Specifikus impulzus: a fogalom meghatározása, jellemző, számítás

A specifikus impulzus (UI) annak mértéke, hogy egy rakéta vagy motor mennyire hatékonyan használja fel az üzemanyagot. Definíció szerint ez az elfogyasztott energia egységenként leadott teljes túlfeszültség, mérete megegyezik a generált tolóerő tömegárammal osztva. Ha kilogrammokat használnak hajtóanyag egységként, akkor a fajlagos impulzust sebességgel mérjük. Ha ehelyett Newtonban vagy fontban kifejezett súlyt használnak, akkor egy bizonyos értéket időben, leggyakrabban másodpercben fejeznek ki.

Az áramlási sebesség szorzata a standard gravitációval átalakítja az UI-t tömeggé.

A Tsiolkovsky-egyenlet

A nagyobb tömegű motor fajlagos impulzusát hatékonyabban használják az előremenő tolóerő létrehozására. Abban az esetben, ha rakétát használnak, kevesebb üzemanyagra van szükség. Ő az, aki szükséges ehhez a delta-v-hez. A Tsiolkovsky-egyenlet szerint a rakétamotor specifikus impulzusában a motor hatékonyabb Mászási magasságban, távolságban és sebességben. Ez a teljesítmény kevésbé fontos a reaktív modellekben. Amely szárnyakat és külső levegőt használ az égéshez. Olyan hasznos terhet hordoz, amely sokkal nehezebb, mint az üzemanyag.

A fajlagos impulzus magában foglalja a külső levegő által generált mozgást, amelyet égetésre használnak, és amelyet a kiégett fűtőelemek kimerítenek. A sugárhajtóművek ehhez a külső légkört használják. Ezért sokkal magasabb felhasználói felülettel rendelkezik, mint a rakétamotorok. Ez a koncepció az elfogyasztott üzemanyag tömegének szempontjából a távolság mértékegységei az idő múlásával. Amelyek egy mesterséges mennyiség, az úgynevezett "effektív kipufogógáz sebesség". Ez magasabb, mint a kipufogógáz tényleges lendülete. Mivel a gorenje levegő tömegét nem veszik figyelembe. A tényleges és a tényleges kipufogási sebesség megegyezik azokban a rakétamotorokban, amelyek nem használnak levegőt vagy például vizet.

Általános megfontolások

Az üzemanyag mennyiségét általában tömegegységekben mérik. Ha használják, akkor a fajlagos tolóerő egy impulzus rajta, amely-amint azt a méretelemzés mutatja-sebességegységekkel rendelkezik. Ezért az UI-t gyakran méter / másodpercben mérik. És gyakran nevezik hatékony kipufogógáz sebesség. Ha azonban tömeget használunk, akkor az üzemanyag fajlagos impulzusa erővel osztva időegységnek bizonyul. Így a konkrét sokkokat másodpercekben mérik.

Ez a szabály a legfontosabb a modern világban, amelyet széles körben használnak₀ (a gravitációs gyorsulás állandója a Föld felszínén).

Érdemes megjegyezni, hogy a rakéta impulzusának (beleértve az üzemanyagot is) időegységenkénti változási sebessége megegyezik a fajlagos tolóerővel.

Sajátosság

Minél nagyobb a tolóerő, annál kevesebb üzemanyag szükséges egy adott tolóerő létrehozásához egy bizonyos ideig. Ebben a tekintetben minél hatékonyabb a folyadék, annál nagyobb a felhasználói felülete. Ezt azonban nem szabad összekeverni az energiahatékonysággal, amely a tolóerő növekedésével csökkenhet, mivel a motor fajlagos impulzusa, amely magas eredményeket ad, sok energiát igényel ehhez.

Ezenkívül fontos megkülönböztetni és nem összekeverni a tolóerőt és a specifikus tolóerőt. UI jön létre egységnyi elfogyasztott üzemanyag. A tolóerő pedig az a pillanatnyi vagy csúcserő, amelyet egy adott eszköz generál. Sok esetben a nagyon magas fajlagos impulzusú meghajtórendszerek-egyes ionberendezések elérik a 10 000 másodpercet — alacsony tolóerőt hoznak létre.

A nyomás kiszámításakor csak azt az üzemanyagot veszik figyelembe, amelyet a járművel használat előtt szállítanak. Ezért egy kémiai rakéta esetében a tömeg a következőket tartalmazza magát, mint üzemanyag és oxidálószer. A levegőt lélegző motorok esetében csak a folyadék mennyiségét veszik figyelembe, nem pedig a motoron áthaladó levegő tömegét.

A légkör ellenállása és a létesítmény képtelensége magas fajlagos impulzus fenntartására magas égési sebesség mellett pontosan az oka annak, hogy az összes üzemanyagot nem használják fel a lehető leggyorsabban gorenje.

A jó felhasználói felülettel rendelkező nehezebb motor nem biztos, hogy olyan hatékony Mászási magasságban, távolságban vagy sebességben, mint egy alacsony mutatókkal rendelkező könnyű eszköz

Ha nem lenne légellenállás és csökkentett üzemanyag fogyasztás repülés közben, UI a motor hatékonyságának közvetlen mérése lenne a tömeg előremozgássá alakításában.

Specifikus impulzus másodpercben

Egy adott nyomáshoz a leggyakoribb egység a H * s. Mind az SI összefüggésében, mind azokban az esetekben, amikor birodalmi vagy rendes értékeket használnak. A másodpercek előnye, hogy a mértékegység és a számérték minden rendszerben azonos, és lényegében univerzális. Szinte minden gyártó másodpercek alatt jelzi a motor jellemzőit. Egy ilyen eszköz hasznos a repülőgép-eszköz sajátosságainak meghatározásához is.

A másodpercenkénti méter használata a tényleges kipufogógáz sebességének megállapításához szintén meglehetősen gyakori. Ez a blokk intuitív a rakétamotorok leírásakor, bár az eszközök tényleges kipufogási sebessége jelentősen eltérhet a ténylegestől. Ez valószínűleg annak az üzemanyagnak és oxidálószernek köszönhető, amelyet a turbopumpák bekapcsolása után a vízbe dobnak. Léglégzéssel rendelkező sugárhajtóművek esetében a tényleges kipufogási sebességnek nincs fizikai értelme. Bár lehet használni összehasonlítási célokra.

Egységek

Az N * S-ban (kilogrammban) kifejezett értékek nem ritkák, és számszerűen megegyeznek az M/s-ban kifejezett effektív kipufogógáz-sebességgel (Newton második törvénye és meghatározása alapján).

Egy másik egyenértékű egység a fajlagos üzemanyag-fogyasztás. Mérési értékei vannak, például g (kN * s·vagy lb / hr. Ezen egységek bármelyike fordítottan arányos a fajlagos impulzussal. Az üzemanyag-fogyasztást széles körben használják a sugárhajtóművek jellemzőinek leírására.

Általános meghatározás

Minden jármű esetében a fajlagos impulzus (az üzemanyag Tömegegységére eső nyomás a Földön) másodpercben a következő egyenlettel határozható meg.

A helyzet tisztázása érdekében fontos tisztázni, hogy:

1. F-a standard gravitáció, amelyet névlegesen a Föld felszínén lévő teljesítményként határoznak meg m / s 2-ben (vagy ft/s négyzetben).
2. g - a tömegáram kg/s-ban, amely negatívnak tűnik a tömegváltozás sebessége szempontjából jármű időben (ahogy az üzemanyag kilökődik).

Mérés

Az angol egységet, a fontot gyakrabban használják, mint más értékeket. Továbbá, ha ezt a másodpercenkénti értéket az áramlási sebességre alkalmazzuk, az átalakítás során a G 0 állandó szükségtelenné válik. Mivel méretileg ekvivalenssé válik Font osztva g-vel 0.

I sp másodpercben az az idő, amely alatt a készülék képes generálni egy rakétamotor specifikus tolóerő-impulzusát, tekintettel az üzemanyag mennyiségére, amelynek súlya megegyezik a vonzerővel.

Ennek a készítménynek az az előnye, hogy rakétákhoz használható, ahol a teljes reakciótömeget a fedélzeten szállítják, valamint repülőgépekhez, ahol a reakciótömeg nagy részét a légkörből veszik. Ezenkívül olyan eredményt ad, amely nem függ a használt egységektől.

Fajlagos impulzus mint sebesség (effektív kipufogógáz-sebesség)

Az egyenletben szereplő G 0 geocentrikus együttható miatt sokan inkább a rakéta tolóerejét (különösen) az üzemanyag-áramlás egységnyi tömegére eső tolóerő szempontjából határozzák meg. Ez ugyanolyan érvényes (és bizonyos értelemben valamivel egyszerűbb) módszer a rakéta-üzemanyag specifikus impulzusának hatékonyságának meghatározására. Ha más lehetőségeket is figyelembe veszünk, a helyzet mindenhol szinte azonos lesz. Egy bizonyos specifikus impulzus rakétái egyszerűen a kipufogógáz effektív sebessége az eszközhöz képest. Egy adott lökés két attribútuma arányos egymással, és a következőképpen kapcsolódnak egymáshoz.

A képlet használatához meg kell érteni, hogy:

1. Én a konkrét impulzus másodpercben.
2. v az M/s-ban mért nyomás. Amely megegyezik a kipufogógáz m/s-ban mért effektív sebességével (vagy ft/s-ban, a g nagyságától függően).
3. g a gravitációs szabvány, 9,80665 m/s 2. Birodalmi egységekben.32.174 ft / s 2.

Ez az egyenlet igaz a sugárhajtóművekre is, de a gyakorlatban ritkán használják.

Érdemes megjegyezve, hogy néha különböző szimbólumokat használnak. Például a C-t a kipufogógáz sebességére is figyelembe veszik. Míg az sp szimbólum logikusan használható UI in n · s / kg egység. A félreértések elkerülése érdekében tanácsos a leírás megkezdése előtt másodpercekben mért meghatározott értékre fenntartani.

Ennek oka a rakétamotor fajlagos impulzusának tolóereje vagy mozgási ereje, a képlet.

Itt m a tömeg üzemanyag-fogyasztás, amely a jármű méretének csökkenési sebessége.

Minimalizálás

A rakétának minden üzemanyagot hordoznia kell. Ezért az el nem égett élelmiszer tömegét fel kell gyorsítani a készülékkel együtt. Az üzemanyag mennyiségének minimalizálása, szükséges egy adott tolóerő elérése elengedhetetlen a hatékony rakéták létrehozásához.

A Tsiolkovszkij-specifikus impulzusképlet azt mutatja, hogy egy adott üres tömegű és bizonyos mennyiségű üzemanyaggal rendelkező rakéta esetében a teljes sebességváltozás a kiáramlás tényleges sebességével arányosan érhető el.

A meghajtás nélküli űrhajó pályán mozog, határozza meg a pálya és bármilyen gravitációs mező. Eltérések a megfelelő sebességmintától (ezeket hívják Δ v) úgy érik el, hogy a kipufogógázokat tömeg szerint a szükséges változtatásokkal ellentétes irányba irányítják.

Tényleges gyorsaság versus tényleges gyorsaság

Itt érdemes megjegyezni, hogy ez a két fogalom jelentősen eltérhet. Például, amikor egy rakétát elindítanak a légkörben, a motoron kívüli Légnyomás fékerőt okoz. Ami csökkenti a fajlagos impulzust, a tényleges kipufogási sebesség pedig csökken, miközben a tényleges lendület gyakorlatilag nem változik. Ezenkívül néha a rakétamotoroknak külön fúvókája van a turbinagáz számára. Ezután a tényleges kipufogógáz-sebesség kiszámításához két tömegáramot kell átlagolni, valamint figyelembe kell venni az esetleges légköri nyomást.

A hatékonyság növelése

A levegőt lélegző sugárhajtóművek, különösen a turboventilátorok esetében a tényleges kioldási sebesség és a tényleges sebesség több nagyságrenddel különbözik. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy ha a levegőt reakciótömegként használják, jelentős további impulzus érhető el. Ez lehetővé teszi a légsebesség és a kipufogógáz sebességének jobb összehangolását, ami energiát és üzemanyagot takarít meg. Jelentősen növeli a hatékony komponenst, miközben csökkenti a tényleges lendületet.

Energiahatékonyság

A rakéták és rakétaszerű motorok, például az ionmodellek esetében az sp alacsonyabb energiahatékonyságot jelent.

Ebben a képletben v _e - a tényleges sugársebesség.

Ezért a szükséges erő arányos az egyes kipufogógáz-sebességekkel. Nagyobb sebességnél sokkal nagyobb teljesítményre van szükség ugyanazon tolóerőhöz, ami egységenként kevesebb energiahatékonyságot eredményez.

A küldetés teljes energiája azonban függ a teljes üzemanyag-felhasználástól, valamint attól, hogy mennyi energia szükséges egységenként. A delta-v küldetéshez viszonyított alacsony kipufogógáz-sebességhez hatalmas mennyiségű reakciótömegre van szükség. Valójában emiatt a nagyon alacsony kipufogógáz-sebesség nem energiahatékony. De kiderül, hogy egyetlen típus sem rendelkezik a lehető legmagasabb teljesítménnyel.

Változó

Elméletileg egy adott delta-v esetében az űrben a kipufogógáz sebességének összes rögzített értéke között a v_e=0,6275 a legenergiahatékonyabb egy adott végtömegre. Ha többet szeretne megtudni, megtekintheti az űrhajó meghajtórendszerének energiáját.

A változó kipufogási sebesség azonban még energiahatékonyabb lehet. Például, ha egy rakéta valamilyen pozitív kezdeti sebességgel gyorsul fel a kipufogógáz sebességével, amely megegyezik a termék sebességével, akkor a reakció tömegének kinetikus komponenseként nem veszít energiát. Mivel állandóvá válik.