Špecifický impulz (SP) je miera toho, ako efektívne raketa alebo motor využíva palivo. Podľa definície ide o celkový nárast na jednotku spotrebovanej energie a veľkosťou zodpovedá generovanému ťahu vydelenému hmotnostným prietokom. Ak sa ako jednotka pohonnej látky použijú kilogramy, potom sa špecifický impulz meria z hľadiska rýchlosti. Ak sa namiesto toho použije hmotnosť v newtonoch alebo librách, konkrétna hodnota je vyjadrená v čase, najčastejšie v sekundách.
Vynásobením rýchlosti prúdenia štandardnou gravitáciou sa GI prevedie na hmotnosť.
Tsiolkovského rovnica
Špecifický impulz motora s vyššou hmotnosťou sa efektívnejšie využíva na generovanie ťahu dopredu. A v prípade použitia rakety je potrebné menej paliva. Je to on, kto je potrebný pre toto delta-v. Podľa rovniceTsiolkovsky, v špecifickom impulze raketového motora, motor je efektívnejší pri stúpaní, vzdialenosti a rýchlosti. Tento výkon je menej dôležitý v reaktívnych modeloch. Ktoré využívajú na spaľovanie krídla a vonkajší vzduch. A noste náklad, ktorý je oveľa ťažší ako palivo.
Špecifický impulz zahŕňa pohyb generovaný vonkajším vzduchom používaným na spaľovanie a vyčerpaný vyhoreným palivom. Prúdové motory na to využívajú vonkajšiu atmosféru. A preto majú oveľa vyššie UI ako raketové motory. Tento koncept má z hľadiska spotrebovanej hmotnosti paliva jednotky merania vzdialenosti v čase. Ktoré sú umelou hodnotou nazývanou „efektívna rýchlosť výfukových plynov“. To je vyššie ako skutočná rýchlosť výfuku. Pretože sa neberie do úvahy hmotnosť vzduchu na spaľovanie. Skutočná a efektívna rýchlosť výfuku je rovnaká v raketových motoroch, ktoré napríklad nepoužívajú vzduch alebo vodu.
Všeobecné úvahy
Množstvo paliva sa zvyčajne meria v jednotkách hmotnosti. Ak sa použije, potom špecifický impulz je impulz na EM, ktorý, ako ukazuje analýza veľkosti, má jednotky rýchlosti. A tak sa UI často meria v metroch za sekundu. A často označovaná ako efektívna rýchlosť výfuku. Ak sa však použije hmotnosť, špecifický impulz paliva vydelený silou sa ukáže ako jednotka času. A tak sa konkrétne stlačenia merajú v sekundách.
Práve toto pravidlo je hlavné v modernom svete, ktoré sa bežne používakoeficient r0 (konštanta gravitačného zrýchlenia na zemskom povrchu).
Za zmienku stojí, že rýchlosť zmeny impulzu rakety (vrátane paliva) za jednotku času sa rovná špecifickému impulzu ťahu.
Specific
Čím vyšší je tlak, tým menej paliva je potrebné na vytvorenie daného ťahu po určitý čas. V tomto ohľade je kvapalina účinnejšia, čím väčšia je jej UI. Netreba si to však zamieňať s energetickou účinnosťou, ktorá môže klesať so zvyšujúcim sa ťahom, pretože špecifický impulz motora, ktorý dáva vysoké výsledky, si na to vyžaduje veľa energie.
Tiež je dôležité rozlišovať a nezamieňať si ťah s konkrétnym tlakom. UI sa vytvára na jednotku spotrebovaného paliva. A ťah je okamžitá alebo špičková sila, ktorú generuje konkrétne zariadenie. V mnohých prípadoch hnacie systémy s veľmi vysokým špecifickým impulzom – niektoré iónové inštalácie dosahujú 10 000 sekúnd – produkujú nízky ťah.
Pri výpočte tlaku sa berie do úvahy iba palivo, ktoré sa preváža s vozidlom pred použitím. Preto pre raketového chemika bude hmota zahŕňať hnaciu látku aj okysličovadlo. V prípade motorov s vdychovaním vzduchu sa berie do úvahy iba množstvo kvapaliny, nie množstvo vzduchu prechádzajúceho motorom.
Atmosférický odpor a neschopnosť elektrárne udržať vysoký špecifický impulz pri vysokých rýchlostiach horenia je presne tým dôvodom, prečo sa všetko palivo nespotrebuje tak rýchlo, ako je to možné.
Ťažšiemotor s dobrým MI nemusí byť taký účinný pri stúpaní, vzdialenosti alebo rýchlosti ako ľahký nástroj so slabým výkonom
Ak by nešlo o odpor vzduchu a zníženú spotrebu paliva počas letu, MI by bol priamym meradlom účinnosti motora pri premene hmotnosti na pohon dopredu.
Špecifický impulz v sekundách
Najčastejšou jednotkou pre konkrétne stlačenie je Hs. V kontexte SI aj v prípadoch, keď sa používajú imperiálne alebo konvenčné hodnoty. Výhodou sekúnd je, že merná jednotka a číselná hodnota sú rovnaké pre všetky systémy a sú v podstate univerzálne. Takmer všetci výrobcovia uvádzajú výkon motora v sekundách. A takéto zariadenie je užitočné aj na určenie špecifík leteckého zariadenia.
Pomerne bežné je aj používanie metrov za sekundu na nájdenie efektívnej rýchlosti výfuku. Tento blok je pri popise raketových motorov intuitívny, hoci efektívna rýchlosť výfuku zariadení sa môže výrazne líšiť od skutočnej. S najväčšou pravdepodobnosťou je to spôsobené tým, že sa palivo a okysličovadlo vysypú cez palubu po zapnutí turbočerpadiel. Pre prúdové motory dýchajúce vzduch nemá efektívna rýchlosť výfuku žiadny fyzikálny význam. Hoci sa môže použiť na účely porovnania.
Jednotky
Hodnoty vyjadrené v Ns (v kilogramoch) nie sú nezvyčajné a číselne sa rovnajú efektívnej rýchlosti výfuku v m/s (z druhého Newtonovho zákona a jehodefinície).
Ďalšou ekvivalentnou jednotkou je špecifická spotreba paliva. Má merné jednotky ako g (kN s) alebo lb/h. Každá z týchto jednotiek je nepriamo úmerná špecifickému impulzu. A spotreba paliva sa bežne používa na opis výkonu prúdových motorov.
Všeobecná definícia
Pre všetky vozidlá môže byť špecifický impulz (stlačenie na jednotku hmotnosti paliva na Zemi) v sekundách určený nasledujúcou rovnicou.
Pre objasnenie situácie je dôležité objasniť, že:
- F je štandardná gravitačná sila, ktorá sa nominálne uvádza ako sila na zemskom povrchu v m/s 2 (alebo ft/s na druhú).
- g je hmotnostný prietok v kg/s, ktorý sa javí ako negatívny vzhľadom na rýchlosť zmeny hmotnosti vozidla v priebehu času (pri vytláčaní paliva).
Meranie
Anglická jednotka, libra, sa používa častejšie ako iné jednotky. A tiež pri použití tejto hodnoty za sekundu pre prietok sa pri prepočte stáva konštanta r 0 zbytočnou. Keďže sa stáva rozmerovo ekvivalentným librám deleným g 0.
I sp v sekundách je čas, počas ktorého môže zariadenie generovať špecifický impulz ťahu raketového motora pri danom množstve hnacej látky, ktorej hmotnosť sa rovná ťahu.
Výhodou tohto znenia je, že sa naň dá zvyknúťrakety, kde sa celá reakčná hmota prepravuje na palube, ako aj pre lietadlá, kde sa väčšina reakčnej hmoty odoberá z atmosféry. Poskytuje tiež výsledok, ktorý je nezávislý od použitých jednotiek.
Špecifický impulz ako rýchlosť (efektívna rýchlosť výfuku)
Vzhľadom na geocentrický faktor g 0 v rovnici mnohí uprednostňujú definovanie raketového ťahu (najmä) z hľadiska ťahu na jednotku hmotnosti prietoku paliva. Toto je rovnako platný (a v niektorých ohľadoch o niečo jednoduchší) spôsob určenia špecifickej impulznej účinnosti hnacej látky. Ak zvážime iné možnosti, situácia bude takmer všade rovnaká. Rakety s určitým špecifickým impulzom sú jednoducho efektívnou rýchlosťou výfuku vzhľadom na zariadenie. Dva atribúty konkrétneho push sú navzájom úmerné a súvisia nasledovne.
Ak chcete použiť vzorec, musíte pochopiť, že:
- I – špecifický impulz v sekundách.
- v - tlačenie, merané v m/s. Čo sa rovná efektívnej rýchlosti výfuku, meranej v m/s (alebo ft/s, v závislosti od hodnoty g).
- g je štandard gravitácie, 9,80665 m/s 2. V imperiálnych jednotkách 32,174 stôp/s 2.
Táto rovnica platí aj pre prúdové motory, ale v praxi sa používa len zriedka.
Upozorňujeme, že niekedy sa používajú rôzne znaky. Napríklad, c je tiež považované za rýchlosť výfuku. Zatiaľ čo symbolsp možno logicky použiť pre UI v jednotkách N s/kg. Aby sa predišlo nejasnostiam, je žiaduce rezervovať si ho pre konkrétnu hodnotu, meranú v sekundách pred začiatkom popisu.
To súvisí s ťahom alebo silou pohybu špecifického impulzu raketového motora, vzorca.
Tu m je hmotnosť spotreby paliva, čo je miera poklesu veľkosti vozidla.
Minimalizácia
Raketa musí niesť všetku svoju pohonnú látku. Preto musí byť množstvo nepripáleného jedla urýchlené spolu so samotným zariadením. Minimalizácia množstva paliva potrebného na dosiahnutie daného ťahu je rozhodujúca pre stavbu efektívnych rakiet.
Tsiolkovského špecifický impulzný vzorec ukazuje, že pre raketu s danou prázdnou hmotnosťou a určitým množstvom paliva možno dosiahnuť celkovú zmenu rýchlosti v pomere k efektívnej rýchlosti výfuku.
Kozmická loď bez vrtule sa pohybuje po obežnej dráhe určenej jej trajektóriou a akýmkoľvek gravitačným poľom. Odchýlky od zodpovedajúceho vzoru rýchlosti (nazývaného Δv) sa dosahujú tlačením hmoty výfukových plynov v opačnom smere, než je požadovaná zmena.
Skutočná rýchlosť versus efektívna rýchlosť
Tu stojí za zmienku, že tieto dva pojmy sa môžu výrazne líšiť. Napríklad, keď je raketa vypustená do atmosféry, spôsobuje tlak vzduchu mimo motorabrzdná sila. Čo znižuje špecifický impulz a efektívna rýchlosť výfuku sa znižuje, pričom skutočná rýchlosť zostáva prakticky nezmenená. Navyše niekedy majú raketové motory samostatnú trysku na turbínový plyn. Výpočet efektívnej rýchlosti výfukových plynov potom vyžaduje spriemerovanie dvoch hmotnostných prietokov, ako aj zohľadnenie akéhokoľvek atmosférického tlaku.
Zvýšiť efektivitu
V prípade prúdových motorov s dýchaním vzduchu, najmä turboventilátorov, sa skutočná rýchlosť výfuku a efektívna rýchlosť líšia o niekoľko rádov. Je to spôsobené tým, že pri použití vzduchu ako reakčnej hmoty sa dosiahne významná dodatočná hybnosť. To umožňuje lepšie prispôsobenie rýchlosti vzduchu a rýchlosti výfuku, čo šetrí energiu a palivo. A výrazne zvyšuje efektívnu zložku a zároveň znižuje skutočnú rýchlosť.
Energetická účinnosť
Pre rakety a raketové motory, ako sú iónové modely, sp znamená nižšiu energetickú účinnosť.
V tomto vzorci je v e skutočná rýchlosť prúdu.
Požadovaná sila je teda úmerná každej rýchlosti výfuku. Pri vyšších rýchlostiach je potrebný oveľa väčší výkon na rovnaký ťah, čo vedie k nižšej energetickej účinnosti o jednu jednotku.
Celková energia na misiu však závisí od celkovej spotreby paliva, ako aj od množstva energie potrebnej na jednotku. Pre nízku rýchlosť výfukučo sa týka misie delta-v, je potrebné obrovské množstvo reakčnej hmoty. V skutočnosti z tohto dôvodu veľmi nízka rýchlosť výfuku nie je energeticky efektívna. Ukázalo sa však, že žiadny typ nemá najvyššie skóre.
Variable
Teoreticky, pre danú delta-v, v priestore, spomedzi všetkých pevných hodnôt rýchlosti výfukových plynov, ve=0,6275 je energeticky najúčinnejšia pre danú konečnú hmotnosť. Ak sa chcete dozvedieť viac, môžete si pozrieť energiu v hnacom zariadení kozmickej lode.
Premenlivé rýchlosti výfukových plynov však môžu byť ešte energeticky efektívnejšie. Napríklad, ak je raketa zrýchlená pri určitej kladnej počiatočnej rýchlosti s použitím rýchlosti výfuku, ktorá sa rovná rýchlosti produktu, nestratí sa žiadna energia ako kinetická zložka reakčnej hmoty. Keď sa stane nehybným.
