Specifični impulz: opredelitev, značilnost, izračun

Specifični impulz (SI) je merilo, kako učinkovito raketa ali motor porablja gorivo. Po definiciji je to celoten vzgon na enoto porabljene moči in je po velikosti enak ustvarjenemu potisku, deljenemu z masnim pretokom. Če se kot enota pogonskega goriva uporabljajo kilogrami, se specifični impulz meri v hitrosti. Če se namesto tega uporablja teža v njutonih ali funtih sile, je določena vrednost izražena v času, najpogosteje v sekundah.

Če hitrost pretoka pomnožimo s standardno silo težnosti, pretvorimo UI v maso.

Enačba Ciolkovskega

Večji specifični masni impulz motorja se učinkoviteje uporabi za ustvarjanje potiska naprej. V primeru rakete je potrebno manj goriva. To je tisti, ki je potreben za določen delta-v. V skladu z enačbo Ciolkovskega je pri specifičnem impulzu raketnega motorja motor učinkovitejši pri pridobivanju višine, razdalje in hitrosti. Ta učinkovitost je pri reaktivnih modelih manj pomembna. Za zgorevanje uporabljajo krila in zunanji zrak. in nosijo tovor, ki je veliko težji od goriva.

Specifični impulz vključuje gibanje, ki ga ustvarja zunanji zrak, ki se uporablja pri zgorevanju in ga izrabljeno gorivo odvaja. Reaktivni motorji za to uporabljajo zunanjo atmosfero. Zato je njihov uporabniški vmesnik veliko višji od uporabniškega vmesnika raketnih motorjev. Ta koncept je glede na maso porabljenega goriva enota razdalje v času. To je umetna količina, imenovana "efektivna hitrost izpušnih plinov". Ta je večja od dejanske hitrosti izpušnih plinov. Ker masa zgorevalnega zraka ni upoštevana. Dejanska in efektivna hitrost izpušnih plinov sta enaki pri raketnih motorjih, ki ne uporabljajo zraka ali na primer vode.

Splošni premisleki

Količina goriva se običajno meri v masnih enotah. Če se uporablja, je specifični impulz impulz pri EM, ki ima, kot je pokazala dimenzijska analiza, hitrost enote. Zato se umetna inteligenca pogosto meri v metrih na sekundo. in se pogosto imenuje efektivna hitrost izpušnih plinov. Če pa se uporablja masa, je specifični impulz goriva, deljen s silo, enota časa. Specifični udarci se merijo v sekundah.

To je pravilo, ki se v današnjem svetu pogosto uporablja s koeficientom g₀ (konstanta gravitacijskega pospeška na površju Zemlje).

Treba je omeniti, da je hitrost spremembe pogona rakete (vključno z gorivom) na enoto časa enaka specifičnemu potisnemu impulzu.

Specifičnost

Večji kot je potisk, manj goriva je potrebnega za proizvodnjo določene količine potiska v določenem času. V tem pogledu velja, da bolj ko je tekočina učinkovita, večji je njen OI. Vendar tega ne smemo zamenjevati z energetsko učinkovitostjo, ki se lahko z večanjem potiska zmanjšuje, saj specifični impulz motorja, ki daje visoke rezultate, za to potrebuje veliko energije.

Poleg tega je pomembno razlikovati med potiskom in specifičnim potiskom ter ju ne zamenjevati. OI se ustvari na enoto porabljenega pogonskega goriva. Potisk pa je trenutna ali največja sila, ki jo ustvari določena naprava. Pogonski sistemi z zelo visokimi specifičnimi impulzi - nekateri ionski sistemi dosegajo 10.000 sekund - imajo v številnih primerih majhen potisk.

Pri izračunu potiska se upošteva samo gorivo, ki se pred uporabo prevaža z vozilom. Zato bo pri kemični raketi masa vključevala samega sebe kot gorivo in oksidator. Pri motorjih na zrak se upošteva le količina tekočine, ne pa tudi masa zraka, ki teče skozi motor.

Ravno zaradi atmosferskega upora in nezmožnosti naprave, da bi pri visoki hitrosti zgorevanja ohranila visok specifični impulz, se vse gorivo ne porabi čim hitreje.

Težji motor z dobrim OI morda ne bo tako učinkovit pri pridobivanju višine, razdalje ali hitrosti kot lažji motor z nizkim OI

Če ne bi bilo zračnega upora in manjša poraba goriva med letom, Uporabniški vmesnik je bil bi bilo neposredno merilo učinkovitosti motorja pri pretvorbi mase v gibanje naprej.

Specifični impulz v sekundah

Najpogostejša enota za določen potisk je H*s. V okviru SI in pri uporabi imperialnih ali konvencionalnih vrednosti. Prednost sekund je, da sta enota za merjenje in številčna vrednost enaki za vse sisteme in sta v bistvu univerzalni. Skoraj vsi proizvajalci svoje specifikacije motorja navajajo v sekundah. Takšna naprava je uporabna tudi za določanje posebnosti zrakoplova.

Za ugotavljanje efektivne hitrosti izpušnih plinov se pogosto uporabljajo metri na sekundo. Ta blok je intuitiven pri opisovanju raketnih motorjev, čeprav se lahko efektivna hitrost izpušnih plinov naprav precej razlikuje od dejanske. To je verjetno povezano z gorivom in oksidantom, ki se po vklopu turbinskih črpalk izliva čez krov. Pri reaktivnih motorjih, ki dihajo zrak, efektivna hitrost izpušnih plinov nima fizikalnega smisla. Čeprav se lahko uporablja za primerjavo.

Enote

Vrednosti, izražene v N*s (v kilogramih), niso redke in so številčno enake efektivni hitrosti izpuha v m/s (iz drugega Newtonovega zakona in njegove definicije).

Druga enakovredna enota je specifična poraba goriva. Ima merilne vrednosti, kot so g (kN - s) ali lb/h. Vsaka od teh enot je obratno sorazmerna specifičnemu impulzu. Pretok goriva se pogosto uporablja za opis delovanja zračnih raketnih motorjev.

Splošna opredelitev

Specifični impulz (potisk na enoto mase goriva na tleh) v sekundah za vsa vozila lahko določimo z naslednjo enačbo.

Pojasniti je treba, da je to pomembno:

1. F je standardna sila težnosti, ki je nominalno izražena kot sila na površini Zemlje v m/s 2 (ali stopinjah na kvadrat).
2. g - je masni pretok v kg/s, ki je negativen glede na hitrost spreminjanja mase vozilo pravočasno (ko se izloča gorivo).

Merjenje

Angleška enota funt se uporablja pogosteje kot druge enote. Tudi pri uporabi te vrednosti na sekundo za hitrost pretoka pri pretvorbi postane konstanta g 0 nepotrebna. Ker postane dimenzijsko enakovreden funtom, deljenim z g 0.

I sp v sekundah je čas, v katerem lahko naprava ustvari specifični potisni impulz raketnega motorja ob upoštevanju količine pogonskega goriva, katerega masa je.

Prednost te formulacije je, da se lahko uporablja za rakete, pri katerih je vsa reakcijska masa na krovu, in za letala, pri katerih se večina reakcijske mase vzame iz ozračja. Poleg tega daje rezultat, ki je neodvisen od uporabljenih enot.

Specifični impulz kot hitrost (efektivna hitrost pobega)

Zaradi geocentričnega koeficienta g 0 v enačbi mnogi raje opredeljujejo potisk raket (zlasti) v obliki potiska na enoto mase pretoka goriva. To je enako veljaven (in v nekaterih pogledih nekoliko preprostejši) način določanja izkoristka specifičnega impulza raketnega goriva. Če upoštevamo druge različice, je stanje povsod skoraj enako. Rakete z določenim specifičnim impulzom so preprosto efektivna hitrost izpušnih plinov glede na napravo. Dve lastnosti določenega potiska sta med seboj sorazmerni in sta povezani na naslednji način.

Za uporabo formule je treba razumeti, da:

1. I je specifični impulz v sekundah.
2. v - potisk, merjen v m/s. ki je enaka efektivni hitrosti izpušnih plinov, merjeni v m/s (ali ft/s, odvisno od vrednosti g).
3. g je standard za gravitacijo, 9,80665 m/s 2. V imperialnih enotah 32.174 ft/s 2.

Ta enačba velja tudi za zračne curke, vendar se v praksi redko uporablja.

Vredno Opomba, da se včasih uporabljajo različni simboli. Na primer, c se upošteva tudi za hitrost izpušnih plinov. Medtem ko se simbol sp lahko logično uporablja za Uporabniški vmesnik v enote N - s / kg. Da bi se izognili zmedi, je zaželeno, da ga pred opisom rezervirate za določeno vrednost, merjeno v sekundah.

To je povezano s potiskom ali zagonom raketnega motorja, in sicer s formulo.

Pri tem je m masni pretok, ki je hitrost, s katero vozilo.

Zmanjšanje števila strani

Raketa mora nositi vse pogonsko gorivo. Zato je treba maso nezgorele hrane pospešiti skupaj z. Zmanjšanje vrednosti goriva, potrebno za doseganje tega potiska je ključnega pomena za izdelavo učinkovitih raket.

Enačba za specifični impulz, ki jo je uporabil Ciolkovski, kaže, da je pri raketi z dano maso prazne rakete in dano količino goriva skupna sprememba hitrosti sorazmerna z efektivno hitrostjo curka.

Vesoljsko plovilo brez pogonskega sredstva se giblje v orbiti, ki ga določa njegova trajektorija in vsako gravitacijsko polje. Odstopanja od ustreznega vzorca hitrosti (imenujemo jih Δ (v) se dosežejo tako, da se izpušni plini poženejo vzdolž mase v smeri, ki je nasprotna potrebnim spremembam v.

Dejanska hitrost v primerjavi z efektivno hitrostjo

Pri tem je treba opozoriti, da se koncepta lahko precej razlikujeta. Na primer, ko se raketa izstreli v ozračje, zračni tlak zunaj motorja povzroči zaviralno silo. kar zmanjša specifični impulz in efektivna hitrost izpušnih plinov se zmanjša, dejanska hitrost pa ostane skoraj nespremenjena. Poleg tega imajo včasih raketni motorji ločeno šobo za turbinski plin. Za izračun efektivne hitrosti izpušnih plinov je treba izračunati povprečje obeh masnih pretokov in upoštevati morebitni atmosferski tlak.

Večja učinkovitost

Pri reaktivnih motorjih, ki dihajo zrak, zlasti turbo motorjih, se dejanska in efektivna hitrost izpušnih plinov razlikujeta za več velikostnih razredov. To je zato, ker se z uporabo zraka kot reakcijske mase doseže precejšen dodatni zagon. To omogoča boljše usklajevanje hitrosti zraka in izpušnih plinov, kar prihrani energijo in gorivo. in znatno poveča efektivno komponento ob hkratnem zmanjšanju dejanske hitrosti.

Energetska učinkovitost

Za raketne in raketam podobne motorje, kot so ionski modeli, sp pomeni manjšo energetsko učinkovitost.

V tej formuli je v _e - dejanska hitrost curka.

Zato je potrebna moč sorazmerna z vsako hitrostjo izpušnih plinov. Pri večjih hitrostih je za enak potisk potrebno veliko več energije, zato je energetska učinkovitost na enoto manjša.

Kljub temu je skupna energija za misijo odvisna od skupne porabe goriva in tudi od tega, koliko energije je potrebne na enoto. majhna hitrost izpušnih plinov glede na delta-v misije zahteva velike količine reakcijske mase. Zato zelo nizka stopnja emisij izpušnih plinov dejansko ni energetsko učinkovita. Vendar se izkaže, da nobena vrsta nima najvišjih vrednosti.

Spremenljivka

Teoretično je za dani delta-v v prostoru med vsemi fiksnimi vrednostmi hitrosti izpušnih plinov vrednost v_e=0,6275 je energetsko najučinkovitejša za določeno končno maso. Če želite izvedeti več, si lahko ogledate energijo v pogonskih napravah vesoljskega plovila.

Kljub temu je lahko spremenljiva stopnja emisij še bolj energetsko učinkovita. Če na primer raketo pospešimo pri neki pozitivni začetni hitrosti z izpušno hitrostjo, ki je enaka hitrosti produkta, se energija ne izgubi, saj je kinetična komponenta reakcijske mase. Ko postane nepremičen.