В связи с тем, что отпала необходимость ждать пока Горин закончит с решением разгона обычной топливной ракеты, а Аид выложил свое аналитическое решение разгона безтопливной ракеты выкладываю и я свои решения в приращениях разгона безтопливной ракеты. Напоминаю, что эта ракета в качестве топлива использует межзвездную пыль, которую собирает по пути движения в пылесборники, а затем она подается в ионный двигатель, где ионизируется и разгоняется до скорости Vgo. При этом в двигатель дозатором ежесекундно подается mg1 кг пыли, которые при скорости Vgo обеспечивают постоянную мощность двигателя P=mg1*Vgo2/2 и точно такое же количество пыли mg1 ежесекундно улавливается пылесборниками и таким образом масса ракеты не изменяется. Постоянство улавливаемой пыли обеспечивается тем, что сечение пылесборников с ростом скорости ракеты уменьшается. Энергия на ионизацию и разгон пыли берется или от солнечных батарей или от атомного реактора. Сейчас я приведу решения этой задачи в приращениях с использованием четырех различных подходов, а затем приведу получающееся аналитическое решение. При этом я буду использовать следующие обозначения
m1 - масса ракеты до разгона (не изменяется).
Vgo - cкорость истечения газов или пыли из двигателя на стенде, т.е. относительно ракеты
P - развиваемая двигателем номинальная мощность
V1 - скорость ракеты до разгона
V2 - скорость ракеты в конце разгона.
mg1 - секундный расход топлива (газов или пыли)
mg= mg1*Δt - расход топлива (газа или пыли) за время разгона от скорости V1 до скорости V2
ΔV= V2-V1 - интервал изменения скорости ракеты при разгоне за время Δt
Vsr= (V1+V2)/2 - средняя скорость ракеты на этапе разгона
Vg= Vgo-Vsr - средняя скорость газов или пыли летящих от ракеты в другую сторону (или летят вслед за ракетой, если Vgo<Vsr)
Δt - время разгона ракеты от скорости V1 до скорости V2
При решении дифференциального уравнения, описывающего движение ракеты, мы находим решения в функции времени для ее скорости V(t) и пройденного пути S(t), а при решении задачи в приращениях мы можем решить ее и как в функции от времени и как в функции от скорости, т.е. получить как V(t) и S(t) так и t(V) и S(V). Давайте сначала рассмотрим вариант, когда мы будем задавать V1 и V2, но так, чтобы приращение скорости ΔV=V2-V1 было не очень большое, и будем находить время Δt необходимое для разгона ракеты от V1 до V2. Четыре различных подхода (импульсный, силовой, мощностной и энергетический) дадут нам четыре различных уравнения, но ответ по всем этим формулам будет один и тот же. Давайте составим четыре уравнения балансов с использованием этих подходов, а потом из этих уравнений найдем время разгона ракеты от V1 до V2.
m1*(V2 - V1) = mg1*Δt*Vg импульсный
m1*ΔV/Δt = mg1*Vg силовой
m1*Vsr*ΔV/Δt = P - mg1*Vg2/2 - mg1*Vsr2/2 мощностной
m1*(V22-V12)/2 = P*Δt - mg1*Δt*Vg2/2 - mg1*Δt*Vsr2/2 энергетический
Здесь важно отметить, что в мощностном и энергетическом балансах последние члены отражают мощность и энергию затраченную на нагрев пыли при ее соударении с пылесборниками ракеты. А также многим будет полезно узнать, что сила давления именно газов на ракету равна mg1*Vg, а не mg1*Vgo, как многие думают. И еще, эти уравнения балансов не полные, т.к. я их сократил на взаимоисключающие члены, и полные уравнения балансов будут выглядеть так, как если к ним добавить ниже перечисленные члены
- mg1*Δt *Vsr + mg1*Δt*Vsr импульсный
- mg1*Vsr + mg1*Vsr силовой
- mg1*Vsr2/2 + mg1*Vsr2/2 мощностной
- mg1*Δt*Vsr2/2+mg1*Δt*Vsr2/2 энергетический
Здесь первые члены равны (импульсу, силе, мощности и энергии), которые необходимо затратить на разгон пыли собираемой ракетой по пути до скорости ракеты, а вторые члены равны (импульсу, силе, мощности и энергии), которые эта пыль потом отдает ракете при торможении ее от скорости ракеты до нуля, прежде чем она будет выкинута из ракеты в противоположную сторону со скоростью Vg. А время разгона из этих балансов получится следующее
Δt = m1*ΔV / (mg1*Vg) импульсный
Δt = m1*ΔV / (mg1*Vg) силовой
Δt = 2*m1*ΔV*Vsr / (2*P - mg1*Vsr2 - mg1*Vg2) мощностной
Δt = m1*(V22 - V12) / (2*P - mg1*Vsr2- mg1*Vg2) энергетический
см. продолжение