Specific Impulse (SP) jest miarą tego, jak efektywnie rakieta lub silnik zużywa paliwo. Z definicji jest to całkowity udar dostarczany na jednostkę zużytej mocy i jest równy wielkością ciągu generowanego przez przepływ masowy. Jeśli jako jednostkę gazu pędnego stosuje się kilogramy, impuls właściwy jest mierzony jako prędkość. Jeśli zamiast tego używana jest masa w niutonach lub funtach-siła, wówczas konkretna wartość jest wyrażona w postaci czasu, najczęściej w sekundach.
Mnożenie prędkości przepływu przez standardową grawitację zamienia GI na masę.
Równanie Cielkowskiego
Impuls właściwy silnika o większej masie jest efektywniej wykorzystywany do generowania ciągu do przodu. A w przypadku użycia rakiety potrzeba mniej paliwa. To on jest potrzebny do tego delta-v. Zgodnie z równaniemTsiołkowski, w specyficznym impulsie silnika rakietowego, silnik jest bardziej wydajny we wznoszeniu, dystansie i prędkości. Ta wydajność jest mniej ważna w modelach reaktywnych. Które wykorzystują do spalania skrzydła i powietrze z zewnątrz. I przewoź ładunek, który jest znacznie cięższy niż paliwo.
Impuls właściwy obejmuje ruch generowany przez powietrze zewnętrzne wykorzystywane do spalania i niszczone przez wypalone paliwo. Silniki odrzutowe wykorzystują do tego atmosferę zewnętrzną. I dlatego mają znacznie wyższy interfejs użytkownika niż silniki rakietowe. Koncepcja ta, z punktu widzenia zużywanej masy paliwa, posiada jednostki miary odległości w czasie. Które są sztuczną wartością zwaną „efektywną prędkością spalin”. Jest to wyższa niż rzeczywista prędkość spalin. Ponieważ masa powietrza do spalania nie jest brana pod uwagę. Rzeczywista i efektywna prędkość spalin jest taka sama w silnikach rakietowych, które nie wykorzystują na przykład powietrza ani wody.
Zagadnienia ogólne
Ilość paliwa jest zwykle mierzona w jednostkach masy. Jeśli jest używany, to impulsem właściwym jest impuls na EM, który, jak pokazuje analiza wielkości, ma jednostki prędkości. I tak interfejs użytkownika jest często mierzony w metrach na sekundę. I często określana jako efektywna prędkość spalin. Jeśli jednak stosuje się masę, impuls właściwy paliwa podzielony przez siłę okazuje się jednostką czasu. I tak konkretne pchnięcia są mierzone w kilka sekund.
To właśnie ta zasada jest najważniejsza we współczesnym świecie, szeroko stosowana zwspółczynnik r0 (stała przyspieszenia grawitacyjnego na powierzchni Ziemi).
Warto zauważyć, że szybkość zmiany impulsu rakiety (włącznie z paliwem) na jednostkę czasu jest równa konkretnemu impulsowi ciągu.
Szczegóły
Im wyższy nacisk, tym mniej paliwa jest potrzebne do wygenerowania danego ciągu przez określony czas. Pod tym względem płyn jest bardziej skuteczny, im większy jest jego interfejs użytkownika. Nie należy tego jednak mylić z wydajnością energetyczną, która może spadać wraz ze wzrostem ciągu, ponieważ specyficzny impuls silnika, który daje wysokie wyniki, wymaga do tego dużo energii.
Również ważne jest, aby rozróżniać i nie mylić ciągnięcia z konkretnym pchnięciem. Interfejs użytkownika jest tworzony na jednostkę zużytego paliwa. A ciąg to chwilowa lub szczytowa siła generowana przez określone urządzenie. W wielu przypadkach układy napędowe o bardzo wysokim impulsie właściwym – niektóre instalacje jonowe osiągają 10 000 sekund – wytwarzają niski ciąg.
Przy obliczaniu nacisku brane jest pod uwagę tylko paliwo przewożone w pojeździe przed użyciem. Dlatego dla chemika zajmującego się rakietami masa będzie zawierała zarówno paliwo, jak i utleniacz. W przypadku silników z powietrzem pod uwagę brana jest tylko ilość cieczy, a nie masa powietrza przechodzącego przez silnik.
Opór atmosferyczny i niezdolność zakładu do utrzymania wysokiego impulsu właściwego przy wysokich wskaźnikach spalania to właśnie powód, dla którego całe paliwo nie jest zużywane tak szybko, jak to możliwe.
Cięższysilnik z dobrym MI może nie być tak skuteczny we wspinaczce, dystansie lub prędkości jak lekki instrument o słabych osiągach
Gdyby nie opór powietrza i zmniejszone zużycie paliwa podczas lotu, MI byłby bezpośrednią miarą wydajności silnika w przekształcaniu masy w napęd do przodu.
Właściwy impuls w sekundach
Najczęstszą jednostką dla konkretnego pushu jest Hs. Zarówno w kontekście SI, jak i w przypadkach, w których stosowane są wartości imperialne lub konwencjonalne. Zaletą sekund jest to, że jednostka miary i wartość liczbowa są takie same dla wszystkich systemów i są zasadniczo uniwersalne. Prawie wszyscy producenci podają osiągi swoich silników w kilka sekund. I takie urządzenie przydaje się również do określenia specyfiki urządzenia lotniczego.
Wykorzystywanie metrów na sekundę do obliczania efektywnej prędkości spalin jest również dość powszechne. Blok ten jest intuicyjny przy opisywaniu silników rakietowych, chociaż efektywna prędkość spalin urządzeń może znacznie różnić się od rzeczywistej. Jest to najprawdopodobniej spowodowane wyrzuceniem paliwa i utleniacza za burtę po włączeniu turbopomp. W przypadku silników odrzutowych oddychających powietrzem efektywna prędkość spalin nie ma znaczenia fizycznego. Chociaż może być używany do celów porównawczych.
Jednostki
Wartości wyrażone w Ns (w kilogramach) nie są niczym niezwykłym i są liczbowo równe efektywnej prędkości spalin w m / s (z drugiej zasady Newtona i jegodefinicje).
Inną równoważną jednostką jest jednostkowe zużycie paliwa. Posiada jednostki miary, takie jak g (kN s) lub lb/hr. Każda z tych jednostek jest odwrotnie proporcjonalna do impulsu właściwego. A zużycie paliwa jest powszechnie używane do opisu osiągów silników odrzutowych.
Definicja ogólna
W przypadku wszystkich pojazdów jednostkowy impuls (pchnięcie na jednostkę masy paliwa na Ziemi) w sekundach można określić za pomocą następującego równania.
Aby wyjaśnić sytuację, ważne jest, aby wyjaśnić, że:
- F to standardowa siła grawitacji, która jest nominalnie określana jako siła na powierzchni Ziemi, w m/s 2 (lub ft/s do kwadratu).
- g to masowe natężenie przepływu w kg/s, które wydaje się ujemne w stosunku do szybkości zmian masy pojazdu w czasie (w miarę wypychania paliwa).
Pomiar
Jednostka angielska, funt, jest częściej używana niż inne jednostki. A także przy zastosowaniu tej wartości na sekundę do natężenia przepływu, podczas konwersji stała r 0 staje się zbędna. Gdy staje się wymiarowo równoważne funtom podzielonym przez g 0.
I sp w sekundach to czas, przez który urządzenie może wygenerować określony impuls ciągu silnika rakietowego, biorąc pod uwagę ilość paliwa o masie równej ciągu.
Zaletą tego sformułowania jest to, że można go wykorzystać dorakiety, w których cała masa reakcyjna jest transportowana na pokładzie, a także samoloty, gdzie większość masy reakcyjnej jest pobierana z atmosfery. Daje również wynik niezależny od użytych jednostek.
Impuls właściwy jako prędkość (efektywna prędkość spalin)
Ze względu na czynnik geocentryczny g 0 w równaniu, wielu woli definiować ciąg rakiety (w szczególności) w kategoriach ciągu na jednostkę masy przepływu paliwa. Jest to równie ważny (i pod pewnymi względami nieco prostszy) sposób określania skuteczności impulsu właściwego paliwa. Jeśli rozważymy inne opcje, sytuacja będzie prawie wszędzie taka sama. Rakiety o określonym impulsie właściwym to po prostu efektywna prędkość spalin względem urządzenia. Te dwa atrybuty konkretnego pchnięcia są do siebie proporcjonalne i są powiązane w następujący sposób.
Aby użyć wzoru, musisz zrozumieć, że:
- I - impuls właściwy w sekundach.
- v - pchanie, mierzone w m/s. Która jest równa efektywnej prędkości spalin, mierzonej w m/s (lub ft/s, w zależności od wartości g).
- g to standard grawitacji, 9,80665 m/s 2. W jednostkach imperialnych 32,174 ft/s 2.
To równanie dotyczy również silników odrzutowych, ale jest rzadko używane w praktyce.
Zauważ, że czasami używane są różne znaki. Na przykład c jest również brane pod uwagę dla prędkości spalin. Podczas gdy symbolsp może być logicznie użyte dla UI w jednostkach N·s/kg. Aby uniknąć nieporozumień, wskazane jest zarezerwowanie go dla określonej wartości, mierzonej w sekundach przed rozpoczęciem opisu.
Jest to związane z ciągiem lub siłą ruchu określonego impulsu silnika rakietowego, wzór.
Tutaj m to masowe zużycie paliwa, które jest tempem spadku wielkości pojazdu.
Minimalizacja
Rakieta musi przenosić całe paliwo. Dlatego masa niespalonej żywności musi być przyspieszana wraz z samym urządzeniem. Minimalizacja ilości paliwa potrzebnego do osiągnięcia danego ciągu ma kluczowe znaczenie dla budowy wydajnych rakiet.
Wzór na impuls właściwy Tsiołkowskiego pokazuje, że dla rakiety o określonej masie własnej i określonej ilości paliwa, całkowita zmiana prędkości może być osiągnięta proporcjonalnie do efektywnej prędkości wydechu.
Statek kosmiczny bez śmigła porusza się po orbicie określonej przez jego trajektorię i dowolne pole grawitacyjne. Odchylenia od odpowiedniego wzorca prędkości (nazywanego Δv) są osiągane przez popychanie masy spalin w kierunku przeciwnym do pożądanej zmiany.
Prędkość rzeczywista a prędkość efektywna
Tutaj warto zauważyć, że te dwie koncepcje mogą się znacznie różnić. Na przykład, gdy rakieta zostaje wystrzelona w atmosferę, ciśnienie powietrza na zewnątrz silnika powoduje:siła hamowania. Co zmniejsza impuls jednostkowy i zmniejsza efektywną prędkość spalin, podczas gdy rzeczywista prędkość pozostaje praktycznie niezmieniona. Ponadto czasami silniki rakietowe mają oddzielną dyszę na gaz turbinowy. Obliczenie efektywnej prędkości spalin wymaga uśrednienia dwóch przepływów masowych, a także uwzględnienia ciśnienia atmosferycznego.
Zwiększenie wydajności
W przypadku silników odrzutowych z powietrzem, w szczególności turbowentylatorów, rzeczywista prędkość spalin i efektywna prędkość różnią się o kilka rzędów wielkości. Wynika to z faktu, że przy użyciu powietrza jako masy reakcyjnej uzyskuje się znaczny dodatkowy pęd. Pozwala to na lepsze dopasowanie prędkości powietrza do prędkości spalin, co pozwala zaoszczędzić energię i paliwo. I znacznie zwiększa efektywną składową przy jednoczesnym zmniejszeniu rzeczywistej szybkości.
Wydajność energetyczna
W przypadku rakiet i silników rakietopodobnych, takich jak modele jonowe, sp oznacza niższą wydajność energetyczną.
W tym wzorze v e jest rzeczywistą prędkością odrzutu.
Dlatego wymagana siła jest proporcjonalna do każdej prędkości spalin. Przy wyższych prędkościach dla tego samego ciągu wymagana jest znacznie większa moc, co skutkuje mniejszą wydajnością energetyczną o jedną jednostkę.
Jednak całkowita energia na misję zależy od całkowitego zużycia paliwa, a także od ilości energii potrzebnej na jednostkę. Dla niskiej prędkości wydechuw przypadku misji delta-v potrzebne są ogromne ilości masy reakcyjnej. W rzeczywistości z tego powodu bardzo niska prędkość spalin nie jest energooszczędna. Ale okazuje się, że żaden typ nie ma najwyższych wyników.
Zmienna
Teoretycznie, dla danej delta-v w przestrzeni, spośród wszystkich stałych wartości prędkości spalin, ve=0,6275 jest najbardziej wydajną energetycznie dla danej masy końcowej. Aby dowiedzieć się więcej, możesz zobaczyć energię w aparacie napędowym statku kosmicznego.
Jednak zmienne natężenia wydechu mogą być jeszcze bardziej energooszczędne. Na przykład, jeśli rakieta jest przyspieszana z pewną dodatnią prędkością początkową przy użyciu prędkości spalin równej prędkości produktu, żadna energia nie jest tracona jako kinetyczny składnik masy reakcyjnej. Gdy staje się nieruchomy.
