масса, а v - скорость. Скорость тела легко изменить, но в большинстве случаев масса - нет, что делает это важным.
Ракеты и реактивные двигатели типа ракет
В ракетах полное изменение скорости можно рассчитать (используя уравнение ракеты Циолковского ) следующим образом:
Где:
- v = скорость корабля.
- u = скорость истечения.
- M = масса корабля, не включая рабочую массу.
- m = общая масса, выброшенная с корабля (рабочая масса).
Термин «рабочая масса» используется в основном в аэрокосмической области. В более «приземленных» примерах рабочая масса обычно обеспечивается Землей, которая содержит такой большой импульс по сравнению с большинством транспортных средств, что количество, которое она набирает или теряет, можно игнорировать. Однако в случае самолета рабочей массой является воздух, а в случае ракеты - само ракетное топливо. В большинстве ракетных двигателей используется легкое топливо (жидкий водород , кислород или керосин ), разгоняемое до сверхзвуковых скоростей. Однако в ионных двигателях в качестве реакционной массы часто используются более тяжелые элементы, такие как ксенон , которые разгоняются до гораздо более высоких скоростей с помощью электрических полей.
Во многих случаях рабочая масса отделена от энергии, используемой для ее ускорения. В автомобиле двигатель обеспечивает мощность колесам, которые затем ускоряют Землю назад, заставляя машину двигаться вперед. Однако это не относится к большинству ракет, где ракетное топливо является рабочей массой, а также источником энергии. Это означает, что ракеты прекращают ускоряться, как только у них заканчивается топливо, независимо от других источников энергии, которые они могут иметь. Это может быть проблемой для спутников, которые необходимо часто перемещать, так как это ограничивает их срок службы. В общем, скорость истечения должна быть близкой к скорости корабля для оптимальной энергоэффективности. Это ограничение ракетной двигательной установки является одной из основных причин постоянного интереса к полевой двигательной установке .