Specifični impuls: definicija pojma, karakteristika, proračun

Specifični impuls (UI) je mjera koliko efikasno raketa ili motor koriste gorivo. Po definiciji, ovo je ukupni isporučeni prenapon po jedinici potrošene energije i po veličini je ekvivalentan generiranom potisku podijeljenom masenim protokom. Ako se kilogrami koriste kao jedinica pogonskog goriva, tada se specifični impuls mjeri u brzini. Ako se umjesto toga koristi težina u njutnima ili sila funte, tada se određena vrijednost izražava u vremenu, najčešće u sekundama.

Množenje brzine protoka sa standardnom gravitacijom pretvara UI u masu.

Jednačina Ciolkovskog

Specifični impuls motora veće mase efikasnije se koristi za stvaranje potiska naprijed. A u slučaju kada se koristi raketa, potrebno je manje goriva. On je taj koji je potreban za ovu delta-v. Prema jednačini Tsiolkovskog, u specifičnom impulsu raketnog motora, motor je efikasniji pri penjanju na visinu, udaljenost i brzinu. Ove performanse su manje važne u reaktivnim modelima. Koji koriste krila i spoljašnji vazduh za sagorevanje. I nose teret koji je mnogo teži od goriva.

Specifični impuls uključuje kretanje koje generiše spoljni vazduh, koji se koristi za sagorevanje i iscrpljuje istrošeno gorivo. Mlazni motori koriste vanjsku atmosferu za ovo. I stoga imaju mnogo veći korisnički interfejs od raketnih motora. Ovaj koncept, sa stanovišta potrošene mase goriva, ima jedinice mjerenja udaljenosti tokom vremena. Koji predstavljaju veštačku veličinu koja se zove "efikasna brzina izduvnih gasova". Ovo je veće od stvarne naglosti izduvnih gasova. Zato što se masa vazduha gorenje ne uzima u obzir. Stvarna i efikasna brzina izduvnih gasova je ista kod raketnih motora koji ne koriste vazduh ili, na primer, vodu.

Opšta razmatranja

Količina goriva se obično mjeri u jedinicama za masu. Ako se koristi, onda je specifični potisak impuls na njemu, koji, kako pokazuje analiza veličine, ima jedinice brzine. I zato se UI često mjeri u metrima u sekundi. I često se nazivaju efikasna brzina izduvnih gasova. Međutim, ako se koristi masa, specifični impuls goriva podijeljen silom ispada jedinica vremena. Stoga se specifični šokovi mjere u sekundama.

, ovo je glavno pravilo u modernom svijetu, široko korišteno s koeficijentom g₀ (konstanta od gravitacionog ubrzanja na površini Zemlje).

Vrijedi napomenuti da je brzina promjene impulsa rakete (uključujući njeno gorivo) u jedinici vremena jednaka specifičnom impulsu potiska.

Specifičnost

Što je veći potisak, potrebno je manje goriva za stvaranje datog potiska određeno vrijeme. U tom pogledu, što je tečnost efikasnija, to je njen korisnički interfejs više. Međutim, to ne treba miješati s energetskom efikasnošću, koja se može smanjiti s povećanjem potiska, jer specifični impuls motora, koji daje visoke rezultate, za to zahtijeva puno energije.

Pored toga, važno je razlikovati i ne zbuniti potisak i specifičan potisak. UI se kreira po jedinici potrošenog goriva. A potisak je trenutna ili vršna sila koju generiše određeni uređaj. U mnogim slučajevima, pogonski sistemi sa veoma visokim specifičnim impulsom-neke jonske instalacije dostižu 10.000 sekundi — stvaraju mali potisak.

Prilikom izračunavanja pritiska uzima se u obzir samo gorivo koje se prevozi sa vozilom prije upotrebe. Stoga će za hemijsku raketu masa uključivati oba gorivo i oksidator. Za motore za disanje vazduha uzima se u obzir samo količina tečnosti, a ne masa vazduha koja prolazi kroz motor.

Otpornost atmosfere i nemogućnost instalacije da održi visok specifični impuls pri visokoj brzini sagorevanja je upravo razlog zašto se svo gorivo ne koristi što je brže moguće gorenje.

Teži motor sa dobrim korisničkim interfejsom možda neće biti tako efikasan na nadmorskoj visini, udaljenosti ili brzini kao lagani uređaj sa niskim indikatorima

Da nije bilo otpora vazduha i smanjeno gorivo potrošnja tokom leta, Korisnički interfejs bila bi direktna mjera efikasnosti motora u pretvaranju mase u kretanje naprijed.

Specifični impuls u sekundama

Najčešća jedinica za određeni pritisak je H * s. I u kontekstu SI, i u slučajevima kada se koriste imperijalne ili obične vrijednosti. Prednost sekundi je u tome što su mjerna jedinica i numerička vrijednost iste za sve sisteme i u osnovi su univerzalne. Gotovo svi proizvođači označavaju svoje karakteristike motora za nekoliko sekundi. A takav je uređaj koristan i za određivanje specifičnosti uređaja aviona.

Upotreba metara u sekundi za pronalaženje efektivne brzine izduvnih gasova je takođe prilično česta. Ovaj blok je intuitivan kada se opisuju raketni motori, iako se efikasna brzina izduvnih gasova uređaja može značajno razlikovati od stvarne. To je najvjerovatnije posljedica goriva i oksidatora koji se bacaju u more nakon što su turbopumps uključeni. Za mlazne motore sa disanjem vazduha, efikasna brzina izduvnih gasova nema fizičkog smisla. Iako se može koristiti u svrhe poređenja.

Jedinice

Vrijednosti izražene u N * s (u kilogramima) nisu neuobičajene i brojčano su jednake efektivnoj brzini izduvnih gasova u m / s (iz Newtonovog drugog zakona i njegove definicije).

Druga ekvivalentna jedinica je specifična potrošnja goriva. Ima mjerne vrijednosti kao što su g (kN·s) ili lb / hr. Bilo koja od ovih jedinica obrnuto je proporcionalna specifičnom impulsu. A potrošnja goriva se široko koristi za opisivanje karakteristika mlaznih motora.

Opšta definicija

Za sva vozila, specifični impuls (guranje po jedinici težine goriva na tlu) u sekundama može se odrediti sljedećom jednačinom.

Za razjašnjavanje situacije važno je to razjasniti:

1. F-je standardna gravitacija, koja je nominalno navedena kao snaga na površini Zemlje, u m / s 2 (ili ft / s na kvadrat).
2. G-je maseni protok u kg / s, koji se čini negativnim u odnosu na brzinu promjene mase vehicle vremenom (kada se gorivo izbacuje).

Mjerenje

Engleska jedinica, funta, češće se koristi od drugih vrijednosti. A također i prilikom primjene ove vrijednosti u sekundi za brzinu protoka, prilikom pretvaranja konstanta g 0 postaje nepotrebna. Budući da postaje dimenzionalno ekvivalentan funtama podijeljenim sa g 0.

I sp u sekundama je vrijeme tokom kojeg uređaj može proizvesti određeni impuls potiska raketnog motora, s obzirom na količinu goriva čija je težina jednaka privlačenju.

Prednost ove formulacije je u tome što se može koristiti za rakete, gdje se cijela reakcijska masa nosi na brodu, kao i za avione, gdje se većina reakcijske mase uzima iz atmosfere. Osim toga, daje rezultat koji ne ovisi o korištenim jedinicama.

Specifični impuls kao brzina (efikasna brzina izduvnih gasova)

Zbog geocentričnog koeficijenta g 0 u jednačini, mnogi radije definiraju potisak rakete (posebno) u smislu potiska po jedinici mase protoka goriva. Ovo je jednako valjan (i u nekom smislu pomalo jednostavniji) način za određivanje efikasnosti specifičnog impulsa raketnog goriva. Ako uzmemo u obzir druge opcije, situacija će svuda biti skoro ista. Rakete određenog specifičnog impulsa jednostavno su efikasna brzina izduvnih gasova u odnosu na uređaj. Dva atributa određenog pritiska su proporcionalna jedan drugom i povezana su na sljedeći način.

Za korištenje formule potrebno je to razumjeti:

1. I je specifični impuls za nekoliko sekundi.
2. v je pritisak mjeren u m / s. Što je jednako efektivnoj brzini izduvnih gasova mjerenoj u m/s (ili ft/s, ovisno o veličini g).
3. G je gravitacioni standard, 9,80665 m / s 2. U carskim jedinicama.32,174 ft / s 2.

Ova jednačina vrijedi i za mlazne motore, ali se rijetko koristi u praksi.

To vrijedi bilježenje, da se ponekad koriste različiti simboli. Na primjer, c se također uzima u obzir za brzinu izduvnih gasova. Dok se simbol sp logično može koristiti za UI in jedinice za N · s / kg. Da biste izbjegli zabunu, poželjno je rezervirati je za određenu vrijednost izmjerenu u sekundama prije početka opisa.

To je posljedica potiska ili sile kretanja specifičnog impulsa raketnog motora, formule.

Ovdje je m masovna potrošnja goriva, što je stopa smanjenja veličine vozila.

Minimizacija

Raketa mora nositi svo svoje gorivo. Stoga se masa neizgorene hrane mora ubrzati zajedno sa samim uređajem. Minimiziranje količine goriva, potrebno za za postizanje ovog potiska, ključno je za stvaranje efikasnih raketa.

Formula specifičnog impulsa Tsiolkovsky pokazuje da se za raketu sa datom praznom masom i određenom količinom goriva ukupna promjena brzine može postići proporcionalno efektivnoj brzini odliva.

Svemirska letjelica bez pogona kreće se po orbiti, određeno njegovim putanja i bilo koje gravitaciono polje. Odstupanja od odgovarajuće šeme brzine (zovu se Δ v) postižu se ciljanjem izduvnih gasova masom u smjeru suprotnom od potrebnih promjena.

Stvarna brzina u odnosu na efektivnu brzinu

Ovdje vrijedi napomenuti da se ova dva koncepta mogu značajno razlikovati. Na primjer, kada se raketa lansira u atmosferu, pritisak vazduha izvan motora uzrokuje silu kočenja. Što smanjuje specifični impuls, a efektivna brzina izduvnih gasova se smanjuje, dok se stvarna naglost praktično ne mijenja. Pored toga, ponekad raketni motori imaju zasebnu mlaznicu za turbinski gas. Zatim, za izračunavanje efektivne brzine izduvnih gasova, potrebno je prosječiti dva masena toka, kao i uzeti u obzir bilo koji atmosferski pritisak.

Povećanje efikasnosti

Za mlazne motore koji udišu vazduh, posebno turboventilatore, stvarna brzina oslobađanja i efikasna brzina razlikuju se za nekoliko redova veličine. To je zbog činjenice da se upotrebom vazduha kao reakcione mase postiže značajan dodatni impuls. Ovo omogućava bolju koordinaciju brzine vazduha i brzine izduvnih gasova, što štedi energiju i gorivo. I značajno povećava efektivnu komponentu istovremeno smanjujući stvarnu naglost.

Energetska efikasnost

Za rakete i raketne motore, poput ionskih modela, sp podrazumijeva nižu energetsku efikasnost.

U ovoj formuli, v _e - da li je stvarna brzina mlaza.

Stoga je potrebna sila proporcionalna svakoj brzini izduvnih gasova. Pri većim brzinama potrebna je mnogo jača snaga za isti potisak, što dovodi do manje energetske efikasnosti po jedinici.

Međutim, ukupna energija za misiju ovisi o ukupnoj potrošnji goriva, kao i o tome koliko je energije potrebno po jedinici. Za nisku brzinu izduvnih gasova u odnosu na misiju delta-v potrebne su ogromne količine reakcione mase. U stvari, iz tog razloga, vrlo mala brzina izduvnih gasova nije energetski efikasna. Ali ispostavilo se da nijedan tip nema najviše moguće performanse.

Varijabla

Teoretski, za dati delta-v, u prostoru, među svim fiksnim vrijednostima brzine izduvnih gasova, vrijednost v_e=0,6275 je energetski najefikasniji za datu konačnu masu. Da biste saznali više, možete vidjeti energiju u pogonskom sistemu svemirske letjelice.

Međutim, promjenjiva brzina izduvnih gasova može biti još energetski efikasnija. Na primjer, ako raketa ubrzava s nekom pozitivnom početnom brzinom koristeći brzinu izduvnih gasova, koja je jednaka brzini proizvoda, energija se ne gubi kao kinetička komponenta reakcijske mase. Pošto postaje nepomičan.