Specific Impulse (SP) er et mål for, hvor effektivt en raket eller motor bruger brændstof. Per definition er dette den samlede overspænding leveret pr. forbrugt strømenhed og svarer i størrelse til det frembragte tryk divideret med massestrømmen. Hvis kilogram bruges som drivmiddelenhed, så måles specifik impuls i form af hastighed. Hvis der i stedet bruges en vægt i newton eller pund-kraft, så udtrykkes den specifikke værdi i tid, oftest i sekunder.
Multiplikation af strømningshastigheden med standardtyngdekraften konverterer GI til masse.
Tsiolkovsky-ligning
Den specifikke impuls fra en motor med større masse bruges mere effektivt til at generere fremadgående træk. Og i det tilfælde, hvor en raket bruges, kræves der mindre brændstof. Det er ham, der er brug for til dette delta-v. Ifølge ligningenTsiolkovsky, i den specifikke impuls fra en raketmotor er motoren mere effektiv i klatring, distance og hastighed. Denne ydeevne er mindre vigtig i reaktive modeller. Som bruger vinger og udeluft til forbrænding. Og bære en nyttelast, der er meget tungere end brændstof.
Specifik impuls omfatter bevægelse genereret af luft udefra, der bruges til forbrænding, og som udtømmes af brugt brændsel. Jetmotorer bruger den udendørs atmosfære til dette. Og derfor har de en meget højere UI end raketmotorer. Dette koncept, set ud fra den forbrugte masse af brændstof, har måleenheder for afstand over tid. Som er en kunstig værdi kaldet "effektiv udstødningsgashastighed". Dette er højere end den faktiske udstødningshastighed. Fordi der ikke tages højde for massen af luft til forbrænding. Faktisk og effektiv udstødningshastighed er den samme i raketmotorer, der f.eks. ikke bruger luft eller vand.
Generelle overvejelser
Mængden af brændstof måles norm alt i masseenheder. Hvis det bruges, så er den specifikke impuls impulsen pr. EM, som, som vist af størrelsesanalysen, har hastighedsenheder. Og så UI måles ofte i meter per sekund. Og ofte omt alt som udstødningens effektive hastighed. Men hvis der bruges masse, viser brændstoffets specifikke impuls divideret med kraften sig at være en tidsenhed. Så specifikke skub bliver målt i sekunder.
Det er denne regel, der er den vigtigste i den moderne verden, meget brugt medkoefficient r0 (konstant for gravitationsacceleration på jordens overflade).
Det er værd at bemærke, at ændringshastigheden af rakettens impuls (inklusive dens brændstof) pr. tidsenhed er lig med den specifikke trykimpuls.
Specifics
Jo højere tryk, jo mindre brændstof kræves der for at generere en given fremdrift i et vist tidsrum. I denne henseende er væsken mere effektiv, jo større dens brugergrænseflade. Dette må dog ikke forveksles med energieffektivitet, som kan falde med stigende trækkraft, da motorens specifikke impuls, som giver høje resultater, kræver meget energi for at gøre dette.
Det er også vigtigt at skelne og ikke forveksle et træk med et specifikt skub. UI oprettes pr. brændstofenhed, der forbruges. Og tryk er den øjeblikkelige eller spidskraft, der genereres af en bestemt enhed. I mange tilfælde producerer meget høje specifikke impulsfremdrivningssystemer - nogle ioninstallationer når 10.000 sekunder - lavt tryk.
Ved beregning af skub tages der kun hensyn til det brændstof, der medbringes med køretøjet før brug. Derfor vil massen for en raketkemiker omfatte både drivmidlet og oxidationsmidlet. For luftindåndede motorer tages der kun hensyn til mængden af væske, ikke massen af luft, der passerer gennem motoren.
Atmosfærisk luftmodstand og anlæggets manglende evne til at opretholde høj specifik impuls ved høje forbrændingshastigheder er netop årsagen til, at al brændstoffet ikke bliver brugt så hurtigt som muligt.
Tyngreen motor med god MI er muligvis ikke så effektiv i klatring, distance eller hastighed som et let instrument med dårlig ydeevne
Hvis det ikke var for luftmodstand og reduceret brændstofforbrug under flyvning, ville MI være et direkte mål for en motors effektivitet til at omdanne masse til fremdrift.
Specifik impuls på sekunder
Den mest almindelige enhed for et bestemt tryk er Hs. Både i forbindelse med SI og i tilfælde, hvor kejserlige eller konventionelle værdier bruges. Fordelen ved sekunder er, at måleenheden og den numeriske værdi er den samme for alle systemer og i det væsentlige er universelle. Næsten alle producenter angiver deres motorydelse på få sekunder. Og sådan en anordning er også nyttig til at bestemme detaljerne for en flyanordning.
At bruge meter pr. sekund til at finde den effektive udstødningshastighed er også ret almindeligt. Denne blok er intuitiv, når raketmotorer beskrives, selvom enhedernes effektive udstødningshastighed kan afvige væsentligt fra den faktiske. Dette skyldes højst sandsynligt, at brændstoffet og oxidationsmidlet er dumpet over bord, efter at turbopumperne er tændt. For luftåndende jetmotorer har den effektive udstødningshastighed ingen fysisk betydning. Selvom det kan bruges til sammenligningsformål.
Units
Værdier udtrykt i Ns (i kilogram) er ikke ualmindelige og numerisk lig med den effektive udstødningshastighed i m/s (fra Newtons anden lov og hansdefinitioner).
En anden tilsvarende enhed er specifikt brændstofforbrug. Den har måleenheder såsom g (kN s) eller lb/hr. Enhver af disse enheder er omvendt proportional med specifik impuls. Og brændstofforbrug er meget brugt til at beskrive ydeevnen af jetmotorer.
Generel definition
For alle køretøjer kan den specifikke impuls (skub pr. vægtenhed brændstof på Jorden) i sekunder bestemmes ved hjælp af følgende ligning.
For at afklare situationen er det vigtigt at præcisere, at:
- F er standardtyngdekraften, der nominelt er angivet som kraften på jordens overflade, i m/s 2 (eller ft/s i kvadrat).
- g er massestrømningshastigheden i kg/s, som forekommer negativ i forhold til ændringshastigheden af køretøjets masse over tid (efterhånden som brændstof skubbes ud).
Measurement
Den engelske enhed, pundet, er mere almindeligt brugt end andre enheder. Og også ved anvendelse af denne værdi pr. sekund for flowhastigheden, ved konvertering, bliver konstanten r 0 unødvendig. Da det bliver dimensionelt ækvivalent med pund divideret med g 0.
I sp i sekunder er den tid, hvori enheden kan generere en specifik trykimpuls fra en raketmotor, givet en mængde drivmiddel, hvis vægt er lig med tryk.
Fordelen ved denne formulering er, at den kan bruges tilraketter, hvor hele reaktionsmassen transporteres om bord, samt til fly, hvor det meste af reaktionsmassen tages fra atmosfæren. Det giver også et resultat, der er uafhængigt af de anvendte enheder.
Specifik impuls som hastighed (effektiv udstødningshastighed)
På grund af den geocentriske faktor g 0 i ligningen foretrækker mange at definere rakettryk (især) i form af tryk pr. masseenhed brændstofstrøm. Dette er en lige så gyldig (og på nogle måder noget enklere) måde at bestemme den specifikke impulseffektivitet for et drivmiddel. Hvis vi overvejer andre muligheder, vil situationen næsten over alt være den samme. Raketter med en bestemt specifik impuls er simpelthen den effektive udstødningshastighed i forhold til enheden. De to attributter for et bestemt push er proportionale med hinanden og er relateret som følger.
For at bruge formlen skal du forstå, at:
- I - specifik impuls i sekunder.
- v - tryk, målt i m/s. Som er lig med den effektive udstødningshastighed, målt i m/s (eller ft/s, afhængig af værdien af g).
- g er tyngdekraftens standard, 9,80665 m/s 2. I kejserlige enheder 32,174 ft/s 2.
Denne ligning gælder også for jetmotorer, men bruges sjældent i praksis.
Bemærk, at der nogle gange bruges forskellige tegn. For eksempel tages c også i betragtning for udstødningshastighed. Mens symboletsp kan logisk bruges til UI i enheder på N s/kg. For at undgå forvirring er det ønskeligt at reservere den til en bestemt værdi, målt i sekunder før starten af beskrivelsen.
Dette er relateret til trykket eller bevægelseskraften af raketmotorens specifikke impuls, formlen.
Her er m massebrændstofforbruget, som er faldet i køretøjets størrelse.
Minimering
Raketten skal bære alt sin drivmiddel. Derfor skal massen af uforbrændt mad accelereres sammen med selve enheden. At minimere mængden af brændstof, der er nødvendig for at opnå en given fremdrift, er afgørende for at bygge effektive raketter.
Tsiolkovskys specifikke impulsformel viser, at for en raket med en given tom masse og en vis mængde brændstof kan den totale hastighedsændring opnås i forhold til udstødningens effektive hastighed.
Et rumfartøj uden propel bevæger sig i en bane, der er bestemt af dets bane og ethvert gravitationsfelt. Afvigelser fra det tilsvarende hastighedsmønster (kaldet Δv) opnås ved at skubbe udstødningsgasmassen i modsat retning af den ønskede ændring.
Faktisk hastighed versus effektiv hastighed
Her er det værd at bemærke, at disse to begreber kan adskille sig væsentligt fra hinanden. For eksempel, når en raket affyres i atmosfæren, forårsager lufttrykket uden for motorenbremsekraft. Hvilket reducerer den specifikke impuls og den effektive udstødningshastighed reduceres, mens den faktiske hurtighed forbliver praktisk t alt uændret. Derudover har raketmotorer nogle gange en separat dyse til turbinegas. Beregningen af den effektive udstødningshastighed kræver så et gennemsnit af de to massestrømme samt at tage højde for ethvert atmosfærisk tryk.
Øg effektiviteten
For luftindåndede jetmotorer, især turbofans, varierer den faktiske udstødningshastighed og effektive hastighed med flere størrelsesordener. Dette skyldes, at når man bruger luft som reaktionsmasse, opnås et betydeligt ekstra momentum. Dette giver mulighed for et bedre match mellem lufthastighed og udstødningshastighed, hvilket sparer energi og brændstof. Og øger den effektive komponent markant, samtidig med at den faktiske hurtighed reduceres.
Energieffektivitet
For raketter og raketlignende motorer såsom ionmodeller betyder sp lavere energieffektivitet.
I denne formel er v e den faktiske jethastighed.
Derfor er den nødvendige kraft proportional med hver udstødningshastighed. Ved højere hastigheder kræves der meget mere kraft til det samme tryk, hvilket resulterer i mindre energieffektivitet med én enhed.
Den samlede energi til en mission afhænger dog af det samlede brændstofforbrug samt hvor meget energi der kræves pr. enhed. Til lav udstødningshastighedangående delta-v missionen er der brug for enorme mængder reaktionsmasse. Faktisk er en meget lav udstødningshastighed af denne grund ikke energieffektiv. Men det viser sig, at ingen type har den højeste score.
Variabel
Teoretisk set er ve=0,6275 for en given delta-v i rummet blandt alle faste udstødningshastighedsværdier den mest energieffektive for en given slutmasse. For at lære mere kan du se energien i rumfartøjets fremdriftsapparat.
Men variable udstødningshastigheder kan være endnu mere energieffektive. For eksempel, hvis en raket accelereres med en positiv begyndelseshastighed ved hjælp af en udstødningshastighed, der er lig med produkthastigheden, går der ingen energi tabt som en kinetisk komponent af reaktionsmassen. Når den bliver stationær.
