Specific Impulse (SP) je měřítkem toho, jak efektivně raketa nebo motor využívá palivo. Podle definice se jedná o celkový ráz dodaný na jednotku spotřebované energie a je ekvivalentní velikosti generovaného tahu děleného hmotnostním tokem. Pokud se jako jednotka pohonné látky použijí kilogramy, pak se specifický impuls měří z hlediska rychlosti. Pokud se místo toho použije hmotnost v newtonech nebo librách, pak je konkrétní hodnota vyjádřena v čase, nejčastěji v sekundách.
Vynásobení rychlosti proudění standardní gravitací převede GI na hmotnost.
Tsiolkovského rovnice
Specifický impuls motoru s vyšší hmotností je efektivněji využíván k vytváření tahu vpřed. A v případě použití rakety je potřeba méně paliva. Je to on, kdo je potřebný pro toto delta-v. Podle rovniceCiolkovsky, ve specifickém impulsu raketového motoru je motor účinnější ve stoupání, vzdálenosti a rychlosti. Tento výkon je u reaktivních modelů méně důležitý. Které využívají ke spalování křídla a venkovní vzduch. A noste náklad, který je mnohem těžší než palivo.
Specifický impuls zahrnuje pohyb generovaný venkovním vzduchem používaným ke spalování a vyčerpaný vyhořelým palivem. Proudové motory k tomu využívají venkovní atmosféru. A proto mají mnohem vyšší uživatelské rozhraní než raketové motory. Tento koncept má z hlediska spotřebované hmotnosti paliva jednotky měření vzdálenosti v čase. Což jsou uměle vytvořené hodnoty zvané „efektivní rychlost výfukových plynů“. To je vyšší než skutečná rychlost výfuku. Protože se nebere v úvahu hmotnost vzduchu pro spalování. Skutečná a efektivní rychlost výfuku je stejná u raketových motorů, které například nepoužívají vzduch nebo vodu.
Obecné úvahy
Množství paliva se obvykle měří v jednotkách hmotnosti. Pokud se použije, pak specifický impuls je impuls na EM, který, jak ukazuje velikostní analýza, má jednotky rychlosti. A tak se UI často měří v metrech za sekundu. A často označovaná jako efektivní rychlost výfuku. Pokud se však použije hmotnost, ukáže se, že specifický impuls paliva dělený silou je jednotkou času. A tak se konkrétní stisky měří v sekundách.
Právě toto pravidlo je v moderním světě hlavní, široce používanékoeficient r0 (konstanta gravitačního zrychlení na zemském povrchu).
Za zmínku stojí, že rychlost změny impulsu rakety (včetně paliva) za jednotku času se rovná specifickému impulsu tahu.
Specific
Čím vyšší tlak, tím méně paliva je potřeba k vytvoření daného tahu po určitou dobu. V tomto ohledu je kapalina účinnější, čím větší je její UI. To by se však nemělo zaměňovat s energetickou účinností, která se může s rostoucím tahem snižovat, protože specifický impuls motoru, který poskytuje vysoké výsledky, vyžaduje hodně energie.
Také je důležité rozlišovat a nezaměňovat tah s konkrétním tlakem. UI se vytváří na jednotku spotřebovaného paliva. A tah je okamžitá nebo špičková síla, která je generována konkrétním zařízením. V mnoha případech propulzní systémy s velmi vysokým specifickým impulsem – některé iontové instalace dosahují 10 000 sekund – produkují nízký tah.
Při výpočtu tlaku se bere v úvahu pouze palivo, které je s vozidlem přepravováno před použitím. Proto pro raketového chemika bude hmota zahrnovat jak pohonnou látku, tak okysličovadlo. U motorů nasávaných vzduchem se bere v úvahu pouze množství kapaliny, nikoli množství vzduchu procházejícího motorem.
Atmosférický odpor a neschopnost elektrárny udržet vysoký specifický impuls při vysokých rychlostech hoření je přesně důvodem, proč se všechno palivo nespotřebovává tak rychle, jak je to možné.
Těžšímotor s dobrým MI nemusí být tak účinný při stoupání, vzdálenosti nebo rychlosti jako lehký nástroj se špatným výkonem
Kdyby nebylo odporu vzduchu a snížené spotřeby paliva během letu, MI by byl přímým měřítkem účinnosti motoru při přeměně hmoty na dopředný pohon.
Konkrétní impuls v sekundách
Nejběžnější jednotkou pro konkrétní stisk je Hs. Jak v kontextu SI, tak v případech, kdy se používají imperiální nebo konvenční hodnoty. Výhodou sekund je, že měrná jednotka a číselná hodnota jsou pro všechny systémy stejné a jsou v podstatě univerzální. Téměř všichni výrobci uvádějí výkon motoru v sekundách. A takové zařízení je také užitečné pro určení specifik leteckého zařízení.
Poměrně běžné je také použití metrů za sekundu k nalezení efektivní rychlosti výfuku. Tento blok je intuitivní při popisu raketových motorů, i když efektivní rychlost výfuku zařízení se může výrazně lišit od skutečné. Nejpravděpodobněji je to kvůli vysypání paliva a okysličovadla přes palubu po zapnutí turbočerpadla. U proudových motorů s dýcháním vzduchu nemá efektivní rychlost výfuku žádný fyzikální význam. Ačkoli to může být použito pro účely srovnání.
Jednotky
Hodnoty vyjádřené v Ns (v kilogramech) nejsou neobvyklé a číselně se rovnají efektivní rychlosti výfuku v m/s (z druhého Newtonova zákona a jehodefinice).
Další ekvivalentní jednotkou je specifická spotřeba paliva. Má měrné jednotky jako g (kN s) nebo lb/h. Každá z těchto jednotek je nepřímo úměrná specifickému impulsu. A spotřeba paliva je široce používána k popisu výkonu proudových motorů.
Obecná definice
U všech vozidel lze specifický impuls (tlak na jednotku hmotnosti paliva na Zemi) v sekundách určit pomocí následující rovnice.
Pro objasnění situace je důležité objasnit, že:
- F je standardní gravitační síla, která je nominálně uvedena jako síla na zemském povrchu, v m/s 2 (nebo ft/s na druhou).
- g je hmotnostní průtok v kg/s, který se jeví jako záporný s ohledem na rychlost změny hmotnosti vozidla v průběhu času (při vytlačování paliva).
Měření
Anglická jednotka, libra, se používá častěji než jiné jednotky. A také při použití této hodnoty za sekundu pro průtok se při přepočtu stává konstanta r 0 zbytečnou. Jak se stává rozměrově ekvivalentní librám děleným g 0.
I sp v sekundách je doba, po kterou může zařízení generovat specifický impuls tahu raketového motoru při daném množství pohonné látky, jejíž hmotnost se rovná tahu.
Výhoda tohoto znění je, že se na něj dá použítrakety, kde se celá reakční hmota dopravuje na palubu, stejně jako u letadel, kde se většina reakční hmoty odebírá z atmosféry. Také poskytuje výsledek, který je nezávislý na použitých jednotkách.
Specifický impuls jako rychlost (efektivní rychlost výfuku)
Vzhledem k geocentrickému faktoru g 0 v rovnici mnozí dávají přednost definici raketového tahu (zejména) jako tahu na jednotku hmotnosti toku paliva. Toto je stejně platný (a v některých ohledech poněkud jednodušší) způsob, jak určit specifickou impulsní účinnost pohonné látky. Pokud zvážíme další možnosti, bude situace téměř všude stejná. Rakety s určitým specifickým impulsem jsou jednoduše efektivní rychlostí výfuku vzhledem k zařízení. Dva atributy konkrétního push jsou vzájemně úměrné a souvisí následovně.
Abyste mohli vzorec použít, musíte pochopit, že:
- I – specifický impuls v sekundách.
- v - tlak, měřeno v m/s. Což se rovná efektivní rychlosti výfuku, měřené v m/s (nebo ft/s, v závislosti na hodnotě g).
- g je standard gravitace, 9,80665 m/s 2. V imperiálních jednotkách 32,174 ft/s 2.
Tato rovnice platí také pro proudové motory, ale v praxi se používá jen zřídka.
Všimněte si, že někdy jsou použity různé znaky. Například c je také uvažováno pro rychlost výfuku. Zatímco symbolsp lze logicky použít pro UI v jednotkách N s/kg. Aby se předešlo nejasnostem, je vhodné jej rezervovat pro konkrétní hodnotu, měřenou v sekundách před začátkem popisu.
To souvisí s tahem nebo silou pohybu specifického impulsu raketového motoru, vzorce.
Zde m je hmotnostní spotřeba paliva, což je míra poklesu velikosti vozidla.
Minimalizace
Raketa musí nést veškerý svůj pohon. Proto musí být masa nespálených potravin urychlována spolu se samotným zařízením. Minimalizace množství paliva potřebného k dosažení daného tahu je zásadní pro stavbu účinných raket.
Tsiolkovského specifický impulsní vzorec ukazuje, že pro raketu s danou prázdnou hmotností a určitým množstvím paliva lze dosáhnout celkové změny rychlosti v poměru k efektivní rychlosti výfuku.
Kosmická loď bez vrtule se pohybuje po oběžné dráze určené její trajektorií a jakýmkoli gravitačním polem. Odchylky od odpovídajícího rychlostního diagramu (nazývaného Δv) jsou dosaženy tlačením hmoty výfukových plynů v opačném směru, než je požadovaná změna.
Skutečná rychlost versus efektivní rychlost
Zde stojí za zmínku, že tyto dva koncepty se mohou výrazně lišit. Například, když je raketa vypuštěna do atmosféry, způsobuje tlak vzduchu mimo motorbrzdná síla. Což snižuje specifický impuls a efektivní rychlost výfuku se snižuje, zatímco skutečná rychlost zůstává prakticky nezměněna. Navíc někdy mají raketové motory samostatnou trysku pro turbínový plyn. Výpočet efektivní rychlosti výfukových plynů pak vyžaduje zprůměrování dvou hmotnostních toků a také zohlednění případného atmosférického tlaku.
Zvýšení účinnosti
U proudových motorů se vzduchovým dýcháním, zejména turboventilátorů, se skutečná rychlost výfuku a efektivní rychlost liší o několik řádů. To je způsobeno skutečností, že při použití vzduchu jako reakční hmoty je dosaženo významné dodatečné hybnosti. To umožňuje lepší shodu mezi rychlostí vzduchu a rychlostí výfuku, což šetří energii a palivo. A výrazně zvyšuje efektivní složku a zároveň snižuje skutečnou rychlost.
Energetická účinnost
Pro rakety a raketové motory, jako jsou iontové modely, sp znamená nižší energetickou účinnost.
V tomto vzorci je v e skutečná rychlost proudění.
Požadovaná síla je tedy úměrná každé rychlosti výfuku. Při vyšších rychlostech je pro stejný tah potřeba mnohem více energie, což má za následek nižší energetickou účinnost o jednu jednotku.
Celková energie pro misi však závisí na celkové spotřebě paliva a také na tom, kolik energie je potřeba na jednotku. Pro nízkou rychlost výfukupokud jde o misi delta-v, je zapotřebí obrovské množství reakční hmoty. Ve skutečnosti z tohoto důvodu není velmi nízká rychlost výfuku energeticky účinná. Ale ukázalo se, že žádný typ nemá nejvyšší skóre.
Variable
Teoreticky, pro danou delta-v, v prostoru, ze všech pevných hodnot rychlosti výfuku, ve=0,6275 je energeticky nejúčinnější pro danou konečnou hmotnost. Chcete-li se dozvědět více, můžete si prohlédnout energii v pohonném zařízení kosmické lodi.
Proměnné výfukové rychlosti však mohou být ještě energeticky účinnější. Pokud je například raketa urychlena na nějakou kladnou počáteční rychlost pomocí rychlosti výfuku, která se rovná rychlosti produktu, neztrácí se žádná energie jako kinetická složka reakční hmoty. Jakmile se stane nehybným.
