A fajlagos impulzus (SP) azt méri, hogy egy rakéta vagy motor milyen hatékonyan használja fel az üzemanyagot. Definíció szerint ez az egységnyi fogyasztott teljesítményre jutó teljes túlfeszültség, és mérete megegyezik a generált tolóerő osztva a tömegárammal. Ha a hajtóanyag mértékegységeként kilogrammot használunk, akkor a fajlagos impulzust a sebességben mérjük. Ha helyette newtonban vagy font-erőben kifejezett súlyt használunk, akkor a konkrét értéket időben, leggyakrabban másodpercben fejezzük ki.
Ha az áramlási sebességet megszorozzuk a standard gravitációval, a GI tömeggé alakul.
Ciolkovszkij-egyenlet
A nagyobb tömegű motor fajlagos impulzusát hatékonyabban használják az előrefelé irányuló tolóerő generálására. És abban az esetben, ha rakétát használnak, kevesebb üzemanyagra van szükség. Ő kell ehhez a delta-v. Az egyenlet szerintCiolkovszkij szerint a rakétamotor sajátos impulzusában a motor hatékonyabb a mászásban, a távolságban és a sebességben. Ez a teljesítmény kevésbé fontos a reaktív modelleknél. Amelyek szárnyakat és külső levegőt használnak az égéshez. És vigyen magával az üzemanyagnál sokkal nehezebb hasznos terhet.
A fajlagos impulzus magában foglalja az égetéshez használt és a kiégett fűtőelemek által kimerült külső levegő által generált mozgást. A sugárhajtóművek a külső légkört használják erre. Ezért sokkal magasabb felhasználói felülettel rendelkeznek, mint a rakétahajtóművek. Ez a fogalom az elfogyasztott üzemanyag tömege szempontjából a távolság mértékegységeit tartalmazza az idő függvényében. Amelyek egy mesterséges érték, az úgynevezett "effektív kipufogógáz sebesség". Ez nagyobb, mint a kipufogógáz tényleges sebessége. Mivel az égéshez szükséges levegő tömegét nem veszik figyelembe. Például a levegőt vagy vizet nem használó rakétahajtóművek tényleges és effektív kipufogógáz-sebessége megegyezik.
Általános megfontolások
Az üzemanyag mennyiségét általában tömegegységekben mérik. Ha ezt használjuk, akkor a fajlagos impulzus az EM-enkénti impulzus, amelynek a méretelemzés szerint egységnyi sebessége van. Így a felhasználói felületet gyakran méter per másodpercben mérik. És gyakran a kipufogó effektív sebességének nevezik. Ha azonban tömeget használunk, akkor az üzemanyag fajlagos impulzusa osztva az erővel időegységnek bizonyul. Így a konkrét lökéseket másodpercben mérik.
Ez a szabály a fő szabály a modern világban, amelyet széles körben alkalmaznakegyüttható r0 (a gravitációs gyorsulás állandója a Föld felszínén).
Érdemes megjegyezni, hogy a rakéta impulzusának (beleértve az üzemanyagot is) időegységenkénti változási sebessége megegyezik a fajlagos tolóerő impulzussal.
Részletek
Minél nagyobb a nyomás, annál kevesebb üzemanyagra van szükség egy adott tolóerő egy bizonyos ideig történő előállításához. Ebben a tekintetben a folyadék annál hatékonyabb, minél nagyobb a felhasználói felülete. Ezt azonban nem szabad összetéveszteni az energiahatékonysággal, amely a tolóerő növekedésével csökkenhet, mivel a motor fajlagos impulzusa, amely magas eredményeket ad, sok energiát igényel ehhez.
Továbbá fontos megkülönböztetni, és ne összekeverni a húzást egy konkrét lökéssel. A felhasználói felület az elfogyasztott üzemanyag egységenként jön létre. A tolóerő pedig az a pillanatnyi vagy csúcserő, amelyet egy adott eszköz generál. Sok esetben a nagyon nagy fajlagos impulzusú meghajtórendszerek – egyes ionberendezések elérik a 10 000 másodpercet is – alacsony tolóerőt hoznak létre.
A tolóerő kiszámításakor csak azt az üzemanyagot veszik figyelembe, amelyet használat előtt a járművel szállítanak. Ezért egy rakétakémikus esetében a tömeg magában foglalja a hajtóanyagot és az oxidálószert is. Légbeszívású motoroknál csak a folyadék mennyiségét veszik figyelembe, a motoron áthaladó levegő tömegét nem.
Az atmoszférikus ellenállás és az erőmű képtelensége magas fajlagos impulzus fenntartására magas égési sebesség mellett pontosan az oka annak, hogy a tüzelőanyag nem kerül felhasználásra a lehető leggyorsabban.
NehezebbElőfordulhat, hogy egy jó hibajelzővel rendelkező motor nem olyan hatékony mászásban, távolságban vagy sebességben, mint egy gyenge teljesítményű könnyű műszer
Ha nem lenne a légellenállás és a csökkentett üzemanyag-fogyasztás repülés közben, az MI közvetlenül mérné a hajtómű hatékonyságát a tömeg előrehajtássá alakításában.
Speciális impulzus másodpercben
A legáltalánosabb mértékegység egy adott lökésre a Hs. Mind az SI összefüggésében, mind azokban az esetekben, amikor birodalmi vagy hagyományos értékeket használnak. A másodpercek előnye, hogy a mértékegység és a számérték minden rendszerben azonos, és alapvetően univerzálisak. Szinte minden gyártó másodpercek alatt felsorolja motorteljesítményét. És egy ilyen eszköz egy repülőgép-eszköz sajátosságainak meghatározásához is hasznos.
Az effektív kipufogó-sebesség megállapítására szolgáló méter/másodperc használata is meglehetősen gyakori. Ez a blokk intuitív a rakétahajtóművek leírásánál, bár az eszközök effektív kipufogósebessége jelentősen eltérhet a ténylegestől. Ennek valószínűleg az az oka, hogy az üzemanyagot és az oxidálószert a turbószivattyúk bekapcsolása után a vízbe dobták. Légbeszívású sugárhajtóműveknél a kipufogógáz effektív sebességének nincs fizikai jelentése. Bár összehasonlítási célokra használható.
Egységek
Az Ns-ban (kilogrammban) kifejezett értékek nem ritkák, és számszerűen megegyeznek az effektív kipufogógáz-sebességgel m/s-ban (Newton második törvényéből és az ő törvényéből).definíciók).
Egy másik egyenértékű mértékegység a fajlagos üzemanyag-fogyasztás. Mértékegységei vannak, például g (kN s) vagy lb/óra. Ezen egységek bármelyike fordítottan arányos az adott impulzussal. Az üzemanyag-fogyasztást pedig széles körben használják a sugárhajtóművek teljesítményének leírására.
Általános meghatározás
Minden jármű esetében a fajlagos impulzus (az üzemanyag egységnyi tömegére jutó nyomás a Földön) másodpercben a következő egyenlettel határozható meg.
A helyzet tisztázása érdekében fontos tisztázni, hogy:
- F a szabványos gravitációs erő, amely névlegesen a Föld felszínére ható teljesítményként van megadva, m/s 2-ben (vagy ft/s négyzetben).
- g a tömegáramlási sebesség kg/s-ban, amely negatívnak tűnik a jármű tömegének időbeli változásának sebességéhez képest (ahogy az üzemanyag kinyomódik).
Mérés
Az angol mértékegységet, a fontot gyakrabban használják, mint más mértékegységeket. És akkor is, ha ezt a másodpercenkénti értéket alkalmazzuk az áramlási sebességre, akkor az átalakításkor az r 0 állandó szükségtelenné válik. Ahogy méretben egyenértékűvé válik a fontokkal osztva g-vel 0.
I sp másodpercben az az idő, ameddig az eszköz képes egy rakétahajtómű meghatározott tolóerő-impulzusát generálni, ha a hajtóanyag tömege megegyezik a tolóerővel.
Ennek a megfogalmazásnak az az előnye, hogy használhatórakéták, ahol a teljes reakciótömeget a fedélzetre szállítják, valamint repülőgépek esetében, ahol a reakciótömeg nagy részét a légkörből veszik. Ezenkívül olyan eredményt ad, amely független a használt mértékegységektől.
Speciális impulzus sebességként (effektív kipufogógáz sebesség)
Az egyenletben szereplő g 0 geocentrikus tényező miatt sokan szívesebben határozzák meg a rakéta tolóerőt (különösen) az üzemanyag-áramlás egységnyi tömegére eső tolóerőben. Ez ugyanilyen érvényes (és bizonyos szempontból valamivel egyszerűbb) módszer a hajtóanyag fajlagos impulzushatékonyságának meghatározására. Ha más lehetőségeket is mérlegelünk, szinte mindenhol ugyanaz lesz a helyzet. Egy bizonyos specifikus impulzusú rakéták egyszerűen az eszközhöz viszonyított effektív kipufogó-sebesség. Egy adott push két attribútuma arányos egymással, és a következőképpen kapcsolódnak egymáshoz.
A képlet használatához meg kell értenie, hogy:
- I - specifikus impulzus másodpercben.
- v - tolás, m/s-ban mérve. Ami megegyezik az effektív kipufogógáz-sebességgel, m/s-ban (vagy ft/s-ban, g értékétől függően) mérve.
- g a gravitációs etalon, 9,80665 m/s 2. Birodalmi egységekben 32,174 láb/s 2.
Ez az egyenlet a sugárhajtóművekre is vonatkozik, de a gyakorlatban ritkán használják.
Ne feledje, hogy néha különböző karaktereket használnak. Például c-t a kipufogógáz sebességére is figyelembe kell venni. Míg a szimbólumAz sp logikailag használható UI-hoz N s/kg egységekben. A félreértések elkerülése érdekében célszerű egy meghatározott értékre lefoglalni, másodpercekben a leírás kezdete előtt mérve.
Ez a rakétahajtómű specifikus impulzusának, a képletnek a toló- vagy mozgási erejével kapcsolatos.
Itt m a tömeges üzemanyag-fogyasztás, ami a jármű nagyságának csökkenésének mértéke.
Minimalizálás
A rakétának hordoznia kell az összes hajtóanyagát. Ezért az el nem égett élelmiszer tömegét magával az eszközzel együtt kell gyorsítani. Egy adott tolóerő eléréséhez szükséges üzemanyag mennyiségének minimalizálása kritikus fontosságú a hatékony rakéták építéséhez.
Ciolkovszkij specifikus impulzusképlete azt mutatja, hogy egy adott üres tömegű és bizonyos mennyiségű üzemanyaggal rendelkező rakéta esetén a teljes sebességváltozás a kipufogógáz effektív sebességével arányosan elérhető.
A légcsavar nélküli űrhajó a pályája és a gravitációs mező által meghatározott pályán mozog. A megfelelő sebességmintától (amelyet Δv-nek neveznek) úgy lehet eltérni, hogy a kipufogógáz tömegét a kívánt változással ellenkező irányba tolják.
Tényleges sebesség versus tényleges sebesség
Itt érdemes megjegyezni, hogy ez a két fogalom jelentősen eltérhet. Például amikor egy rakétát elindítanak a légkörben, a motoron kívüli légnyomás okozzafékezőerő. Ez csökkenti a fajlagos impulzust, és csökken az effektív kipufogó-sebesség, miközben a tényleges sebesség gyakorlatilag változatlan marad. Ezenkívül néha a rakétahajtóműveknek külön fúvókája van a turbinagáz számára. Az effektív kipufogógáz-sebesség kiszámításához ezután a két tömegáram átlagolására van szükség, valamint figyelembe kell venni az esetleges légköri nyomást.
A hatékonyság növelése
Légbeszívású sugárhajtóműveknél, különösen turbóventilátoroknál, a tényleges kipufogó-sebesség és az effektív sebesség több nagyságrenddel eltér. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy ha levegőt használunk reakciómasszaként, jelentős többletnyomaték érhető el. Ez lehetővé teszi a légsebesség és a kipufogógáz sebességének jobb összehangolását, ami energiát és üzemanyagot takarít meg. És jelentősen növeli a hatásos komponenst, miközben csökkenti a tényleges gyorsaságot.
Energiahatékonyság
Rakéták és rakétaszerű motorok, például ionmodellek esetében az sp alacsonyabb energiahatékonyságot jelent.
Ebben a képletben v e a tényleges sugársebesség.
Ennélfogva a szükséges erő arányos az egyes kipufogógáz-sebességekkel. Nagyobb sebességnél sokkal több teljesítményre van szükség ugyanahhoz a tolóerőhöz, ami egy egységgel alacsonyabb energiahatékonyságot eredményez.
A küldetés teljes energiája azonban a teljes üzemanyag-felhasználástól, valamint az egységenkénti energiaigénytől függ. Alacsony kipufogó-sebességheza delta-v küldetést illetően hatalmas mennyiségű reakciótömegre van szükség. Valójában ezért a nagyon alacsony kipufogó-sebesség nem energiahatékony. De kiderült, hogy egyetlen típus sem éri el a legmagasabb pontszámot.
Változó
Elméletileg egy adott delta-v esetén, térben, az összes rögzített kipufogógáz-sebesség értéke között, ve=0,6275 a legenergiahatékonyabb egy adott végső tömeghez. Ha többet szeretne megtudni, megtekintheti az űrhajó meghajtó berendezésének energiáját.
A változtatható kipufogógáz-arány azonban még energiahatékonyabb lehet. Például, ha egy rakétát valamilyen pozitív kezdeti sebességgel felgyorsítanak olyan kipufogógáz-sebességgel, amely megegyezik a termék sebességével, akkor a reakciótömeg kinetikai összetevőjeként nem vész el energia. Ahogy mozdulatlanná válik.
