Specific Impulse (SP) este o măsură a cât de eficient o rachetă sau un motor utilizează combustibilul. Prin definiție, aceasta este supratensiunea totală furnizată pe unitatea de putere consumată și este echivalentă ca mărime cu forța generată împărțită la debitul de masă. Dacă kilogramele sunt folosite ca unitate de propulsie, atunci impulsul specific este măsurat în termeni de viteză. Dacă se folosește în schimb o greutate în newtoni sau lire-forță, atunci valoarea specifică este exprimată în termeni de timp, cel mai frecvent în secunde.
Înmulțirea vitezei de curgere cu gravitația standard transformă GI în masă.
Ecuația Țiolkovski
Impulsul specific al unui motor cu masă mai mare este utilizat mai eficient pentru a genera tracțiune înainte. Și în cazul în care se folosește o rachetă, este necesar mai puțin combustibil. El este de care este nevoie pentru acest delta-v. Conform ecuaţieiTsiolkovsky, în impulsul specific al unui motor de rachetă, motorul este mai eficient în urcare, distanță și viteză. Această performanță este mai puțin importantă în modelele reactive. Care folosesc aripi și aer exterior pentru ardere. Și transportați o sarcină utilă mult mai grea decât combustibilul.
Impulsul specific include mișcarea generată de aerul exterior folosit pentru ardere și epuizat de combustibilul uzat. Motoarele cu reacție folosesc atmosfera exterioară pentru aceasta. Și, prin urmare, au o interfață de utilizare mult mai mare decât motoarele de rachetă. Acest concept, din punct de vedere al masei consumate de combustibil, are unități de măsură ale distanței în timp. Care sunt o valoare artificială numită „viteza efectivă a gazelor de eșapament”. Aceasta este mai mare decât viteza reală de evacuare. Deoarece masa de aer pentru ardere nu este luată în considerare. Viteza reală și efectivă de evacuare sunt aceleași la motoarele de rachetă care nu folosesc aer sau apă, de exemplu.
Considerații generale
Cantitatea de combustibil este de obicei măsurată în unități de masă. Dacă este utilizat, atunci impulsul specific este impulsul per EM, care, după cum arată analiza mărimii, are unități de viteză. Și astfel UI este adesea măsurată în metri pe secundă. Și adesea denumită viteza efectivă a eșapamentului. Cu toate acestea, dacă se folosește masa, impulsul specific al combustibilului împărțit la forță se dovedește a fi o unitate de timp. Prin urmare, anumite împingeri sunt măsurate în secunde.
Această regulă este cea principală în lumea modernă, folosită pe scară largă cucoeficientul r0 (constantea accelerației gravitaționale pe suprafața Pământului).
Este de remarcat faptul că rata de modificare a impulsului rachetei (inclusiv combustibilul acesteia) pe unitatea de timp este egală cu impulsul specific de tracțiune.
Specificații
Cu cât este mai mare împingerea, cu atât este necesar mai puțin combustibil pentru a genera o anumită tracțiune pentru o anumită perioadă de timp. În acest sens, lichidul este mai eficient, cu atât UI este mai mare. Totuși, aceasta nu trebuie confundată cu eficiența energetică, care poate scădea odată cu creșterea tracțiunii, deoarece impulsul specific al motorului, care dă rezultate ridicate, necesită multă energie pentru a face acest lucru.
De asemenea, este important să distingeți și să nu confundați o tragere cu o anumită împingere. UI este creat pe unitatea de combustibil consumat. Iar forța este forța instantanee sau de vârf care este generată de un anumit dispozitiv. În multe cazuri, sistemele de propulsie cu impulsuri specifice foarte în alte - unele instalații ionice ajung la 10.000 de secunde - produc o tracțiune scăzută.
La calcularea împingerii, se ia în considerare doar combustibilul care este transportat cu vehiculul înainte de utilizare. Prin urmare, pentru un chimist rachetă, masa va include atât propulsorul, cât și oxidantul. Pentru motoarele cu aer respirat, se ia în considerare doar cantitatea de lichid, nu masa de aer care trece prin motor.
Durata atmosferică și incapacitatea centralei de a menține un impuls specific ridicat la rate mari de ardere este tocmai motivul pentru care tot combustibilul nu este folosit cât mai repede posibil.
Mai greuun motor cu MI bun poate să nu fie la fel de eficient în urcare, distanță sau viteză ca un instrument ușor cu performanțe slabe
Dacă nu ar fi rezistența aerului și consumul redus de combustibil în timpul zborului, MI ar fi o măsură directă a eficienței unui motor în transformarea masei în propulsie înainte.
Impul specific în secunde
Unitatea cea mai comună pentru o anumită împingere este Hs. Atât în contextul SI, cât și în cazurile în care sunt utilizate valori imperiale sau convenționale. Avantajul secundelor este că unitatea de măsură și valoarea numerică sunt aceleași pentru toate sistemele și sunt în esență universale. Aproape toți producătorii își listează performanța motorului în câteva secunde. Și un astfel de dispozitiv este util și pentru a determina specificul unui dispozitiv de avion.
Folosirea de metri pe secundă pentru a găsi viteza efectivă de evacuare este, de asemenea, destul de comună. Acest bloc este intuitiv atunci când descrieți motoarele de rachete, deși viteza efectivă de evacuare a dispozitivelor poate diferi semnificativ de cea reală. Acest lucru se datorează cel mai probabil combustibilului și oxidantului aruncați peste bord după ce turbopompele sunt pornite. Pentru motoarele cu reacție care respiră aer, viteza efectivă de evacuare nu are semnificație fizică. Deși poate fi folosit în scopuri de comparație.
unități
Valorile exprimate în Ns (în kilograme) nu sunt neobișnuite și egale numeric cu viteza efectivă de evacuare în m / s (din a doua lege a lui Newton și a luidefiniții).
O altă unitate echivalentă este consumul specific de combustibil. Are unități de măsură precum g (kN s) sau lb/h. Oricare dintre aceste unități este invers proporțională cu impulsul specific. Iar consumul de combustibil este utilizat pe scară largă pentru a descrie performanța motoarelor cu reacție.
Definiție generală
Pentru toate vehiculele, impulsul specific (împingere pe unitate de greutate a combustibilului pe Pământ) în secunde poate fi determinat prin următoarea ecuație.
Pentru a clarifica situația, este important să clarificați că:
- F este forța standard a gravitației, care este nominalizată ca puterea de pe suprafața Pământului, în m/s 2 (sau ft/s pătrat).
- g este debitul masic în kg/s, care pare negativ în raport cu rata de modificare a masei vehiculului în timp (pe măsură ce combustibilul este împins).
Măsurare
Unitatea engleză, lira, este mai frecvent utilizată decât alte unități. Și, de asemenea, atunci când se aplică această valoare pe secundă pentru debit, la conversie, constanta r 0 devine inutilă. Pe măsură ce devine echivalent dimensional cu lire sterline împărțit la g 0.
I sp în secunde este timpul pentru care dispozitivul poate genera un anumit impuls de forță al unui motor de rachetă, având în vedere o cantitate de propulsor a cărei greutate este egală cu tracțiunea.
Avantajul acestei formulări este că poate fi folosit pentrurachete, unde întreaga masă de reacție este transportată la bord, precum și pentru avioane, unde cea mai mare parte a masei de reacție este preluată din atmosferă. De asemenea, oferă un rezultat care este independent de unitățile utilizate.
Impul specific ca viteză (viteza efectivă de evacuare)
Din cauza factorului geocentric g 0 din ecuație, mulți preferă să definească tracțiunea rachetei (în special) în termeni de tracțiune pe unitate de masă a debitului de combustibil. Aceasta este o modalitate la fel de validă (și, în unele moduri, oarecum mai simplă) de a determina eficiența impulsului specific a unui propulsor. Dacă luăm în considerare și alte opțiuni, situația va fi aproape peste tot aceeași. Rachetele cu un anumit impuls specific sunt pur și simplu viteza efectivă de evacuare în raport cu dispozitivul. Cele două atribute ale unei anumite împingeri sunt proporționale între ele și sunt legate după cum urmează.
Pentru a utiliza formula, trebuie să înțelegeți că:
- I - impuls specific în secunde.
- v - împingere, măsurată în m/s. Care este egală cu viteza efectivă de evacuare, măsurată în m/s (sau ft/s, în funcție de valoarea lui g).
- g este standardul gravitației, 9,80665 m/s 2. În unități imperiale 32,174 ft/s 2.
Această ecuație se aplică și motoarelor cu reacție, dar este rar folosită în practică.
Rețineți că uneori sunt folosite caractere diferite. De exemplu, c este considerat și pentru viteza de evacuare. În timp ce simbolulsp poate fi utilizat în mod logic pentru UI în unități de N s/kg. Pentru a evita confuzia, este de dorit să o rezervați pentru o anumită valoare, măsurată în secunde înainte de începerea descrierii.
Acest lucru este legat de împingerea sau forța de mișcare a impulsului specific al motorului rachetei, formula.
Aici m este consumul de combustibil în masă, care este rata de scădere a mărimii vehiculului.
Minimizare
Racheta trebuie să transporte tot propulsorul. Prin urmare, masa alimentelor nearse trebuie accelerată împreună cu dispozitivul în sine. Minimizarea cantității de combustibil necesară pentru a atinge o anumită forță este esențială pentru construirea de rachete eficiente.
Formula specifică de impuls a lui Tsiolkovsky arată că pentru o rachetă cu o anumită masă goală și o anumită cantitate de combustibil, modificarea totală a vitezei poate fi realizată proporțional cu viteza efectivă a eșapamentului.
O navă spațială fără elice se mișcă pe o orbită determinată de traiectoria sa și de orice câmp gravitațional. Abaterile de la tiparul de viteză corespunzător (numit Δv) sunt obținute prin împingerea masei gazelor de eșapament în direcția opusă modificării dorite.
Viteza reală versus viteza efectivă
Aici merită remarcat faptul că aceste două concepte pot diferi semnificativ. De exemplu, atunci când o rachetă este lansată în atmosferă, presiunea aerului din afara motorului provoacăforta de franare. Ceea ce reduce impulsul specific și viteza efectivă de evacuare este redusă, în timp ce rapiditatea reală rămâne practic neschimbată. În plus, uneori motoarele de rachetă au o duză separată pentru gazul turbinei. Calcularea vitezei efective de evacuare necesită apoi media celor două debite masice, precum și luarea în considerare a presiunii atmosferice.
Crește eficiența
Pentru motoarele cu reacție cu aer respirat, în special turboventilatoarele, viteza reală de evacuare și viteza efectivă diferă cu câteva ordine de mărime. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când se utilizează aer ca masă de reacție, se obține un impuls suplimentar semnificativ. Acest lucru permite o potrivire mai bună între viteza aerului și viteza de evacuare, ceea ce economisește energie și combustibil. Și crește semnificativ componenta eficientă, reducând în același timp rapiditatea reală.
Eficiență energetică
Pentru rachete și motoare asemănătoare rachetelor, cum ar fi modelele ionice, sp implică o eficiență energetică mai scăzută.
În această formulă, v e este viteza reală a jetului.
De aceea, forța necesară este proporțională cu fiecare viteză de evacuare. La viteze mai mari, este necesară mult mai multă putere pentru aceeași tracțiune, rezultând o eficiență energetică mai mică cu o unitate.
Cu toate acestea, energia totală pentru o misiune depinde de consumul total de combustibil, precum și de câtă energie este necesară pe unitate. Pentru viteză mică de evacuarein ceea ce priveste misiunea delta-v, sunt necesare cantitati uriase de masa de reactie. De fapt, din acest motiv, o viteză foarte mică de evacuare nu este eficientă din punct de vedere energetic. Dar se dovedește că niciun tip nu are cele mai mari scoruri.
variabilă
Teoretic, pentru o anumită delta-v, în spațiu, dintre toate valorile fixe ale vitezei de evacuare, ve=0,6275 este cea mai eficientă energetică pentru o masă finală dată. Pentru a afla mai multe, puteți vedea energia din aparatul de propulsie al navei spațiale.
Totuși, ratele de evacuare variabile pot fi și mai eficiente din punct de vedere energetic. De exemplu, dacă o rachetă este accelerată cu o viteză inițială pozitivă folosind o viteză de evacuare care este egală cu viteza produsului, nu se pierde energie ca componentă cinetică a masei de reacție. Pe măsură ce devine staționar.
