Питома імпульс: визначення поняття, характеристика, розрахунок

Питома імпульс (УІ) являє собою міру того, наскільки ефективно ракета або двигун використовують паливо. За визначенням, це сумарний сплеск, що доставляється на одиницю спожитого харчування, і за розміром еквівалентний генерується тязі, діленої на масовий витрата. Якщо кілограми використовуються як одиниця палива, тоді питома імпульс вимірюється в швидкості. Якщо замість цього застосовується вага в ньютонах або фунт-силі, то певне значення виражається в часі, найчастіше в секундах.

Множення швидкості потоку на стандартну силу тяжіння перетворює УІ в масу.

Рівняння Ціолковського

Питома імпульс двигуна з більш високою масою ефективніше використовується для створення тяги вперед. А у випадку, коли використовується ракета, то потрібно менше палива. Саме він необхідний для даної дельти-v. Згідно рівняння Ціолковського, в питомій імпульсі ракетного двигуна, мотор більш ефективний при наборі висоти, відстані і швидкості. Ця результативність менш важлива в реактивних моделях. Які використовують крила і зовнішнє повітря для згоряння. І несуть корисну навантаження, яка набагато важче, ніж паливо.

Питома імпульс включає рух, створюване зовнішнім повітрям, який застосовується для спалювання і виснажується відпрацьованим паливом. Реактивні двигуни для цього використовують зовнішню атмосферу. І тому мають набагато більш високий УІ, ніж ракетні двигуни. Дане поняття, з точки зору витрачається маси палива, має одиниці виміру відстані за час. Які представляють собою штучну величину, звану «ефективною швидкістю відпрацьованих газів». Це вище, ніж фактична стрімкість вихлопу. Тому що маса повітря для горіння не враховується. Фактична і ефективна швидкість вихлопу однакові в ракетних двигунах, в яких не використовується повітря або, наприклад, вода.

Загальні міркування

Кількість пального зазвичай вимірюється в одиницях маси. Якщо вона використовується, то питома поштовх являє собою імпульс на ЕМ, який, як показує аналіз розмірів, має одиниці швидкості. І тому УІ часто вимірюються в метрах в секунду. І часто називаються ефективної стрімкістю вихлопу. Однак якщо використовується маса, питома імпульс палива, поділений на силу, виявляється одиницею часу. І тому конкретні поштовхи вимірюються в секундах.

Саме це правило є основним у сучасному світі, широко використовується з коефіцієнтом г0 (постійна від гравітаційного прискорення на поверхні Землі).

Варто звернути увагу, що швидкість зміни спонукання ракети (у тому числі її палива) за одиницю часу дорівнює питомій імпульсу тяги.

Специфіка

Чим вище поштовх, тим менше палива потрібно для створення заданої тяги протягом певного часу. В цьому відношенні рідина тим ефективніше, чим більше його УІ. Однак це не слід плутати з енергоефективністю, яка може зменшуватися при збільшенні поштовху, оскільки питома імпульс двигуна, що дає високі результати, вимагає для цього великої енергії.

Дивіться також:  Виробничі ризики - це що? Визначення, класифікація та аналіз виробничих ризиків

Крім того, важливо розрізняти і не плутати тягу і специфічний поштовх. УІ створюється на одиницю витраченого палива. А тяга — це миттєва або пікова сила, яка утворюється конкретним пристроєм. У багатьох випадках рухові установки з дуже високим питомим імпульсом — деякі іонні установки досягають 10 000 секунд — створюють низьку тягу.

При розрахунку поштовху враховується тільки паливо, що перевозиться з транспортним засобом перед використанням. Отже, для ракети-хіміка маса буде включати в себе як паливо, так і окислювач. Для двигунів з повітряним диханням враховується тільки сума рідини, а не маса повітря, що проходить через двигун.

Опір атмосфери і нездатність установки підтримувати високий питомий імпульс при великій швидкості горіння — це саме та причина, чому все паливо не використовується настільки швидко, наскільки це можливо.

Більш важкий двигун з хорошим УІ може бути не так ефективний при наборі висоти, відстані або швидкості, як легкий прилад з низькими показниками

Якби не опір повітря і зменшення витрат пального під час польоту, УІ був би прямий мірою ефективності двигуна перетворення маси в руху вперед.

Питома імпульс в секундах

Найбільш поширеною одиницею для конкретного поштовху є H*с. Як у контексті СІ, так і в тих випадках, коли використовуються або звичайні імперські величини. Перевага секунд полягає в тому, що одиниця вимірювання числове значення однакові для всіх систем і, по суті, універсальні. Майже всі виробники вказують свої характеристики двигуна в секундах. І такий пристрій також корисно для визначення особливостей пристрою літака.

Використання метрів в секунду для знаходження ефективної швидкості вихлопу також досить поширене. Цей блок інтуїтивно зрозумілий при описі ракетних двигунів, хоча ефективна швидкість вихлопу пристроїв може значно відрізнятися від фактичної. Це, швидше за все, може бути пов’язане з паливом і окислювачем, які викидаються за борт після включення турбонасосів. Для реактивних двигунів з повітряним диханням ефективна швидкість вихлопу не має фізичного сенсу. Хоча вона може використовуватися для цілей порівняння.

Одиниці

Значення, виражені в Н * с (у кілограмах), нерідкі і чисельно рівні ефективної швидкості вихлопу в м / с (з другого закону Ньютона і його визначення).

Іншої еквівалентної одиницею є питома витрата палива. Він має такі величини вимірювання, як р (кН · с) або фунт / год. Кожна з цих одиниць обернено пропорційна питомій імпульсу. А витрата палива широко використовується для опису характеристик повітряно-реактивних двигунів.

Загальне визначення

Для всіх транспортних засобів питома імпульс (поштовх на одиницю ваги палива на Землі) в секундах може бути визначений наступним рівнянням.

Дивіться також:  Слово "майстерний": що значить, частина мови, можливі помилки і синоніми

Щоб прояснити ситуацію, важливо уточнити, що:

  • F – є стандартною силою тяжіння, яка номінально заявляється як міць на поверхні Землі, м / с 2 (або фут / с в квадраті).
  • g – є масовою витратою в кг / с, який є негативним по відношенню до швидкості зміни маси транспортного засобу в часі (оскільки паливо виштовхується).
  • Вимірювання

    Англійська одиниця, фунт, частіше використовується, ніж інші величини. А також при застосуванні даної величини в секунду для швидкості витрати, при перетворенні, постійна г 0 стає непотрібною. Оскільки він стає розмірним еквівалентним фунтам, ділених на р 0.

    I sp в секундах — це час, протягом якого пристрій може генерувати питома імпульс тяги ракетного двигуна, враховуючи кількість палива, вага якого дорівнює потягу.

    Перевага цього формулювання полягає в тому, що вона може використовуватися для ракет, де вся реакційна маса перевозиться на борту, а також для літаків, де велика частина реакційної маси береться з атмосфери. Крім того, він дає результат, який не залежить від використовуваних одиниць.

    Питома імпульс як швидкість (ефективна стрімкість вихлопу)

    З-за геоцентрического коефіцієнта g 0 в рівнянні, багато воліють визначати поштовх ракети (зокрема) в термінах тяги на одиницю маси потоку палива. Це в рівній мірі дійсний (і в деякому сенсі більш простий) спосіб визначення ефективності питомої імпульсу ракетного палива. Якщо розглядати інші варіанти, то ситуація буде практично скрізь однією і тією ж. Ракети певного питомої імпульсу являють собою просто ефективну швидкість вихлопу щодо пристрою. Два атрибута конкретного поштовху пропорційні один одному і зв’язані наступним чином.

    Щоб скористатися формулою, необхідно розуміти, що:

  • I – питома імпульс в секундах.
  • v – поштовх, що вимірюється в м / с. Який дорівнює ефективної швидкості вихлопу, вимірюється в м / с (або фут / с, в залежності від величини g).
  • g – це стандарт сили тяжіння, 9,80665 м / с 2. В Imperial одиницях 32.174 фут / с 2.
  • Це рівняння також справедливо для повітряно-реактивних двигунів, але рідко використовується на практиці.

    Варто звернути увагу, що іноді вживаються різні символи. Наприклад, c також розглядається для швидкості вихлопу. У той час як символ sp може логічно використовуватися для УІ в одиницях Н · с / кг для уникнення плутанини бажано зарезервувати його для певного значення, що вимірюється в секундах до початку опису.

    Це пов’язано з тягою або силою руху питомої імпульсу ракетного двигуна, формула.

    Тут m – це масовий витрата палива, який є швидкістю зменшення величини транспортного засобу.

    Мінімізація

    Ракета повинна нести все своє паливо. Тому маса незгорілого продовольства зобов’язана бути прискорена разом з самим пристроєм. Мінімізація величини палива, необхідного для досягнення цього поштовху, має вирішальне значення для створення ефективних ракет.

    Дивіться також:  Пригнічений - це що значить?

    Формула питомої імпульсу Ціолковського показує, що для ракети із заданою порожній масою і визначеною кількістю палива, загальна зміна швидкості можна досягти пропорційно ефективної стрімкості закінчення.

    Космічний корабель без рушія пересувається по орбіті, яка визначається його траєкторією і будь гравітаційним полем. Відхилення від відповідного шаблону швидкості (вони називаються Δ v) досягаються шляхом спрямованості вихлопних газів по масі в напрямку, протилежному необхідним змінам.

    Фактична швидкість у порівнянні з ефективною швидкістю

    Тут варто зверніть увагу, що ці два поняття можуть істотно розрізнятися. Наприклад, коли ракета запускається в атмосфері, повітряний тиск зовні двигуна викликає гальмівне зусилля. Яке зменшує питома імпульс і ефективна швидкість вихлопу знижується, тоді як фактична стрімкість практично не змінюється. Крім того, іноді ракетні двигуни мають окрему форсунку для турбінного газу. Потім для розрахунку ефективної швидкості вихлопу потрібно усереднити два масових потоку, а також врахувати будь-атмосферний тиск.

    Збільшення ефективності

    Для реактивних двигунів з повітряним диханням, зокрема, турбовентиляторов, фактична швидкість випуску та ефективна швидкість відрізняються на кілька порядків. Це пов’язано з тим, що при використанні повітря в якості реакційної маси досягається значний додатковий імпульс. Це дозволяє краще узгодити повітряну швидкість і швидкість вихлопу, що економить енергію і паливо. І значно збільшує ефективну складову при одночасному зниженні фактичної стрімкості.

    Енергоефективність

    Для ракет і ракетоподобных двигунів, таких як іонні моделі, sp передбачає більш низьку енергоефективність.

    У цій формулі v e – фактична швидкість струменя.

    Отже, необхідна сила пропорційна кожній швидкості вихлопу. При більш високих стремительностях потрібно потужність набагато сильніше тієї ж тяги, що призводить до меншої енергоефективності на одну одиницю.

    Тим не менш загальна енергія для місії залежить від усього використання палива, а також від того, скільки енергії потрібно на одну одиницю. Для низької швидкості вихлопу щодо місії delta-v необхідні величезні кількості реакційної маси. Фактично з цієї причини дуже низька швидкість вихлопу не є енергоефективною. Але виявляється, що жоден тип не має максимально високі показники.

    Змінна

    Теоретично, для даної дельти-v, у просторі, серед всіх фіксованих значень швидкості вихлопу, значення ve=0,6275 є найбільш енергоефективним для заданої кінцевої маси. Щоб дізнатися докладніше, можна переглянути енергію в руховому апараті космічного корабля.

    Тим не менш мінлива швидкість вихлопу може бути ще більш енергоефективною. Наприклад, якщо ракета прискорюється з деякою позитивною початковою швидкістю з використанням стрімкості вихлопу, який дорівнює швидкості вироби, ніяка енергія не втрачається як кінетична складова маси реакції. Оскільки вона стає стаціонарною.