Почему ракетный двигатель увеличивает мощность со скоростью, если скорость горения постоянна?

Проще говоря, изменение мощности связано с различием между мощностью выхлопной струи и механической мощностью, добавляемой к транспортному средству. Мощность потока выхлопных газов, измеренная в системе координат ракеты, зависит только от скорости выделения энергии топливом. Скорость добавления кинетической энергии транспортному средству зависит от тяги, развиваемой двигателем, и скорости транспортного средства, измеренной в какой-либо другой системе отсчета.

Эти две мощности будут совпадать только на мгновение, когда скорость транспортного средства равна скорости выхлопа (когда выхлоп остается в покое).

Интуитивно вы могли бы сказать что-то вроде этого:

Когда ракета движется медленнее, чем ее собственная скорость выхлопа, дефицит мощности (мощность выхлопа - мощность транспортного средства) превращается в остаточную кинетическую энергию в выхлопе. Когда ракета движется быстрее, чем ее собственная скорость истечения, избыток мощности возникает за счет кинетической энергии, присутствующей в топливе.

Вот график полной энергии системы для ракеты с отношением масс 5, разгоняющейся из состояния покоя. Показана кинетическая энергия конструкции ракеты, бортового топлива и выхлопных газов, а также внутренняя (химическая) энергия топлива только для того, чтобы продемонстрировать, что общая сумма остается постоянной независимо от того, сколько топлива было сожжено.

Мощность = Работа/время = Сила × расстояние/время = масса × ускорение × скорость

Мы должны помнить, что эти определения были созданы для тяжеловозов до эпохи, когда аэродинамическое сопротивление было значительным.

«Мощность» более точно описывает энергетическое состояние объекта.

В вакууме, вдали от гравитационного поля, ракета с постоянной силой тяги будет иметь все большую и большую мощность (как ударник) по мере увеличения ее скорости.

Турбовентиляторный и турбореактивный двигатель, работающие в атмосфере, ограничены по величине тяги, которую они производят, доступным кислородом и ограничены по скорости сопротивлением . В экстремальных случаях (например, при гиперзвуковом полете) существенную роль играет также нагрев от трения.

Турбовентиляторные двигатели обычно работают на дозвуковых скоростях для большей топливной экономичности.

Графики «мощность» в зависимости от лобового сопротивления популярны в программах обучения авиации, но могут сбивать с толку, если только не применяется мощность = тяга x скорость.

Тяга - это более простой способ количественной оценки мощности двигателя. Даже для винтовых самолетов «лошадиная сила» может быть описана как крутящий момент при заданных оборотах.

Ракета производит постоянную тягу со скоростью, что означает увеличение мощности со скоростью.

Если вы ограничиваете «мощность» значением изменения энергии транспортного средства с течением времени + несгоревшего топлива, то да, это правильно.

Откуда такое увеличение мощности, если скорость горения топлива постоянна, как это объяснить в системе отсчета ракеты, не нарушая законов физики?

Это происходит из-за того, что вы смотрите только на часть того, что делает двигатель. Другое изменение, которое производит двигатель, — это изменение энергии топлива/выхлопа.

В первый момент работы двигателя (когда ракета еще неподвижна) 100% мощности двигателя идет на разгон топлива в выхлоп. Мощность, поступающая в автомобиль, равна нулю, но двигатель все еще что-то делает.

По мере того, как ракета ускоряется в этом кадре, мы видим, как меняется соотношение направления мощности. Больше энергии уходит на ускорение автомобиля, а меньше энергии уходит на ускорение выхлопа.

Если мы предположим, что двигатель работает с почти постоянным расходом топлива, то мы увидим, что в любой момент

По мере того, как он ускоряется, количество энергии, попадающей в состав ракеты, увеличивается, а количество, входящее в состав топлива, уменьшается. (И на самом деле этот конечный член может стать отрицательным, так что энергия, идущая на ракету, будет больше, чем энергия сгорания).

Создают ли турбовентилятор и турбореактивный двигатель постоянную тягу с изменением скорости?

Это полезное приближение для большого диапазона условий эксплуатации. Но, в отличие от ракеты, аэродинамическое сопротивление самолетов увеличивается по мере их ускорения. Это ограничивает максимальную скорость и возможное ускорение. Поскольку большинство самолетов летают с преобладанием крейсерской (неразгонной) части, идея о том, как изменяется КЭ планера с течением времени, гораздо менее интересна.