Specific Impulse (SP) ist ein Maß dafür, wie effizient eine Rakete oder ein Triebwerk Treibstoff verbraucht. Per Definition ist dies der Gesamtstoß, der pro verbrauchter Leistungseinheit geliefert wird, und entspricht in seiner Größe dem erzeugten Schub dividiert durch den Massenstrom. Wenn Kilogramm als Einheit des Treibmittels verwendet wird, wird der spezifische Impuls in Bezug auf die Geschwindigkeit gemessen. Wenn stattdessen ein Gewicht in Newton oder Pfund-Kraft verwendet wird, wird der spezifische Wert als Zeit ausgedrückt, am häufigsten in Sekunden.
Durch Multiplizieren der Strömungsgeschwindigkeit mit der Standardgravitation wird der GI in Masse umgewandelt.
Tsiolkovsky-Gleichung
Der spezifische Impuls eines Motors mit höherer Masse wird effizienter genutzt, um Vorwärtsschub zu erzeugen. Und im Fall, dass eine Rakete verwendet wird, wird weniger Treibstoff benötigt. Er ist es, der für dieses Delta-V gebraucht wird. Nach der GleichungTsiolkovsky, im spezifischen Impuls eines Raketentriebwerks, ist der Motor beim Steigen, der Entfernung und der Geschwindigkeit effizienter. Diese Leistung ist in reaktiven Modellen weniger wichtig. Die Flügel und Außenluft zur Verbrennung verwenden. Und tragen Sie eine Nutzlast, die viel schwerer als Treibstoff ist.
Spezifischer Impuls umfasst Bewegung, die durch Außenluft erzeugt wird, die zur Verbrennung verwendet und durch abgebrannte Brennelemente verbraucht wird. Strahltriebwerke nutzen dafür die Außenatmosphäre. Und deshalb haben sie eine viel höhere UI als Raketentriebwerke. Dieses Konzept hat vom Standpunkt der verbrauchten Kraftstoffmasse aus Maßeinheiten für die Entfernung über die Zeit. Welche sind ein künstlicher Wert namens "effektive Abgasgeschwindigkeit". Diese ist höher als die tatsächliche Abgasgeschwindigkeit. Denn die Luftmasse für die Verbrennung wird nicht berücksichtigt. Tatsächliche und effektive Abgasgeschwindigkeit sind beispielsweise bei Raketentriebwerken, die weder Luft noch Wasser verwenden, gleich.
Allgemeine Überlegungen
Die Kraftstoffmenge wird normalerweise in Masseneinheiten gemessen. Wenn es verwendet wird, dann ist der spezifische Impuls der Impuls pro EM, der, wie die Größenanalyse zeigt, Geschwindigkeitseinheiten hat. Daher wird UI oft in Metern pro Sekunde gemessen. Und oft als effektive Geschwindigkeit des Auspuffs bezeichnet. Wird jedoch Masse verwendet, ergibt sich der spezifische Impuls des Kraftstoffs dividiert durch die Kraft als Zeiteinheit. Und so werden spezifische Pushs in Sekunden gemessen.
Diese Regel ist die wichtigste in der modernen Welt und wird häufig verwendetKoeffizient r0 (Konstante der Fallbeschleunigung auf der Erdoberfläche).
Es ist erwähnenswert, dass die Änderungsrate des Raketenimpulses (einschließlich seines Treibstoffs) pro Zeiteinheit gleich dem spezifischen Schubimpuls ist.
Besonderheiten
Je höher der Schub, desto weniger Treibstoff wird benötigt, um einen bestimmten Schub für eine bestimmte Zeit zu erzeugen. Dabei ist die Flüssigkeit umso effektiver, je größer ihr UI ist. Dies sollte jedoch nicht mit Energieeffizienz verwechselt werden, die mit zunehmendem Schub abnehmen kann, da der spezifische Impuls des Triebwerks, der hohe Ergebnisse liefert, dafür viel Energie benötigt.
Außerdem ist es wichtig, einen Pull mit einem bestimmten Push zu unterscheiden und ihn nicht zu verwechseln. UI wird pro verbrauchter Kraftstoffeinheit erstellt. Und Schub ist die Momentan- oder Spitzenkraft, die von einem bestimmten Gerät erzeugt wird. In vielen Fällen erzeugen Antriebssysteme mit sehr hohen spezifischen Impulsen – einige Ioneninstallationen erreichen 10.000 Sekunden – einen geringen Schub.
Bei der Berechnung des Pushs wird nur der Kraftstoff berücksichtigt, der vor der Nutzung mit dem Fahrzeug mitgeführt wird. Daher enthält die Masse für einen Raketenchemiker sowohl das Treibmittel als auch das Oxidationsmittel. Bei luftbelüfteten Motoren wird nur die Flüssigkeitsmenge berücksichtigt, nicht die durch den Motor strömende Luftmasse.
Atmosphärischer Luftwiderstand und die Unfähigkeit der Anlage, einen hohen spezifischen Impuls bei hohen Verbrennungsraten aufrechtzuerh alten, ist genau der Grund, warum nicht der gesamte Brennstoff so schnell wie möglich verwendet wird.
SchwererEin Motor mit gutem MI ist möglicherweise nicht so effektiv beim Klettern, der Entfernung oder der Geschwindigkeit wie ein leichtes Instrument mit schlechter Leistung
Ohne den Luftwiderstand und den reduzierten Treibstoffverbrauch während des Fluges wäre MI ein direktes Maß für die Effizienz eines Triebwerks bei der Umwandlung von Masse in Vortrieb.
Spezifischer Impuls in Sekunden
Die gebräuchlichste Einheit für einen bestimmten Stoß ist Hs. Sowohl im Kontext der SI als auch in Fällen, in denen imperiale oder konventionelle Werte verwendet werden. Der Vorteil von Sekunden liegt darin, dass Maßeinheit und Zahlenwert für alle Systeme gleich und im Wesentlichen universell sind. Fast alle Hersteller geben ihre Motorleistung in Sekunden an. Und ein solches Gerät ist auch nützlich, um die Besonderheiten eines Flugzeuggeräts zu bestimmen.
Meter pro Sekunde zu verwenden, um die effektive Abgasgeschwindigkeit zu ermitteln, ist ebenfalls ziemlich üblich. Dieser Block ist bei der Beschreibung von Raketentriebwerken intuitiv, obwohl die effektive Abgasgeschwindigkeit der Geräte erheblich von der tatsächlichen abweichen kann. Dies ist höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass der Kraftstoff und das Oxidationsmittel über Bord geschüttet werden, nachdem die Turbopumpen eingesch altet wurden. Für luftatmende Strahltriebwerke hat die effektive Abgasgeschwindigkeit keine physikalische Bedeutung. Obwohl es zu Vergleichszwecken verwendet werden kann.
Einheiten
Werte ausgedrückt in Ns (in Kilogramm) sind keine Seltenheit und numerisch gleich der effektiven Abgasgeschwindigkeit in m/s (aus Newtons zweitem Gesetz und seinemDefinitionen).
Eine andere äquivalente Einheit ist der spezifische Kraftstoffverbrauch. Es hat Maßeinheiten wie g (kN s) oder lb/hr. Jede dieser Einheiten ist umgekehrt proportional zum spezifischen Impuls. Und der Treibstoffverbrauch wird häufig verwendet, um die Leistung von Strahltriebwerken zu beschreiben.
Allgemeine Definition
Für alle Fahrzeuge kann der spezifische Impuls (Schub pro Gewichtseinheit Kraftstoff auf der Erde) in Sekunden durch die folgende Gleichung bestimmt werden.
Um die Situation zu klären, ist es wichtig, Folgendes klarzustellen:
- F ist die Standard-Schwerkraft, die nominell als Kraft auf der Erdoberfläche angegeben wird, in m/s 2 (oder ft/s zum Quadrat).
- g ist der Massendurchfluss in kg/s, der negativ erscheint in Bezug auf die Änderungsrate der Fahrzeugmasse über die Zeit (beim Herausdrücken von Kraftstoff).
Messung
Die englische Einheit, das Pfund, wird häufiger verwendet als andere Einheiten. Und auch wenn man diesen Wert pro Sekunde für den Durchfluss anwendet, wird beim Umrechnen die Konstante r 0 überflüssig. Da es dimensional äquivalent zu Pfund geteilt durch g 0 wird.
I sp in Sekunden ist die Zeit, in der das Gerät einen bestimmten Schubimpuls eines Raketentriebwerks erzeugen kann, wenn eine Treibladungsmenge gegeben ist, deren Gewicht dem Schub entspricht.
Der Vorteil dieser Formulierung ist, dass sie gewöhnungsbedürftig istRaketen, bei denen die gesamte Reaktionsmasse an Bord transportiert wird, sowie bei Flugzeugen, bei denen der größte Teil der Reaktionsmasse der Atmosphäre entnommen wird. Außerdem liefert es ein Ergebnis, das unabhängig von den verwendeten Einheiten ist.
Spezifischer Impuls als Geschwindigkeit (effektive Abgasgeschwindigkeit)
Aufgrund des geozentrischen Faktors g 0 in der Gleichung ziehen es viele vor, den Raketenschub (insbesondere) als Schub pro Masseneinheit des Treibstoffflusses zu definieren. Dies ist ein ebenso gültiger (und in gewisser Weise etwas einfacherer) Weg, um die spezifische Impulseffizienz eines Treibmittels zu bestimmen. Wenn wir andere Optionen in Betracht ziehen, wird die Situation fast überall gleich sein. Raketen mit einem bestimmten spezifischen Impuls sind einfach die effektive Abgasgeschwindigkeit relativ zum Gerät. Die beiden Attribute eines bestimmten Stoßes sind proportional zueinander und hängen wie folgt zusammen.
Um die Formel zu verwenden, müssen Sie Folgendes verstehen:
- I - spezifischer Impuls in Sekunden.
- v - Schub, gemessen in m/s. Dies ist gleich der effektiven Abgasgeschwindigkeit, gemessen in m/s (oder ft/s, abhängig vom Wert von g).
- g ist der Standard der Schwerkraft, 9,80665 m/s 2. In imperialen Einheiten 32,174 ft/s 2.
Diese Gleichung gilt auch für Strahltriebwerke, wird aber in der Praxis selten verwendet.
Beachten Sie, dass manchmal unterschiedliche Zeichen verwendet werden. Beispielsweise wird c auch für die Abgasgeschwindigkeit berücksichtigt. Während das Symbolsp kann logischerweise für UI in Einheiten von N·s/kg verwendet werden. Um Verwirrung zu vermeiden, ist es wünschenswert, es für einen bestimmten Wert zu reservieren, gemessen in Sekunden vor dem Beginn der Beschreibung.
Dies bezieht sich auf den Schub oder die Bewegungskraft des spezifischen Impulses des Raketentriebwerks, die Formel.
Hier ist m der Massenkraftstoffverbrauch, also die Geschwindigkeit, mit der die Größe des Fahrzeugs abnimmt.
Minimierung
Die Rakete muss ihren gesamten Treibstoff tragen. Daher muss die Masse der unverbrannten Lebensmittel zusammen mit dem Gerät selbst beschleunigt werden. Die Minimierung der Treibstoffmenge, die benötigt wird, um einen bestimmten Schub zu erreichen, ist entscheidend für den Bau effizienter Raketen.
Tsiolkovskys spezifische Impulsformel zeigt, dass für eine Rakete mit einer gegebenen Leermasse und einer bestimmten Treibstoffmenge die gesamte Geschwindigkeitsänderung proportional zur effektiven Geschwindigkeit des Auspuffs erreicht werden kann.
Ein Raumfahrzeug ohne Propeller bewegt sich auf einer Umlaufbahn, die durch seine Flugbahn und ein beliebiges Gravitationsfeld bestimmt wird. Abweichungen vom entsprechenden Geschwindigkeitsmuster (als Δv bezeichnet) werden erreicht, indem die Abgasmasse in die entgegengesetzte Richtung der gewünschten Änderung gedrückt wird.
Istgeschwindigkeit vs. Effektivgeschwindigkeit
Hier ist anzumerken, dass sich diese beiden Konzepte erheblich unterscheiden können. Wenn zum Beispiel eine Rakete in die Atmosphäre gestartet wird, verursacht der Luftdruck außerhalb des TriebwerksBremskraft. Dadurch sinkt der spezifische Impuls und die effektive Abgasgeschwindigkeit wird reduziert, während die tatsächliche Schnelligkeit praktisch unverändert bleibt. Außerdem haben Raketentriebwerke manchmal eine separate Düse für Turbinengas. Die Berechnung der effektiven Abgasgeschwindigkeit erfordert dann eine Mittelung der beiden Massenströme sowie die Berücksichtigung eines eventuellen atmosphärischen Drucks.
Effizienzsteigerung
Bei luftgeatmeten Strahltriebwerken, insbesondere Turbofans, unterscheiden sich die tatsächliche Abgasgeschwindigkeit und die effektive Geschwindigkeit um mehrere Größenordnungen. Dies liegt daran, dass bei Verwendung von Luft als Reaktionsmasse ein deutlicher zusätzlicher Impuls erzielt wird. Dies ermöglicht eine bessere Übereinstimmung zwischen Fluggeschwindigkeit und Abgasgeschwindigkeit, was Energie und Kraftstoff spart. Und erhöht den wirksamen Anteil deutlich, während die eigentliche Schnelligkeit reduziert wird.
Energieeffizienz
Bei Raketen und raketenähnlichen Triebwerken wie Ionenmodellen impliziert sp eine geringere Energieeffizienz.
In dieser Formel ist v e die tatsächliche Strahlgeschwindigkeit.
Daher ist die erforderliche Kraft proportional zu jeder Abgasgeschwindigkeit. Bei höheren Geschwindigkeiten wird für den gleichen Schub viel mehr Leistung benötigt, was zu einer um eine Einheit geringeren Energieeffizienz führt.
Allerdings hängt die Gesamtenergie für eine Mission vom gesamten Treibstoffverbrauch sowie davon ab, wie viel Energie pro Einheit benötigt wird. Für niedrige AbgasgeschwindigkeitBei der Delta-V-Mission werden riesige Mengen an Reaktionsmasse benötigt. Tatsächlich ist aus diesem Grund eine sehr niedrige Abgasgeschwindigkeit nicht energieeffizient. Aber es stellt sich heraus, dass kein Typ die höchsten Punktzahlen hat.
Variable
Theoretisch ist ve=0,6275 für ein gegebenes Delta-v im Weltraum unter allen festen Abgasgeschwindigkeitswerten für eine gegebene Endmasse am energieeffizientesten. Um mehr zu erfahren, können Sie sich die Energie im Antriebsapparat des Raumfahrzeugs ansehen.
Variable Abgasraten können jedoch noch energieeffizienter sein. Wenn beispielsweise eine Rakete mit einer positiven Anfangsgeschwindigkeit beschleunigt wird, wobei eine Abgasgeschwindigkeit verwendet wird, die gleich der Produktgeschwindigkeit ist, geht keine Energie als kinetische Komponente der Reaktionsmasse verloren. Wenn es stationär wird.
