Специфичният импулс (SP) е мярка за това колко ефективно ракета или двигател използва гориво. По дефиниция това е общият удар, доставен за единица консумирана мощност и е еквивалентен по размер на генерираната тяга, разделена на масовия поток. Ако килограмите се използват като единица за гориво, тогава специфичният импулс се измерва по отношение на скоростта. Ако вместо това се използва тегло в нютони или паундове-сила, тогава конкретната стойност се изразява във време, най-често в секунди.
Умножаването на скоростта на потока по стандартната гравитация преобразува GI в маса.
уравнение на Циолковски
Специфичният импулс на двигателя с по-висока маса се използва по-ефективно за генериране на предна тяга. И в случай, че се използва ракета, се изисква по-малко гориво. Той е този, който е необходим за този delta-v. Според уравнениетоЦиолковски, в специфичния импулс на ракетния двигател, двигателят е по-ефективен при изкачване, разстояние и скорост. Тази производителност е по-малко важна при реактивните модели. Които използват крила и външен въздух за горене. И носете полезен товар, който е много по-тежък от горивото.
Специфичният импулс включва движение, генерирано от външния въздух, използван за горене и изчерпано от отработено гориво. Реактивните двигатели използват външната атмосфера за това. И следователно те имат много по-висок потребителски интерфейс от ракетните двигатели. Тази концепция, от гледна точка на консумираната маса гориво, има единици за измерване на разстоянието във времето. Които са изкуствена стойност, наречена "ефективна скорост на отработените газове". Това е по-високо от действителната скорост на изпускане. Тъй като масата на въздуха за горене не се взема предвид. Действителната и ефективната скорост на изпускане са еднакви при ракетни двигатели, които не използват въздух или вода например.
Общи съображения
Количеството гориво обикновено се измерва в единици за маса. Ако се използва, тогава специфичният импулс е импулсът на EM, който, както е показано от анализа на размера, има единици за скорост. И така потребителският интерфейс често се измерва в метри в секунда. И често се нарича ефективна скорост на отработените газове. Ако обаче се използва маса, специфичният импулс на горивото, разделен на силата, се оказва единица време. И така специфичните натискания се измерват в секунди.
Това правило е основното в съвременния свят, широко използванокоефициент r0 (константа на гравитационното ускорение на земната повърхност).
Заслужава да се отбележи, че скоростта на промяна на импулса на ракетата (включително нейното гориво) за единица време е равна на специфичния импулс на тяга.
Специфики
Колкото по-голям е тласъкът, толкова по-малко гориво е необходимо за генериране на дадена тяга за определен период от време. В това отношение течността е по-ефективна, колкото по-голям е нейният потребителски интерфейс. Това обаче не трябва да се бърка с енергийната ефективност, която може да намалее с увеличаване на тягата, тъй като специфичният импулс на двигателя, който дава високи резултати, изисква много енергия за това.
Също така, важно е да се разграничи и да не се бърка издърпването с конкретно натискане. UI се създава за единица изразходвано гориво. А тягата е моментната или пиковата сила, която се генерира от конкретно устройство. В много случаи системите за задвижване с много висок специфичен импулс - някои йонни инсталации достигат 10 000 секунди - произвеждат ниска тяга.
При изчисляване на бутането се взема предвид само горивото, което се носи с автомобила преди употреба. Следователно за ракетен химик масата ще включва както горивото, така и окислителя. За двигатели с въздушно дишане се взема предвид само количеството течност, а не масата на въздуха, преминаващ през двигателя.
Атмосферното съпротивление и невъзможността на централата да поддържа висок специфичен импулс при високи скорости на изгаряне е точно причината, поради която цялото гориво не се използва възможно най-бързо.
По-тежъкмотор с добър MI може да не е толкова ефективен при катерене, разстояние или скорост като лек инструмент с лошо представяне
Ако не беше съпротивлението на въздуха и намаленият разход на гориво по време на полет, MI щеше да бъде пряка мярка за ефективността на двигателя при преобразуване на масата в задвижване напред.
Специфичен импулс в секунди
Най-често срещаната единица за конкретно натискане е Hs. Както в контекста на SI, така и в случаите, когато се използват имперски или конвенционални стойности. Предимството на секундите е, че мерната единица и числовата стойност са еднакви за всички системи и по същество са универсални. Почти всички производители изброяват работата на двигателя си за секунди. И такова устройство е полезно и за определяне на спецификата на устройство на самолет.
Използването на метри в секунда за намиране на ефективната скорост на изпускане също е доста често срещано явление. Този блок е интуитивен при описание на ракетни двигатели, въпреки че ефективната скорост на изпускане на устройствата може да се различава значително от действителната. Това най-вероятно се дължи на изхвърлянето на горивото и окислителя зад борда след включване на турбопомпите. За реактивните двигатели с дишане на въздух ефективната скорост на изпускане няма физическо значение. Въпреки че може да се използва за сравнение.
Единици
Стойностите, изразени в Ns (в килограми), не са необичайни и са числено равни на ефективната скорост на изпускане в m/s (от втория закон на Нютон и неговияопределения).
Друга еквивалентна единица е специфичният разход на гориво. Той има мерни единици като g (kN s) или lb/hr. Всяка от тези единици е обратно пропорционална на специфичния импулс. А разходът на гориво се използва широко за описване на производителността на реактивните двигатели.
Обща дефиниция
За всички превозни средства специфичният импулс (натискане на единица тегло гориво на Земята) в секунди може да се определи чрез следното уравнение.
За да се изясни ситуацията, важно е да се изясни, че:
- F е стандартната сила на гравитацията, която номинално се посочва като мощност на земната повърхност, в m/s 2 (или ft/s на квадрат).
- g е масовият дебит в kg/s, който изглежда отрицателен по отношение на скоростта на промяна на масата на превозното средство с течение на времето (при изтласкване на гориво).
Измерване
Английската единица, паундът, се използва по-често от другите единици. И също така, когато се прилага тази стойност за секунда за скоростта на потока, при преобразуване, константата r 0 става ненужна. Тъй като стане размерно еквивалентен на паундове, разделени на g 0.
I sp в секунди е времето, за което устройството може да генерира специфичен импулс на тяга на ракетен двигател, като се има предвид количество гориво, чието тегло е равно на тяга.
Предимството на тази формулировка е, че може да се използваракети, където цялата реакционна маса се транспортира на борда, както и за самолети, където по-голямата част от реакционната маса се взема от атмосферата. Освен това дава резултат, който е независим от използваните единици.
Специфичен импулс като скорост (ефективна скорост на изпускане)
Поради геоцентричния фактор g 0 в уравнението, мнозина предпочитат да определят тягата на ракетата (в частност) по отношение на тяга за единица маса от потока на горивото. Това е също толкова валиден (и в някои отношения малко по-прост) начин за определяне на специфичната импулсна ефективност на горивото. Ако разгледаме други варианти, ситуацията ще бъде почти навсякъде една и съща. Ракетите с определен специфичен импулс са просто ефективната скорост на изпускане спрямо устройството. Двата атрибута на конкретно натискане са пропорционални един на друг и са свързани, както следва.
За да използвате формулата, трябва да разберете, че:
- I - специфичен импулс в секунди.
- v - натискане, измерено в m/s. Което е равно на ефективната скорост на отработените газове, измерена в m/s (или ft/s, в зависимост от стойността на g).
- g е стандартът на гравитацията, 9,80665 m/s 2. В имперски единици 32,174 ft/s 2.
Това уравнение важи и за реактивните двигатели, но рядко се използва на практика.
Обърнете внимание, че понякога се използват различни знаци. Например, c се разглежда и за скоростта на изпускане. Докато символътsp може логично да се използва за UI в единици от N s/kg. За да избегнете объркване, е желателно да го запазите за конкретна стойност, измерена в секунди преди началото на описанието.
Това е свързано с тягата или силата на движение на специфичния импулс на ракетния двигател, формулата.
Тук m е масовият разход на гориво, което е скоростта на намаляване на големината на превозното средство.
Минимизиране
Ракетата трябва да носи цялото си гориво. Следователно масата на неизгорялата храна трябва да се ускори заедно със самото устройство. Минимизирането на количеството гориво, необходимо за постигане на дадена тяга, е от решаващо значение за изграждането на ефективни ракети.
Специфичната импулсна формула на Циолковски показва, че за ракета с дадена празна маса и определено количество гориво, общата промяна в скоростта може да бъде постигната пропорционално на ефективната скорост на изгорелите газове.
Космически кораб без витло се движи в орбита, определена от неговата траектория и всяко гравитационно поле. Отклоненията от съответния модел на скоростта (наречен Δv) се постигат чрез избутване на масата на отработените газове в посока, обратна на желаната промяна.
Реална скорост спрямо ефективна скорост
Тук си струва да се отбележи, че тези две концепции могат да се различават значително. Например, когато ракета се изстреля в атмосферата, налягането на въздуха извън двигателя причиняваспирачна сила. Което намалява специфичния импулс и ефективната скорост на изпускане се намалява, докато действителната скорост остава практически непроменена. Освен това понякога ракетните двигатели имат отделна дюза за турбинен газ. Изчисляването на ефективната скорост на отработените газове изисква осредняване на двата масови потока, както и отчитане на всяко атмосферно налягане.
Увеличете ефективността
За реактивни двигатели с въздушно дишане, по-специално турбовентилаторни, действителната скорост на изпускане и ефективната скорост се различават с няколко порядъка. Това се дължи на факта, че при използване на въздух като реакционна маса се постига значителен допълнителен импулс. Това позволява по-добро съответствие между въздушната скорост и скоростта на изпускане, което спестява енергия и гориво. И значително увеличава ефективния компонент, като същевременно намалява действителната скорост.
Енергийна ефективност
За ракети и ракетоподобни двигатели, като йонни модели, sp предполага по-ниска енергийна ефективност.
В тази формула v e е действителната скорост на струята.
Следователно необходимата сила е пропорционална на всяка скорост на изпускане. При по-високи скорости се изисква много повече мощност за същата тяга, което води до по-малко енергийна ефективност с една единица.
Въпреки това, общата енергия за една мисия зависи от общото потребление на гориво, както и от това колко енергия е необходима на единица. За ниска скорост на изпусканепо отношение на мисията delta-v са необходими огромни количества реакционна маса. Всъщност поради тази причина много ниската скорост на изпускане не е енергийно ефективна. Но се оказва, че нито един тип няма най-високи резултати.
Променлива
Теоретично, за дадена делта-v, в пространството, сред всички фиксирани стойности на скоростта на изпускане, ve=0,6275 е най-енергийно ефективната за дадена крайна маса. За да научите повече, можете да видите енергията в задвижващия апарат на космическия кораб.
Въпреки това, променливите скорости на изпускане могат да бъдат дори по-енергийно ефективни. Например, ако ракета се ускори с някаква положителна начална скорост, използвайки скорост на изпускане, която е равна на скоростта на продукта, не се губи енергия като кинетичен компонент на реакционната маса. Когато стане неподвижен.
