Špecifický impulz: definícia pojmu, charakteristika, výpočet

Špecifický impulz (UI) je miera toho, ako efektívne raketa alebo motor využíva palivo. Podľa definície ide o celkový nárast dodaný na jednotku spotrebovanej energie a je veľkosťou ekvivalentný generovanému ťahu vydelenému hmotnostným prietokom. Ak sa ako jednotka pohonnej látky použijú kilogramy, potom sa špecifický impulz meria rýchlosťou. Ak sa namiesto toho použije hmotnosť v Newtonoch alebo libre, potom sa určitá hodnota vyjadrí v čase, najčastejšie v sekundách.

Vynásobením rýchlosti prúdenia štandardnou gravitáciou sa UI premení na hmotnosť.

Tsiolkovského rovnica

Špecifický impulz motora s vyššou hmotnosťou sa efektívnejšie využíva na vytvorenie ťahu vpred. A v prípade použitia rakety je potrebné menej paliva. Je to on, kto je potrebný pre tento delta-v. Podľa Tsiolkovského rovnice je v špecifickom impulze raketového motora motor efektívnejší v nadmorskej výške, vzdialenosti a rýchlosti stúpania. Tento výkon je v reaktívnych modeloch menej dôležitý. Ktoré používajú krídla a vonkajší vzduch na spaľovanie. A niesť užitočné zaťaženie, ktoré je oveľa ťažšie ako palivo.

Špecifický impulz zahŕňa pohyb generovaný vonkajším vzduchom, ktorý sa používa na spaľovanie a vyčerpaný vyhoretým palivom. Prúdové motory na to využívajú vonkajšiu atmosféru. A preto majú oveľa vyššie používateľské rozhranie ako raketové motory. Tento koncept má z hľadiska spotrebovanej hmotnosti paliva jednotky merania vzdialenosti v čase. Čo je umelé množstvo nazývané "efektívna rýchlosť výfukových plynov". To je vyššie ako skutočná impulzivita výfuku. Pretože hmotnosť vzduchu gorenje sa neberie do úvahy. Skutočná a efektívna rýchlosť výfukových plynov je rovnaká v raketových motoroch, ktoré nepoužívajú vzduch alebo napríklad vodu.

Všeobecné úvahy

Množstvo paliva sa zvyčajne meria v jednotkách hmotnosti. Ak sa použije, potom je špecifický ťah impulzom na ňom, ktorý, ako ukazuje analýza veľkosti, má jednotky rýchlosti. A preto sa UI často meria v metroch za sekundu. A často sa nazývajú efektívna rýchlosť výfukových plynov. Ak sa však použije hmotnosť, špecifický impulz paliva vydelený silou sa ukáže ako jednotka času. A tak sa špecifické Šoky merajú v sekundách.

Toto pravidlo je hlavné v modernom svete, široko používané s koeficientom₀ (konštanta gravitačného zrýchlenia na zemskom povrchu).

Stojí za zmienku, že rýchlosť zmeny impulzu rakety (vrátane jej paliva) za jednotku času sa rovná špecifickému impulzu ťahu.

Špecifickosť

Čím vyšší je ťah, tým menej paliva je potrebné na vytvorenie daného ťahu na určitý čas. V tomto ohľade platí, že čím účinnejšia je kvapalina, tým viac jej používateľského rozhrania. To by sa však nemalo zamieňať s energetickou účinnosťou, ktorá sa môže znižovať so zvyšujúcim sa ťahom, pretože špecifický impulz motora, ktorý poskytuje vysoké výsledky, si na to vyžaduje veľa energie.

Okrem toho je dôležité rozlišovať a nezamieňať ťah a špecifický ťah. UI sa vytvára na jednotku spotrebovaného paliva. A ťah je okamžitá alebo špičková sila, ktorá je generovaná konkrétnym zariadením. V mnohých prípadoch pohonné systémy s veľmi vysokým špecifickým impulzom — niektoré iónové inštalácie dosahujú 10 000 sekúnd — vytvárajú nízky ťah.

Pri výpočte tlaku sa berie do úvahy iba palivo, ktoré sa prepravuje s vozidlom pred použitím. Preto pre chemickú raketu bude hmotnosť zahŕňať sám ako palivo a oxidačné činidlo. Pri motoroch dýchajúcich vzduch sa berie do úvahy iba množstvo kvapaliny, nie hmotnosť vzduchu prechádzajúceho motorom.

Odolnosť atmosféry a neschopnosť zariadenia udržiavať vysoký špecifický impulz pri vysokej rýchlosti horenia je presne dôvodom, prečo sa všetko palivo nepoužíva čo najrýchlejšie gorenje.

Ťažší motor s dobrým používateľským rozhraním nemusí byť v nadmorskej výške, vzdialenosti alebo rýchlosti taký efektívny ako ľahké zariadenie s nízkymi ukazovateľmi

Keby to nebolo pre odpor vzduchu a znížené palivo Spotreba počas letu, ROZHRANIE bolo by priamym meradlom účinnosti motora pri premene hmoty na pohyb vpred.

Špecifický impulz v sekundách

Najbežnejšou jednotkou pre konkrétny tlak je H * s. Tak v kontexte SI, ako aj v prípadoch, keď sa používajú cisárske alebo bežné hodnoty. Výhodou sekúnd je, že jednotka merania a číselná hodnota sú rovnaké pre všetky systémy a sú v podstate univerzálne. Takmer všetci výrobcovia uvádzajú svoje vlastnosti motora v sekundách. A takéto zariadenie je tiež užitočné na určenie špecifík zariadenia lietadla.

Použitie metrov za sekundu na nájdenie efektívnej rýchlosti výfukových plynov je tiež celkom bežné. Tento blok je intuitívny pri opise raketových motorov, aj keď efektívna rýchlosť výfukových plynov zariadení sa môže výrazne líšiť od skutočnej. S najväčšou pravdepodobnosťou to môže byť spôsobené palivom a oxidačným činidlom, ktoré sa po zapnutí turbočerpadiel vyhodia cez palubu. Pre prúdové motory s dýchaním vzduchu nemá účinná rýchlosť výfukových plynov žiadny fyzický zmysel. Aj keď sa dá použiť na porovnávacie účely.

Jednotka

Hodnoty vyjadrené v n * s (v kilogramoch) nie sú neobvyklé a číselne sa rovnajú efektívnej rýchlosti výfukových plynov v m/s (z druhého Newtonovho zákona a jeho definície).

Ďalšou ekvivalentnou jednotkou je špecifická spotreba paliva. Má namerané hodnoty ako g (kN·s) alebo lb / h. Ktorákoľvek z týchto jednotiek je nepriamo úmerná konkrétnemu impulzu. A spotreba paliva sa široko používa na opis charakteristík prúdových motorov.

Všeobecná definícia

Pre všetky vozidlá môže byť špecifický impulz (stlačenie na jednotku hmotnosti paliva na Zemi) v sekundách určený nasledujúcou rovnicou.

Na objasnenie situácie je dôležité objasniť, že:

1. F-je štandardná gravitácia, ktorá je nominálne uvedená ako sila na povrchu Zeme, v m / s 2(alebo ft/S na druhú).
2. g - je hmotnostný prietok v kg / s, ktorý sa javí ako negatívny vzhľadom na rýchlosť zmeny hmotnosti vozidlo v čase (keď sa palivo vysunie).

Meranie

Anglická jednotka, libra, sa používa častejšie ako iné hodnoty. A tiež pri použití tejto hodnoty za sekundu pre prietok, pri konverzii sa konštanta g 0 stáva zbytočnou. Pretože sa stáva rozmerovo ekvivalentným librám deleným g 0.

I sp v sekundách je čas, počas ktorého môže zariadenie generovať špecifický ťahový impulz raketového motora vzhľadom na množstvo paliva, ktorého hmotnosť sa rovná príťažlivosti.

Výhodou tejto formulácie je, že sa môže použiť pre rakety, kde sa celá reakčná hmota prepravuje na palube, ako aj pre lietadlá, kde sa väčšina reakčnej hmoty odoberá z atmosféry. Okrem toho poskytuje výsledok, ktorý nezávisí od použitých jednotiek.

Špecifický impulz ako rýchlosť (efektívna rýchlosť výfukových plynov)

Kvôli geocentrickému koeficientu g 0 v rovnici mnohí uprednostňujú definovanie ťahu rakety (najmä) z hľadiska ťahu na jednotku hmotnosti prietoku paliva. Toto je rovnako platný (a v istom zmysle o niečo jednoduchší) spôsob určenia účinnosti špecifického impulzu raketového paliva. Ak vezmeme do úvahy ďalšie možnosti, situácia bude všade takmer rovnaká. Rakety určitého špecifického impulzu sú jednoducho efektívna rýchlosť výfukových plynov vzhľadom na zariadenie. Dva atribúty konkrétneho tlaku sú navzájom úmerné a súvisia takto.

Ak chcete použiť vzorec, je potrebné pochopiť, že:

1. I je špecifický impulz v sekundách.
2. v je tlak meraný v m / s. Ktorá sa rovná efektívnej rýchlosti výfukových plynov meranej v m / s (alebo ft/S, v závislosti od veľkosti g).
3. g je gravitačný štandard, 9,80665 m / s 2. V cisárskych jednotkách.32,174 ft / s 2.

Táto rovnica platí aj pre prúdové motory, ale v praxi sa používa zriedka.

Stojí to za to Poznámka, že sa niekedy používajú rôzne symboly. Napríklad c sa berie do úvahy aj pre rýchlosť výfukových plynov. Zatiaľ čo symbol sp možno logicky použiť pre UI in jednotky N * s / kg. Aby nedošlo k zámene, je vhodné si ho vyhradiť na konkrétnu hodnotu nameranú v sekundách pred začiatkom popisu.

Je to spôsobené ťahom alebo silou pohybu špecifického impulzu raketového motora, vzorca.

Tu m je hmotnostná spotreba paliva, čo je miera poklesu veľkosti vozidla.

Minimalizácia

Raketa musí niesť všetko svoje palivo. Preto sa musí hmotnosť nespálených potravín urýchliť spolu so samotným zariadením. Minimalizácia množstva paliva, potrebné na dosiahnutie daného ťahu je rozhodujúce pre vytvorenie efektívnych rakiet.

Tsiolkovského špecifický impulzný vzorec ukazuje, že pre raketu s danou prázdnou hmotnosťou a určitým množstvom paliva je možné celkovú zmenu rýchlosti dosiahnuť úmerne k efektívnej rýchlosti odtoku.

Kozmická loď bez pohonu sa pohybuje na obežnej dráhe, určené jeho trajektória a akékoľvek gravitačné pole. Odchýlky od zodpovedajúceho vzoru rýchlosti (nazývajú sa Δ v) sa dosiahnu nasmerovaním výfukových plynov hmotnostne v opačnom smere, ako sú potrebné zmeny.

Skutočná rýchlosť verzus efektívna rýchlosť

Tu stojí za zmienku, že tieto dva pojmy sa môžu výrazne líšiť. Napríklad, keď je raketa vypustená do atmosféry, tlak vzduchu mimo motora spôsobí brzdnú silu. Čo znižuje špecifický impulz a efektívna rýchlosť výfukových plynov klesá, zatiaľ čo skutočná impulznosť sa prakticky nemení. Okrem toho niekedy raketové motory majú samostatnú trysku pre turbínový plyn. Potom na výpočet efektívnej rýchlosti výfukových plynov je potrebné spriemerovať dva hmotnostné toky, ako aj zohľadniť akýkoľvek atmosférický tlak.

Zvýšenie efektivity

V prípade prúdových motorov dýchajúcich vzduch, najmä turbodúchadiel, sa skutočná rýchlosť uvoľňovania a efektívna rýchlosť líšia o niekoľko rádov. Je to spôsobené tým, že pri použití vzduchu ako reakčnej hmoty sa dosiahne významný ďalší impulz. To umožňuje lepšie koordinovať rýchlosť letu a rýchlosť výfukových plynov, čo šetrí energiu a palivo. A výrazne zvyšuje účinnú zložku pri súčasnom znížení skutočnej impulzivity.

Energie

Pre rakety a raketové motory, ako sú iónové modely, znamená sp nižšiu energetickú účinnosť.

V tomto vzorci v _e - je skutočná rýchlosť prúdu.

Preto je požadovaná sila úmerná každej rýchlosti výfukových plynov. Pri vyšších rýchlostiach je pre rovnaký ťah potrebný oveľa silnejší výkon, čo vedie k nižšej energetickej účinnosti na jednotku.

Celková energia pre misiu však závisí od celkovej spotreby paliva, ako aj od toho, koľko energie je potrebné na jednotku. Pre nízku rýchlosť výfukových plynov vzhľadom na misiu delta-v je potrebné obrovské množstvo reakčnej hmoty. V skutočnosti z tohto dôvodu nie je veľmi nízka rýchlosť výfukových plynov energeticky účinná. Ukazuje sa však, že žiadny typ nemá najvyšší možný výkon.

Variabilný

Teoreticky pre danú delta-v, v priestore, medzi všetkými pevnými hodnotami rýchlosti výfukových plynov, hodnota v_e= 0,6275 je energeticky najefektívnejšia pre danú konečnú hmotnosť. Ak sa chcete dozvedieť viac, môžete si pozrieť energiu v pohonnom systéme kozmickej lode.

Variabilná rýchlosť výfukových plynov však môže byť ešte energeticky účinnejšia. Napríklad, ak raketa zrýchľuje s určitou pozitívnou počiatočnou rýchlosťou pomocou rýchlosti výfukových plynov, ktorá sa rovná rýchlosti produktu, nestratí sa žiadna energia ako kinetická zložka reakčnej hmoty. Pretože sa stáva stacionárnym.