Specific Impulse (SP) är ett mått på hur effektivt en raket eller motor använder bränsle. Per definition är detta den totala överspänningen som levereras per förbrukad energienhet och är i storlek likvärdig med den genererade drivkraften dividerad med massflödet. Om kilogram används som enheten för drivmedel, så mäts specifik impuls i termer av hastighet. Om en vikt i newton eller pounds-force används istället, så uttrycks det specifika värdet i termer av tid, oftast i sekunder.
Multiplicera flödeshastigheten med standardgravitationen omvandlar GI till massa.
Tsiolkovskys ekvation
Den specifika impulsen från en motor med högre massa används mer effektivt för att generera dragkraft framåt. Och i fallet när en raket används krävs mindre bränsle. Det är han som behövs för detta delta-v. Enligt ekvationenTsiolkovsky, i den specifika impulsen från en raketmotor är motorn mer effektiv i klättring, avstånd och hastighet. Denna prestanda är mindre viktig i reaktiva modeller. Som använder vingar och uteluft för förbränning. Och bär en nyttolast som är mycket tyngre än bränsle.
Specifik impuls inkluderar rörelse som genereras av utomhusluft som används för förbränning och som förbrukas av använt bränsle. Jetmotorer använder den yttre atmosfären för detta. Och därför har de ett mycket högre UI än raketmotorer. Detta koncept, med tanke på den förbrukade massan av bränsle, har måttenheter för avstånd över tid. Som är ett konstgjort värde som kallas "effektiv avgashastighet". Detta är högre än den faktiska avgashastigheten. Eftersom massan av luft för förbränning inte tas med i beräkningen. Faktisk och effektiv avgashastighet är densamma i raketmotorer som inte använder luft eller vatten till exempel.
Allmänna överväganden
Mängden bränsle mäts vanligtvis i massenheter. Om den används är den specifika impulsen impulsen per EM, som, vilket framgår av storleksanalysen, har hastighetsenheter. Och så UI mäts ofta i meter per sekund. Och ofta kallad avgasens effektiva hastighet. Men om massa används visar sig den specifika impulsen för bränslet dividerat med kraften vara en tidsenhet. Så specifika tryck mäts i sekunder.
Det är den här regeln som är den viktigaste i den moderna världen, ofta använd medkoefficient r0 (gravitationsaccelerationens konstant på jordens yta).
Det är värt att notera att förändringshastigheten för raketens impuls (inklusive dess bränsle) per tidsenhet är lika med den specifika dragimpulsen.
Specifics
Ju högre tryck, desto mindre bränsle krävs för att generera en given dragkraft under en viss tid. I detta avseende är vätskan effektivare, ju större dess UI. Detta bör dock inte förväxlas med energieffektivitet, som kan minska med ökande dragkraft, eftersom motorns specifika impuls, som ger höga resultat, kräver mycket energi för att göra detta.
Det är också viktigt att särskilja och inte blanda ihop ett drag med ett specifikt tryck. UI skapas per enhet bränsle som förbrukas. Och dragkraft är den momentana eller toppkraften som genereras av en viss enhet. I många fall producerar framdrivningssystem med mycket hög specifik impuls - vissa joninstallationer når 10 000 sekunder - ger låg dragkraft.
När man beräknar trycket, tas endast hänsyn till bränslet som transporteras med fordonet före användning. Därför, för en raketkemist, kommer massan att innehålla både drivmedlet och oxidationsmedlet. För luftandade motorer tas endast hänsyn till mängden vätska, inte mängden luft som passerar genom motorn.
Atmosfäriskt motstånd och anläggningens oförmåga att upprätthålla hög specifik impuls vid höga förbränningshastigheter är just anledningen till att allt bränsle inte används så snabbt som möjligt.
Tyngreen motor med bra MI kanske inte är lika effektiv i klättring, distans eller hastighet som ett lätt instrument med dålig prestanda
Om det inte var för luftmotstånd och minskad bränsleförbrukning under flygning, skulle MI vara ett direkt mått på en motors effektivitet när det gäller att omvandla massa till framdrivning.
Specifik impuls på sekunder
Den vanligaste enheten för en viss push är Hs. Både i samband med SI och i fall där imperialistiska eller konventionella värden används. Fördelen med sekunder är att måttenheten och det numeriska värdet är samma för alla system och är i huvudsak universella. Nästan alla tillverkare listar sina motorprestanda på några sekunder. Och en sådan anordning är också användbar för att bestämma detaljerna för en flygplansanordning.
Att använda meter per sekund för att hitta den effektiva avgashastigheten är också ganska vanligt. Detta block är intuitivt när man beskriver raketmotorer, även om enheternas effektiva avgashastighet kan skilja sig betydligt från den faktiska. Detta beror troligen på att bränslet och oxidationsmedlet dumpas överbord efter att turbopumparna har slagits på. För luftandande jetmotorer har den effektiva avgashastigheten ingen fysisk betydelse. Även om det kan användas för jämförelsesyften.
Units
Värden uttryckta i Ns (i kilogram) är inte ovanliga och numeriskt lika med den effektiva avgashastigheten i m/s (från Newtons andra lag och hansdefinitioner).
En annan likvärdig enhet är specifik bränsleförbrukning. Den har måttenheter som g (kN s) eller lb/hr. Någon av dessa enheter är omvänt proportionell mot specifik impuls. Och bränsleförbrukningen används ofta för att beskriva prestanda hos jetmotorer.
Allmän definition
För alla fordon kan den specifika impulsen (tryck per viktenhet bränsle på jorden) i sekunder bestämmas med följande ekvation.
För att klargöra situationen är det viktigt att klargöra att:
- F är standardtyngdkraften, som nominellt anges som kraften på jordens yta, i m/s 2 (eller ft/s i kvadrat).
- g är massflödeshastigheten i kg/s, som verkar negativ med avseende på förändringshastigheten för fordonets massa över tiden (när bränslet trycks ut).
Mätning
Den engelska enheten, pundet, används oftare än andra enheter. Och även när man tillämpar detta värde per sekund för flödeshastigheten, vid konvertering, blir konstanten r 0 onödig. Eftersom det blir dimensionellt ekvivalent med pund dividerat med g 0.
I sp i sekunder är den tid under vilken enheten kan generera en specifik dragkraftsimpuls från en raketmotor, givet en mängd drivmedel vars vikt är lika med dragkraften.
Fördelen med denna formulering är att den kan användas tillraketer, där hela reaktionsmassan transporteras ombord, samt för flygplan, där det mesta av reaktionsmassan tas från atmosfären. Det ger också ett resultat som är oberoende av vilka enheter som används.
Specifik impuls som hastighet (effektiv avgashastighet)
På grund av den geocentriska faktorn g 0 i ekvationen föredrar många att definiera raketdragkraft (i synnerhet) i termer av dragkraft per massenhet bränsleflöde. Detta är ett lika giltigt (och på vissa sätt något enklare) sätt att bestämma den specifika impulseffektiviteten hos ett drivmedel. Om vi överväger andra alternativ kommer situationen att vara nästan överallt densamma. Raketer med en viss specifik impuls är helt enkelt den effektiva avgashastigheten i förhållande till enheten. De två attributen för en viss push är proportionella mot varandra och är relaterade enligt följande.
För att använda formeln måste du förstå att:
- I - specifik impuls i sekunder.
- v - tryck, mätt i m/s. Vilket är lika med den effektiva avgashastigheten, mätt i m/s (eller ft/s, beroende på värdet på g).
- g är gravitationsstandarden, 9,80665 m/s 2. I kejserliga enheter 32,174 ft/s 2.
Denna ekvation gäller även jetmotorer, men används sällan i praktiken.
Observera att ibland används olika tecken. Till exempel, c beaktas också för avgashastighet. Medan symbolensp kan logiskt användas för UI i enheter av N s/kg. För att undvika förvirring är det önskvärt att reservera det för ett specifikt värde, mätt i sekunder innan beskrivningens början.
Detta är relaterat till dragkraften eller rörelsekraften för raketmotorns specifika impuls, formeln.
Här m är massbränsleförbrukningen, vilket är graden av minskning av fordonets storlek.
Minimering
Raketen måste bära allt sitt drivmedel. Därför måste massan av oförbränd mat accelereras tillsammans med själva enheten. Att minimera mängden bränsle som behövs för att uppnå en given dragkraft är avgörande för att bygga effektiva raketer.
Tsiolkovskys specifika impulsformel visar att för en raket med en given tom massa och en viss mängd bränsle kan den totala hastighetsändringen uppnås i proportion till avgasernas effektiva hastighet.
En rymdfarkost utan propeller rör sig i en bana som bestäms av dess bana och eventuella gravitationsfält. Avvikelser från motsvarande hastighetsmönster (kallas Δv) uppnås genom att trycka avgasmassan i motsatt riktning mot den önskade förändringen.
Faktisk hastighet kontra effektiv hastighet
Här är det värt att notera att dessa två begrepp kan skilja sig markant. Till exempel, när en raket skjuts upp i atmosfären orsakar lufttrycket utanför motornbromskraft. Vilket minskar den specifika impulsen och den effektiva avgashastigheten minskar, samtidigt som den faktiska snabbheten förblir praktiskt taget oförändrad. Dessutom har ibland raketmotorer ett separat munstycke för turbingas. Beräkningen av den effektiva avgashastigheten kräver sedan ett medelvärde av de två massflödena samt hänsyn till eventuellt atmosfärstryck.
Öka effektiviteten
För luftandade jetmotorer, i synnerhet turbofläktar, skiljer sig den faktiska avgashastigheten och den effektiva hastigheten med flera storleksordningar. Detta beror på det faktum att när man använder luft som reaktionsmassa, uppnås ett betydande extra momentum. Detta möjliggör en bättre matchning mellan flyghastighet och avgashastighet, vilket sparar energi och bränsle. Och avsevärt ökar den effektiva komponenten samtidigt som den faktiska snabbheten minskar.
Energieffektivitet
För raketer och raketliknande motorer som jonmodeller innebär sp lägre energieffektivitet.
I den här formeln är v e den faktiska jethastigheten.
Därför är den erforderliga kraften proportionell mot varje avgashastighet. Vid högre hastigheter krävs mycket mer kraft för samma dragkraft, vilket resulterar i mindre energieffektivitet med en enhet.
Den totala energin för ett uppdrag beror dock på den totala bränsleförbrukningen samt hur mycket energi som krävs per enhet. För låg avgashastighetangående delta-v-uppdraget behövs enorma mängder reaktionsmassa. I själva verket, av denna anledning, är en mycket låg avgashastighet inte energieffektiv. Men det visar sig att ingen typ har de högsta poängen.
Variabel
Teoretiskt, för en given delta-v, i rymden, bland alla fasta avgashastighetsvärden, är ve=0,6275 den mest energieffektiva för en given slutlig massa. För att lära dig mer kan du se energin i rymdfarkostens framdrivningsapparat.
Men variabla avgashastigheter kan vara ännu mer energieffektiva. Till exempel, om en raket accelereras med någon positiv initial hastighet med användning av en avgashastighet som är lika med produktens hastighet, förloras ingen energi som en kinetisk komponent av reaktionsmassan. När den blir stillastående.
