Specifieke impuls (SP) is een maatstaf voor hoe efficiënt een raket of motor brandstof gebruikt. Dit is per definitie de totale geleverde stroomstoot per verbruikte eenheid vermogen en is even groot als de opgewekte stuwkracht gedeeld door de massastroom. Als kilogrammen worden gebruikt als de eenheid van drijfgas, dan wordt de specifieke impuls gemeten in termen van snelheid. Als in plaats daarvan een gewicht in newton of pond-kracht wordt gebruikt, wordt de specifieke waarde uitgedrukt in tijd, meestal in seconden.
Vermenigvuldigen van de stroomsnelheid met de standaard zwaartekracht zet de GI om in massa.
Tsiolkovsky-vergelijking
De specifieke impuls van een motor met een hogere massa wordt efficiënter gebruikt om voorwaartse stuwkracht te genereren. En in het geval dat een raket wordt gebruikt, is er minder brandstof nodig. Hij is het die nodig is voor deze delta-v. Volgens de vergelijking:Tsiolkovsky, in de specifieke impuls van een raketmotor, is de motor efficiënter in klimmen, afstand en snelheid. Deze prestatie is minder belangrijk in reactieve modellen. Die vleugels en buitenlucht gebruiken voor de verbranding. En een lading vervoeren die veel zwaarder is dan brandstof.
Specifieke impuls omvat beweging die wordt gegenereerd door buitenlucht die wordt gebruikt voor verbranding en die wordt verbruikt door verbruikte splijtstof. Straalmotoren gebruiken hiervoor de buitenatmosfeer. En daarom hebben ze een veel hogere gebruikersinterface dan raketmotoren. Dit concept, vanuit het oogpunt van de verbruikte brandstofmassa, heeft eenheden voor het meten van afstand in de tijd. Dat is een kunstmatige waarde die "effectieve uitlaatgassnelheid" wordt genoemd. Dit is hoger dan de werkelijke uitlaatsnelheid. Omdat er geen rekening wordt gehouden met de luchtmassa voor verbranding. Werkelijke en effectieve uitlaatsnelheid zijn hetzelfde in raketmotoren die bijvoorbeeld geen lucht of water gebruiken.
Algemene overwegingen
De hoeveelheid brandstof wordt meestal gemeten in eenheden van massa. Als het wordt gebruikt, dan is de specifieke impuls de impuls per EM, die, zoals blijkt uit de grootteanalyse, snelheidseenheden heeft. En dus wordt UI vaak gemeten in meters per seconde. En vaak aangeduid als de effectieve snelheid van de uitlaat. Als echter massa wordt gebruikt, blijkt de specifieke impuls van de brandstof gedeeld door de kracht een tijdseenheid te zijn. En dus worden specifieke pushes in seconden gemeten.
Het is deze regel die de belangrijkste is in de moderne wereld, veel gebruikt metcoëfficiënt r0 (constante van de zwaartekrachtversnelling op het aardoppervlak).
Het is vermeldenswaard dat de snelheid waarmee de impuls van de raket (inclusief de brandstof) per tijdseenheid verandert, gelijk is aan de specifieke stuwkrachtimpuls.
Specificaties
Hoe hoger de duw, hoe minder brandstof er nodig is om een bepaalde stuwkracht gedurende een bepaalde tijd te genereren. In dit opzicht is de vloeistof effectiever, hoe groter de gebruikersinterface. Dit moet echter niet worden verward met energie-efficiëntie, die kan afnemen bij toenemende stuwkracht, aangezien de specifieke impuls van de motor, die hoge resultaten geeft, veel energie vereist om dit te doen.
Het is ook belangrijk om een pull te onderscheiden en niet te verwarren met een specifieke push. De gebruikersinterface wordt gemaakt per verbruikte eenheid brandstof. En stuwkracht is de momentane of piekkracht die door een bepaald apparaat wordt gegenereerd. In veel gevallen produceren zeer hoge specifieke impulsvoortstuwingssystemen - sommige ioneninstallaties bereiken 10.000 seconden - een lage stuwkracht.
Bij het berekenen van de duw wordt alleen rekening gehouden met de brandstof die vóór gebruik met het voertuig is vervoerd. Daarom omvat de massa voor een raketchemicus zowel het drijfgas als het oxidatiemiddel. Voor motoren met luchtcirculatie wordt alleen rekening gehouden met de hoeveelheid vloeistof, niet met de luchtmassa die door de motor gaat.
Atmosferische weerstand en het onvermogen van de plant om een hoge specifieke impuls te behouden bij hoge verbrandingssnelheden is precies de reden waarom niet alle brandstof zo snel mogelijk wordt verbruikt.
Zwaardereen motor met een goede MI is mogelijk niet zo effectief in klimmen, afstand of snelheid als een licht instrument met slechte prestaties
Zonder luchtweerstand en lager brandstofverbruik tijdens de vlucht, zou MI een directe maatstaf zijn voor de efficiëntie van een motor bij het omzetten van massa in voorwaartse voortstuwing.
Specifieke impuls in seconden
De meest voorkomende eenheid voor een bepaalde druk is Hs. Zowel in de context van de SI als in gevallen waar imperiale of conventionele waarden worden gebruikt. Het voordeel van seconden is dat de maateenheid en numerieke waarde voor alle systemen hetzelfde zijn en in wezen universeel zijn. Bijna alle fabrikanten vermelden hun motorprestaties in seconden. En zo'n apparaat is ook handig om de details van een vliegtuigapparaat te bepalen.
Meters per seconde gebruiken om de effectieve uitlaatsnelheid te vinden, is ook vrij gebruikelijk. Dit blok is intuïtief bij het beschrijven van raketmotoren, hoewel de effectieve uitlaatsnelheid van de apparaten aanzienlijk kan verschillen van de werkelijke. Dit is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan het feit dat de brandstof en het oxidatiemiddel overboord worden gedumpt nadat de turbopompen zijn ingeschakeld. Voor luchtademende straalmotoren heeft de effectieve uitlaatsnelheid geen fysieke betekenis. Hoewel het kan worden gebruikt voor vergelijkingsdoeleinden.
Eenheden
Waarden uitgedrukt in Ns (in kilogram) zijn niet ongebruikelijk en numeriek gelijk aan de effectieve uitlaatsnelheid in m / s (uit de tweede wet van Newton en zijndefinities).
Een andere equivalente eenheid is het specifieke brandstofverbruik. Het heeft meeteenheden zoals g (kN s) of lb/hr. Elk van deze eenheden is omgekeerd evenredig met een specifieke impuls. En brandstofverbruik wordt veel gebruikt om de prestaties van straalmotoren te beschrijven.
Algemene definitie
Voor alle voertuigen kan de specifieke impuls (druk per gewichtseenheid brandstof op aarde) in seconden worden bepaald door de volgende vergelijking.
Om de situatie te verduidelijken, is het belangrijk om te verduidelijken dat:
- F is de standaard zwaartekracht, die nominaal wordt uitgedrukt als de kracht op het aardoppervlak, in m/s 2 (of ft/s kwadraat).
- g is het massadebiet in kg/s, dat negatief lijkt ten opzichte van de veranderingssnelheid van de massa van het voertuig in de loop van de tijd (aangezien er brandstof naar buiten wordt geduwd).
Meting
De Engelse eenheid, het pond, wordt vaker gebruikt dan andere eenheden. En ook bij het toepassen van deze waarde per seconde voor het debiet, bij het omrekenen, wordt de constante r 0 overbodig. Aangezien het dimensionaal gelijk wordt aan ponden gedeeld door g 0.
I sp in seconden is de tijd waarin het apparaat een specifieke stuwkrachtstoot van een raketmotor kan genereren, gegeven een hoeveelheid drijfgas waarvan het gewicht gelijk is aan de stuwkracht.
Het voordeel van deze formulering is dat het kan worden gebruikt omraketten, waar de volledige reactiemassa aan boord wordt vervoerd, en voor vliegtuigen, waar het grootste deel van de reactiemassa uit de atmosfeer wordt gehaald. Het geeft ook een resultaat dat onafhankelijk is van de gebruikte eenheden.
Specifieke impuls als snelheid (effectieve uitlaatsnelheid)
Vanwege de geocentrische factor g 0 in de vergelijking, geven velen er de voorkeur aan om raketstuwkracht (in het bijzonder) te definiëren in termen van stuwkracht per massa-eenheid brandstofstroom. Dit is een even geldige (en in sommige opzichten iets eenvoudigere) manier om de specifieke impulsefficiëntie van een drijfgas te bepalen. Als we andere opties overwegen, zal de situatie bijna overal hetzelfde zijn. Raketten met een bepaalde specifieke impuls zijn eenvoudigweg de effectieve uitlaatsnelheid ten opzichte van het apparaat. De twee attributen van een bepaalde push zijn evenredig aan elkaar en zijn als volgt gerelateerd.
Om de formule te gebruiken, moet je het volgende begrijpen:
- I - specifieke impuls in seconden.
- v - duw, gemeten in m/s. Wat gelijk is aan de effectieve uitlaatsnelheid, gemeten in m/s (of ft/s, afhankelijk van de waarde van g).
- g is de standaard van zwaartekracht, 9,80665 m/s 2. In Engelse eenheden 32.174 ft/s 2.
Deze vergelijking is ook van toepassing op straalmotoren, maar wordt in de praktijk zelden gebruikt.
Merk op dat soms verschillende karakters worden gebruikt. Zo wordt c ook in aanmerking genomen voor de uitlaatsnelheid. Terwijl het symboolsp kan logischerwijs worden gebruikt voor UI in eenheden van N s/kg. Om verwarring te voorkomen, is het wenselijk om het te reserveren voor een specifieke waarde, gemeten in seconden voor het begin van de beschrijving.
Dit heeft te maken met de stuwkracht of de bewegingskracht van de specifieke impuls van de raketmotor, de formule.
Hier is m het massale brandstofverbruik, de snelheid waarmee de omvang van het voertuig afneemt.
Minimalisering
De raket moet al zijn drijfgas dragen. Daarom moet de massa onverbrand voedsel samen met het apparaat zelf worden versneld. Het minimaliseren van de hoeveelheid brandstof die nodig is om een bepaalde stuwkracht te bereiken is van cruciaal belang voor het bouwen van efficiënte raketten.
Tsiolkovsky's specifieke impulsformule laat zien dat voor een raket met een gegeven lege massa en een bepaalde hoeveelheid brandstof de totale snelheidsverandering kan worden bereikt in verhouding tot de effectieve snelheid van de uitlaat.
Een ruimtevaartuig zonder propeller beweegt in een baan die wordt bepaald door zijn baan en een eventueel zwaartekrachtveld. Afwijkingen van het overeenkomstige snelheidspatroon (calledv genaamd) worden bereikt door de uitlaatgasmassa in de tegenovergestelde richting van de gewenste verandering te duwen.
Werkelijke snelheid versus effectieve snelheid
Hier is het vermeldenswaard dat deze twee concepten aanzienlijk kunnen verschillen. Wanneer bijvoorbeeld een raket in de atmosfeer wordt gelanceerd, veroorzaakt de luchtdruk buiten de motor:remkracht. Waardoor de specifieke impuls wordt verminderd en de effectieve uitlaatsnelheid wordt verminderd, terwijl de werkelijke snelheid vrijwel onveranderd blijft. Bovendien hebben raketmotoren soms een apart mondstuk voor turbinegas. De berekening van de effectieve uitlaatsnelheid vereist dan het middelen van de twee massastromen en het in aanmerking nemen van eventuele atmosferische druk.
Verhogen efficiëntie
Voor lucht-ademende straalmotoren, in het bijzonder turbofans, verschillen de werkelijke uitlaatsnelheid en effectieve snelheid met verschillende ordes van grootte. Dit komt doordat bij gebruik van lucht als reactiemassa een aanzienlijk extra momentum wordt bereikt. Dit zorgt voor een betere afstemming tussen luchtsnelheid en uitlaatsnelheid, wat energie en brandstof bespaart. En verhoogt de effectieve component aanzienlijk terwijl de werkelijke snelheid wordt verminderd.
Energie-efficiëntie
Voor raketten en raketachtige motoren zoals ionenmodellen betekent sp een lagere energie-efficiëntie.
In deze formule is v e de werkelijke straalsnelheid.
Daarom is de vereiste kracht evenredig met elke uitlaatsnelheid. Bij hogere snelheden is er veel meer vermogen nodig voor dezelfde stuwkracht, wat resulteert in minder energie-efficiëntie met één eenheid.
De totale energie voor een missie hangt echter af van het totale brandstofverbruik en van hoeveel energie er per eenheid nodig is. Voor lage uitlaatsnelheidmet betrekking tot de delta-v-missie zijn enorme hoeveelheden reactiemassa nodig. In feite is om deze reden een zeer lage uitlaatsnelheid niet energiezuinig. Maar het blijkt dat geen enkel type de hoogste scores heeft.
Variabele
Theoretisch is ve=0,6275 voor een gegeven delta-v in de ruimte, van alle vaste uitlaatsnelheidswaarden, de meest energie-efficiënte voor een gegeven uiteindelijke massa. Voor meer informatie kunt u de energie in het voortstuwingsapparaat van het ruimtevaartuig bekijken.
Variabele uitlaatsnelheden kunnen echter nog energiezuiniger zijn. Als een raket bijvoorbeeld wordt versneld met een positieve beginsnelheid met behulp van een uitlaatsnelheid die gelijk is aan de productsnelheid, gaat er geen energie verloren als kinetische component van de reactiemassa. Naarmate het stationair wordt.
