Το
Specific Impulse (SP) είναι ένα μέτρο του πόσο αποτελεσματικά ένας πύραυλος ή ένας κινητήρας χρησιμοποιεί καύσιμο. Εξ ορισμού, αυτό είναι το συνολικό κύμα που παρέχεται ανά μονάδα ισχύος που καταναλώνεται και είναι ισοδύναμο σε μέγεθος με την ώθηση που δημιουργείται διαιρούμενη με τη ροή μάζας. Εάν χρησιμοποιούνται κιλά ως μονάδα προωθητικού, τότε η ειδική ώθηση μετράται ως προς την ταχύτητα. Εάν χρησιμοποιείται αντί αυτού ένα βάρος σε νιούτον ή λίβρες-δύναμη, τότε η συγκεκριμένη τιμή εκφράζεται σε όρους χρόνου, συνηθέστερα σε δευτερόλεπτα.
Πολλαπλασιάζοντας την ταχύτητα ροής με την τυπική βαρύτητα μετατρέπει το GI σε μάζα.
εξίσωση Tsiolkovsky
Η ειδική ώθηση ενός κινητήρα μεγαλύτερης μάζας χρησιμοποιείται πιο αποτελεσματικά για τη δημιουργία ώθησης προς τα εμπρός. Και στην περίπτωση που χρησιμοποιείται πύραυλος, απαιτείται λιγότερα καύσιμα. Είναι αυτός που χρειάζεται για αυτό το delta-v. Σύμφωνα με την εξίσωσηTsiolkovsky, στη συγκεκριμένη ώθηση ενός πυραυλοκινητήρα, ο κινητήρας είναι πιο αποτελεσματικός στην αναρρίχηση, την απόσταση και την ταχύτητα. Αυτή η απόδοση είναι λιγότερο σημαντική σε αντιδραστικά μοντέλα. Τα οποία χρησιμοποιούν φτερά και εξωτερικό αέρα για καύση. Και μεταφέρετε ένα ωφέλιμο φορτίο που είναι πολύ βαρύτερο από τα καύσιμα.
Η ειδική ώθηση περιλαμβάνει την κίνηση που δημιουργείται από τον εξωτερικό αέρα που χρησιμοποιείται για την καύση και εξαντλείται από το αναλωμένο καύσιμο. Οι κινητήρες τζετ χρησιμοποιούν την εξωτερική ατμόσφαιρα για αυτό. Και επομένως έχουν πολύ υψηλότερο UI από τους κινητήρες πυραύλων. Αυτή η έννοια, από την άποψη της μάζας του καυσίμου που καταναλώνεται, έχει μονάδες μέτρησης της απόστασης με την πάροδο του χρόνου. Οι οποίες είναι μια τεχνητή τιμή που ονομάζεται "αποτελεσματική ταχύτητα καυσαερίων". Αυτή είναι μεγαλύτερη από την πραγματική ταχύτητα εξάτμισης. Επειδή δεν λαμβάνεται υπόψη η μάζα του αέρα για καύση. Η πραγματική και η αποτελεσματική ταχύτητα εξάτμισης είναι η ίδια σε κινητήρες πυραύλων που δεν χρησιμοποιούν αέρα ή νερό, για παράδειγμα.
Γενικές εκτιμήσεις
Η ποσότητα του καυσίμου συνήθως μετριέται σε μονάδες μάζας. Εάν χρησιμοποιείται, τότε η συγκεκριμένη ώθηση είναι η ώθηση ανά ΕΜ, η οποία, όπως φαίνεται από την ανάλυση μεγέθους, έχει μονάδες ταχύτητας. Και έτσι η διεπαφή χρήστη μετριέται συχνά σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Και συχνά αναφέρεται ως η αποτελεσματική ταχύτητα της εξάτμισης. Ωστόσο, εάν χρησιμοποιηθεί μάζα, η ειδική ώθηση του καυσίμου διαιρεμένη με τη δύναμη αποδεικνύεται ότι είναι μονάδα χρόνου. Και έτσι συγκεκριμένες ωθήσεις μετρώνται σε δευτερόλεπτα.
Αυτός ο κανόνας είναι ο κύριος στον σύγχρονο κόσμο, με τον οποίο χρησιμοποιείται ευρέωςσυντελεστής r0 (σταθερά βαρυτικής επιτάχυνσης στην επιφάνεια της Γης).
Αξίζει να σημειωθεί ότι ο ρυθμός μεταβολής της ώθησης του πυραύλου (συμπεριλαμβανομένου του καυσίμου του) ανά μονάδα χρόνου είναι ίσος με τη συγκεκριμένη ώθηση.
Συγκεκριμένα
Όσο μεγαλύτερη είναι η ώθηση, τόσο λιγότερο καύσιμο απαιτείται για να δημιουργηθεί μια δεδομένη ώθηση για ορισμένο χρονικό διάστημα. Από αυτή την άποψη, το υγρό είναι πιο αποτελεσματικό, τόσο μεγαλύτερη είναι η διεπαφή χρήστη του. Ωστόσο, αυτό δεν πρέπει να συγχέεται με την ενεργειακή απόδοση, η οποία μπορεί να μειωθεί με την αύξηση της ώσης, καθώς η ειδική ώθηση του κινητήρα, που δίνει υψηλά αποτελέσματα, απαιτεί πολλή ενέργεια για να γίνει αυτό.
Επίσης, είναι σημαντικό να διακρίνετε και να μην συγχέετε ένα τράβηγμα με μια συγκεκριμένη ώθηση. Η διεπαφή χρήστη δημιουργείται ανά μονάδα καυσίμου που καταναλώνεται. Και η ώθηση είναι η στιγμιαία ή η μέγιστη δύναμη που δημιουργείται από μια συγκεκριμένη συσκευή. Σε πολλές περιπτώσεις, συστήματα προώθησης ώθησης πολύ υψηλής ειδικής ώθησης - ορισμένες εγκαταστάσεις ιόντων φτάνουν τα 10.000 δευτερόλεπτα - παράγουν χαμηλή ώθηση.
Κατά τον υπολογισμό της ώθησης, λαμβάνεται υπόψη μόνο το καύσιμο που μεταφέρεται με το όχημα πριν από τη χρήση. Επομένως, για έναν χημικό πυραύλων, η μάζα θα περιλαμβάνει τόσο το προωθητικό όσο και το οξειδωτικό. Για κινητήρες που αναπνέουν αέρα, λαμβάνεται υπόψη μόνο η ποσότητα του υγρού, όχι η μάζα του αέρα που διέρχεται από τον κινητήρα.
Η ατμοσφαιρική αντίσταση και η αδυναμία του εργοστασίου να διατηρήσει υψηλή ειδική ώθηση σε υψηλούς ρυθμούς καύσης είναι ακριβώς ο λόγος για τον οποίο όλα τα καύσιμα δεν χρησιμοποιούνται όσο το δυνατόν γρηγορότερα.
Βαρύτεροένας κινητήρας με καλό MI μπορεί να μην είναι τόσο αποτελεσματικός στην αναρρίχηση, την απόσταση ή την ταχύτητα όσο ένα ελαφρύ όργανο με κακή απόδοση
Αν δεν υπήρχε η αντίσταση του αέρα και η μειωμένη κατανάλωση καυσίμου κατά τη διάρκεια της πτήσης, το MI θα ήταν ένα άμεσο μέτρο της απόδοσης ενός κινητήρα στη μετατροπή της μάζας σε πρόωση προς τα εμπρός.
Συγκεκριμένη ώθηση σε δευτερόλεπτα
Η πιο κοινή μονάδα για μια συγκεκριμένη ώθηση είναι Hs. Τόσο στο πλαίσιο του SI όσο και σε περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται αυτοκρατορικές ή συμβατικές τιμές. Το πλεονέκτημα των δευτερολέπτων είναι ότι η μονάδα μέτρησης και η αριθμητική τιμή είναι ίδιες για όλα τα συστήματα και είναι ουσιαστικά καθολικές. Σχεδόν όλοι οι κατασκευαστές καταγράφουν την απόδοση του κινητήρα τους σε δευτερόλεπτα. Και μια τέτοια συσκευή είναι επίσης χρήσιμη για τον προσδιορισμό των ιδιαιτεροτήτων μιας συσκευής αεροσκάφους.
Η χρήση μετρητών ανά δευτερόλεπτο για την εύρεση της πραγματικής ταχύτητας εξάτμισης είναι επίσης αρκετά συνηθισμένη. Αυτό το μπλοκ είναι διαισθητικό όταν περιγράφει κινητήρες πυραύλων, αν και η πραγματική ταχύτητα εξάτμισης των συσκευών μπορεί να διαφέρει σημαντικά από την πραγματική. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στο ότι το καύσιμο και το οξειδωτικό πέφτουν στη θάλασσα μετά την ενεργοποίηση των στροβιλοαντλιών. Για τους κινητήρες αεριωθούμενου αέρα, η πραγματική ταχύτητα εξάτμισης δεν έχει καμία φυσική σημασία. Αν και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για λόγους σύγκρισης.
Μονάδες
Οι τιμές που εκφράζονται σε Ns (σε κιλά) δεν είναι ασυνήθιστες και αριθμητικά ίσες με την πραγματική ταχύτητα εξάτμισης σε m/s (από τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα και τονορισμοί).
Μια άλλη ισοδύναμη μονάδα είναι η ειδική κατανάλωση καυσίμου. Έχει μονάδες μέτρησης όπως g (kN s) ή lb/hr. Οποιαδήποτε από αυτές τις μονάδες είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη συγκεκριμένη ώθηση. Και η κατανάλωση καυσίμου χρησιμοποιείται ευρέως για να περιγράψει την απόδοση των κινητήρων τζετ.
Γενικός ορισμός
Για όλα τα οχήματα, η ειδική ώθηση (ώθηση ανά μονάδα βάρους καυσίμου στη Γη) σε δευτερόλεπτα μπορεί να προσδιοριστεί από την ακόλουθη εξίσωση.
Για να διευκρινιστεί η κατάσταση, είναι σημαντικό να διευκρινιστεί ότι:
- F είναι η τυπική δύναμη της βαρύτητας, η οποία ονομαστικά δηλώνεται ως η ισχύς στην επιφάνεια της Γης, σε m/s 2 (ή ft/s στο τετράγωνο).
- g είναι ο ρυθμός ροής μάζας σε kg/s, ο οποίος εμφανίζεται αρνητικός σε σχέση με τον ρυθμό μεταβολής της μάζας του οχήματος με την πάροδο του χρόνου (καθώς το καύσιμο ωθεί προς τα έξω).
Μέτρηση
Η αγγλική μονάδα, η λίβρα, χρησιμοποιείται πιο συχνά από άλλες μονάδες. Και επίσης όταν εφαρμόζεται αυτή η τιμή ανά δευτερόλεπτο για το ρυθμό ροής, κατά τη μετατροπή, η σταθερά r 0 καθίσταται περιττή. Καθώς γίνεται διαστατικά ισοδύναμο με λίβρες διαιρούμενο με g 0.
I sp σε δευτερόλεπτα είναι ο χρόνος για τον οποίο η συσκευή μπορεί να δημιουργήσει μια συγκεκριμένη ώθηση ενός κινητήρα πυραύλων, δεδομένης μιας ποσότητας προωθητικού του οποίου το βάρος είναι ίσο με την ώθηση.
Το πλεονέκτημα αυτής της διατύπωσης είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθείπυραύλους, όπου ολόκληρη η μάζα αντίδρασης μεταφέρεται επί του σκάφους, καθώς και για αεροσκάφη, όπου το μεγαλύτερο μέρος της μάζας της αντίδρασης λαμβάνεται από την ατμόσφαιρα. Επίσης, δίνει ένα αποτέλεσμα που είναι ανεξάρτητο από τις μονάδες που χρησιμοποιούνται.
Ειδική ώθηση ως ταχύτητα (αποτελεσματική ταχύτητα εξάτμισης)
Λόγω του γεωκεντρικού παράγοντα g 0 στην εξίσωση, πολλοί προτιμούν να ορίσουν την ώθηση του πυραύλου (ιδιαίτερα) ως προς την ώση ανά μονάδα μάζας ροής καυσίμου. Αυτός είναι ένας εξίσου έγκυρος (και κατά κάποιο τρόπο κάπως απλούστερος) τρόπος προσδιορισμού της ειδικής απόδοσης ώθησης ενός προωθητικού. Αν εξετάσουμε άλλες επιλογές, η κατάσταση θα είναι σχεδόν παντού ίδια. Οι πύραυλοι μιας συγκεκριμένης ώθησης είναι απλώς η αποτελεσματική ταχύτητα εξάτμισης σε σχέση με τη συσκευή. Οι δύο ιδιότητες μιας συγκεκριμένης ώθησης είναι ανάλογες μεταξύ τους και σχετίζονται ως εξής.
Για να χρησιμοποιήσετε τον τύπο, πρέπει να καταλάβετε ότι:
- I - συγκεκριμένη ώθηση σε δευτερόλεπτα.
- v - ώθηση, μετρημένη σε m/s. Η οποία είναι ίση με την πραγματική ταχύτητα εξάτμισης, μετρημένη σε m/s (ή ft/s, ανάλογα με την τιμή του g).
- g είναι το πρότυπο βαρύτητας, 9,80665 m/s 2. Σε Imperial μονάδες 32,174 ft/s 2.
Το
Αυτή η εξίσωση ισχύει επίσης για κινητήρες τζετ, αλλά χρησιμοποιείται σπάνια στην πράξη.
Λάβετε υπόψη ότι μερικές φορές χρησιμοποιούνται διαφορετικοί χαρακτήρες. Για παράδειγμα, το c λαμβάνεται επίσης υπόψη για την ταχύτητα εξάτμισης. Ενώ το σύμβολοΤο sp μπορεί λογικά να χρησιμοποιηθεί για UI σε μονάδες N s/kg. Για να αποφευχθεί η σύγχυση, είναι επιθυμητό να το κρατήσετε για μια συγκεκριμένη τιμή, μετρημένη σε δευτερόλεπτα πριν από την έναρξη της περιγραφής.
Αυτό σχετίζεται με την ώθηση ή τη δύναμη κίνησης της συγκεκριμένης ώθησης του πυραυλοκινητήρα, ο τύπος.
Εδώ m είναι η κατανάλωση μάζας καυσίμου, που είναι ο ρυθμός μείωσης του μεγέθους του οχήματος.
Ελαχιστοποίηση
Ο πύραυλος πρέπει να φέρει όλο το προωθητικό του. Επομένως, η μάζα των άκαυτων τροφίμων πρέπει να επιταχυνθεί μαζί με την ίδια τη συσκευή. Η ελαχιστοποίηση της ποσότητας καυσίμου που απαιτείται για την επίτευξη μιας δεδομένης ώθησης είναι κρίσιμης σημασίας για την κατασκευή αποτελεσματικών πυραύλων.
Ο τύπος ειδικής ώθησης του Tsiolkovsky δείχνει ότι για έναν πύραυλο με δεδομένη κενή μάζα και ορισμένη ποσότητα καυσίμου, η συνολική αλλαγή στην ταχύτητα μπορεί να επιτευχθεί σε αναλογία με την πραγματική ταχύτητα της εξάτμισης.
Ένα διαστημόπλοιο χωρίς έλικα κινείται σε τροχιά που καθορίζεται από την τροχιά του και οποιοδήποτε βαρυτικό πεδίο. Οι αποκλίσεις από το αντίστοιχο μοτίβο ταχύτητας (που ονομάζεται Δv) επιτυγχάνονται πιέζοντας τη μάζα των καυσαερίων προς την αντίθετη κατεύθυνση της επιθυμητής αλλαγής.
Πραγματική ταχύτητα έναντι πραγματικής ταχύτητας
Εδώ αξίζει να σημειωθεί ότι αυτές οι δύο έννοιες μπορεί να διαφέρουν σημαντικά. Για παράδειγμα, όταν ένας πύραυλος εκτοξεύεται στην ατμόσφαιρα, η πίεση του αέρα έξω από τον κινητήρα προκαλείδύναμη πέδησης. Που μειώνει την ειδική ώθηση και μειώνεται η πραγματική ταχύτητα εξάτμισης, ενώ η πραγματική ταχύτητα παραμένει πρακτικά αμετάβλητη. Επιπλέον, μερικές φορές οι πυραυλοκινητήρες έχουν ξεχωριστό ακροφύσιο για το αέριο του στροβίλου. Ο υπολογισμός της πραγματικής ταχύτητας καυσαερίων απαιτεί στη συνέχεια τον υπολογισμό του μέσου όρου των δύο ροών μάζας καθώς και τη συνεκτίμηση τυχόν ατμοσφαιρικής πίεσης.
Αύξηση αποτελεσματικότητας
Για κινητήρες αεριωθούμενου αεριωθούμενου αέρα, ιδιαίτερα τους turbofans, η πραγματική ταχύτητα εξάτμισης και η πραγματική ταχύτητα διαφέρουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όταν χρησιμοποιείται αέρας ως μάζα αντίδρασης, επιτυγχάνεται μια σημαντική πρόσθετη ορμή. Αυτό επιτρέπει την καλύτερη αντιστοίχιση μεταξύ της ταχύτητας αέρα και της ταχύτητας της εξάτμισης, η οποία εξοικονομεί ενέργεια και καύσιμο. Και αυξάνει σημαντικά το αποτελεσματικό συστατικό, ενώ μειώνει την πραγματική ταχύτητα.
Ενεργειακή απόδοση
Για πυραύλους και κινητήρες τύπου πυραύλων, όπως μοντέλα ιόντων, το sp συνεπάγεται χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση.
Σε αυτόν τον τύπο, v e είναι η πραγματική ταχύτητα πίδακα.
Επομένως, η απαιτούμενη δύναμη είναι ανάλογη με κάθε ταχύτητα εξάτμισης. Σε υψηλότερες ταχύτητες, απαιτείται πολύ περισσότερη ισχύς για την ίδια ώθηση, με αποτέλεσμα λιγότερη ενεργειακή απόδοση κατά μία μονάδα.
Ωστόσο, η συνολική ενέργεια για μια αποστολή εξαρτάται από τη συνολική κατανάλωση καυσίμου καθώς και από το πόση ενέργεια απαιτείται ανά μονάδα. Για χαμηλή ταχύτητα εξάτμισηςΌσον αφορά την αποστολή delta-v, χρειάζονται τεράστιες ποσότητες μάζας αντίδρασης. Στην πραγματικότητα, για αυτό το λόγο, μια πολύ χαμηλή ταχύτητα εξάτμισης δεν είναι ενεργειακά αποδοτική. Αλλά αποδεικνύεται ότι κανένας τύπος δεν έχει τις υψηλότερες βαθμολογίες.
Μεταβλητή
Θεωρητικά, για ένα δεδομένο δέλτα-v, στο διάστημα, μεταξύ όλων των σταθερών τιμών ταχύτητας καυσαερίων, το ve=0,6275 είναι το πιο ενεργειακά αποδοτικό για μια δεδομένη τελική μάζα. Για να μάθετε περισσότερα, μπορείτε να δείτε την ενέργεια στη συσκευή πρόωσης του διαστημικού σκάφους.
Ωστόσο, οι μεταβλητοί ρυθμοί καυσαερίων μπορούν να είναι ακόμη πιο ενεργειακά αποδοτικοί. Για παράδειγμα, εάν ένας πύραυλος επιταχυνθεί με κάποια θετική αρχική ταχύτητα χρησιμοποιώντας ταχύτητα εξάτμισης ίση με την ταχύτητα προϊόντος, δεν χάνεται ενέργεια ως κινητική συνιστώσα της μάζας της αντίδρασης. Καθώς γίνεται ακίνητο.
