Specific Impulse (SP) és una mesura de l'eficiència amb què un coet o un motor utilitza el combustible. Per definició, aquesta és la sobretensió total lliurada per unitat de potència consumida i és equivalent en grandària a l'empenta generada dividida pel flux de massa. Si s'utilitzen quilograms com a unitat de propulsor, l'impuls específic es mesura en termes de velocitat. Si s'utilitza un pes en newtons o lliures-força, aleshores el valor específic s'expressa en termes de temps, més habitualment en segons.
Multiplicant la velocitat del flux per la gravetat estàndard converteix l'IG en massa.
Equació de Tsiolkovsky
L'impuls específic d'un motor de massa més gran s'utilitza de manera més eficient per generar empenta cap endavant. I en el cas que s'utilitzi un coet, es necessita menys combustible. És ell qui es necessita per a aquest delta-v. Segons l'equacióTsiolkovsky, en l'impuls específic d'un motor de coet, el motor és més eficient en l'escalada, la distància i la velocitat. Aquest rendiment és menys important en models reactius. Que utilitzen ales i aire exterior per a la combustió. I transporteu una càrrega útil que sigui molt més pesada que el combustible.
L'impuls específic inclou el moviment generat per l'aire exterior utilitzat per a la combustió i esgotat pel combustible gastat. Els motors a reacció utilitzen l'atmosfera exterior per a això. I, per tant, tenen una IU molt més alta que els motors de coets. Aquest concepte, des del punt de vista de la massa de combustible consumida, té unitats de mesura de distància en el temps. Que són un valor artificial anomenat "velocitat efectiva dels gasos d'escapament". Això és superior a la velocitat real d'escapament. Perquè no es té en compte la massa d'aire per a la combustió. La velocitat d'escapament real i efectiva són les mateixes en els motors de coets que no utilitzen aire ni aigua, per exemple.
Consideracions generals
La quantitat de combustible normalment es mesura en unitats de massa. Si s'utilitza, l'impuls específic és l'impuls per EM, que, tal com mostra l'anàlisi de mida, té unitats de velocitat. Per tant, la IU sovint es mesura en metres per segon. I sovint es coneix com la velocitat efectiva de l'escapament. Tanmateix, si s'utilitza massa, l'impuls específic del combustible dividit per la força resulta ser una unitat de temps. Així, les empentes específiques es mesuren en segons.
És aquesta regla la principal del món modern, molt utilitzadacoeficient r0 (constante de l'acceleració gravitatòria a la superfície de la Terra).
Val la pena assenyalar que la velocitat de canvi de l'impuls del coet (inclòs el seu combustible) per unitat de temps és igual a l'impuls d'empenta específic.
Especificacions
Com més gran sigui l'empenta, menys combustible es necessita per generar una empenta determinada durant un període de temps determinat. En aquest sentit, el líquid és més efectiu, com més gran és la seva IU. Tanmateix, això no s'ha de confondre amb l'eficiència energètica, que pot disminuir amb l'augment de l'empenta, ja que l'impuls específic del motor, que dóna alts resultats, requereix molta energia per fer-ho.
A més, és important distingir i no confondre una estirada amb una empenta específica. La IU es crea per unitat de combustible consumida. I l'empenta és la força instantània o màxima que genera un dispositiu determinat. En molts casos, els sistemes de propulsió d'impuls específics molt alts (algunes instal·lacions d'ions arriben als 10.000 segons) produeixen una empenta baixa.
A l'hora de calcular l'empenta, només es té en compte el combustible que es porta amb el vehicle abans del seu ús. Per tant, per a un químic de coets, la massa inclourà tant el propulsor com l'oxidant. Per als motors amb aire respirat, només es té en compte la quantitat de líquid, no la massa d'aire que passa pel motor.
L'arrossegament atmosfèric i la incapacitat de la planta per mantenir un impuls específic elevat a alts índexs de combustió és precisament el motiu pel qual no s'utilitza tot el combustible tan aviat com sigui possible.
Més pesatun motor amb un bon MI pot no ser tan eficaç en l'escalada, la distància o la velocitat com un instrument lleuger amb un rendiment baix
Si no fos per la resistència de l'aire i la reducció del consum de combustible durant el vol, l'IM seria una mesura directa de l'eficiència d'un motor a l'hora de convertir la massa en propulsió cap endavant.
Impuls específic en segons
La unitat més comuna per a una empenta determinada és Hs. Tant en el context de la SI com en els casos en què s'utilitzen valors imperials o convencionals. L'avantatge dels segons és que la unitat de mesura i el valor numèric són els mateixos per a tots els sistemes i són essencialment universals. Gairebé tots els fabricants indiquen el rendiment del seu motor en segons. I aquest dispositiu també és útil per determinar les especificitats d'un dispositiu d'avió.
L'ús de metres per segon per trobar la velocitat efectiva d'escapament també és força habitual. Aquest bloc és intuïtiu quan es descriuen motors de coets, encara que la velocitat efectiva d'escapament dels dispositius pot diferir significativament de la real. El més probable és que el combustible i l'oxidant s'aboquen per la borda després d'encendre les turbobombes. Per als motors a reacció que respira aire, la velocitat efectiva d'escapament no té cap significat físic. Encara que es pot utilitzar per a finalitats de comparació.
Unitats
Els valors expressats en Ns (en quilograms) no són estranys i numèricament iguals a la velocitat efectiva d'escapament en m / s (a partir de la segona llei de Newton i la sevadefinicions).
Una altra unitat equivalent és el consum específic de combustible. Té unitats de mesura com g (kN s) o lb/hr. Qualsevol d'aquestes unitats és inversament proporcional a l'impuls específic. I el consum de combustible s'utilitza àmpliament per descriure el rendiment dels motors a reacció.
Definició general
Per a tots els vehicles, l'impuls específic (empenta per unitat de pes de combustible a la Terra) en segons es pot determinar amb l'equació següent.
Per aclarir la situació, és important aclarir que:
- F és la força estàndard de la gravetat, que nominalment s'indica com la potència a la superfície de la Terra, en m/s 2 (o peus/s quadrats).
- g és el cabal massiu en kg/s, que sembla negatiu pel que fa a la velocitat de canvi de la massa del vehicle al llarg del temps (a mesura que s'expulsa el combustible).
Mesura
La unitat anglesa, la lliura, s'utilitza més habitualment que altres unitats. I també quan s'aplica aquest valor per segon per al cabal, en convertir, la constant r 0 es fa innecessària. A mesura que esdevé dimensionalment equivalent a lliures dividides per g 0.
I sp en segons és el temps durant el qual el dispositiu pot generar un impuls específic d'empenta d'un motor de coet, donada una quantitat de propulsor el pes del qual és igual a l'empenta.
L'avantatge d'aquesta redacció és que es pot utilitzarcoets, on tota la massa de reacció es transporta a bord, així com per a avions, on la major part de la massa de reacció es pren de l'atmosfera. A més, dóna un resultat que és independent de les unitats utilitzades.
Impuls específic com a velocitat (velocitat d'escapament efectiva)
A causa del factor geocèntric g 0 de l'equació, molts prefereixen definir l'empenta del coet (en particular) en termes d'empenta per unitat de massa de flux de combustible. Aquesta és una manera igualment vàlida (i d'alguna manera una mica més senzilla) de determinar l'eficiència d'impuls específic d'un propulsor. Si considerem altres opcions, la situació serà gairebé la mateixa a tot arreu. Els coets d'un determinat impuls específic són simplement la velocitat d'escapament efectiva relativa al dispositiu. Els dos atributs d'una empenta concreta són proporcionals entre si i estan relacionats de la següent manera.
Per utilitzar la fórmula, has d'entendre que:
- I - impuls específic en segons.
- v - empenta, mesurada en m/s. Que és igual a la velocitat efectiva d'escapament, mesurada en m/s (o peus/s, depenent del valor de g).
- g és l'estàndard de gravetat, 9,80665 m/s 2. En unitats imperials 32,174 peus/s 2.
Aquesta equació també s'aplica als motors a reacció, però rarament s'utilitza a la pràctica.
Tingueu en compte que de vegades s'utilitzen diferents caràcters. Per exemple, c també es considera per a la velocitat d'escapament. Mentre que el símbolsp es pot utilitzar lògicament per a la IU en unitats de N s/kg. Per evitar confusions, és convenient reservar-lo per a un valor específic, mesurat en segons abans de l'inici de la descripció.
Això està relacionat amb l'empenta o la força de moviment de l'impuls específic del motor del coet, la fórmula.
Aquí m és el consum massiu de combustible, que és la taxa de disminució de la magnitud del vehicle.
Minimització
El coet ha de portar tot el seu propulsor. Per tant, la massa d'aliments no cremats s'ha d'accelerar juntament amb el propi dispositiu. Minimitzar la quantitat de combustible necessària per aconseguir una empenta determinada és fonamental per construir coets eficients.
La fórmula d'impuls específica de Tsiolkovsky mostra que per a un coet amb una massa buida determinada i una certa quantitat de combustible, el canvi total de velocitat es pot aconseguir en proporció a la velocitat efectiva de l'escapament.
Una nau espacial sense hèlix es mou en una òrbita determinada per la seva trajectòria i qualsevol camp gravitatori. Les desviacions del patró de velocitat corresponent (anomenat Δv) s'aconsegueixen empenyent la massa de gas d'escapament en la direcció oposada al canvi desitjat.
Velocitat real versus velocitat efectiva
Aquí val la pena assenyalar que aquests dos conceptes poden diferir significativament. Per exemple, quan es llança un coet a l'atmosfera, la pressió de l'aire fora del motor provocaforça de frenada. El que redueix l'impuls específic i la velocitat efectiva d'escapament es redueix, mentre que la rapidesa real es manté pràcticament in alterada. A més, de vegades els motors de coets tenen un filtre separat per al gas de la turbina. Aleshores, el càlcul de la velocitat efectiva d'escapament requereix fer la mitjana dels dos cabals de massa i tenir en compte qualsevol pressió atmosfèrica.
Augmenta l'eficiència
Per als motors a reacció amb aire respirat, en particular els turboventiladors, la velocitat real d'escapament i la velocitat efectiva difereixen en diversos ordres de magnitud. Això es deu al fet que quan s'utilitza aire com a massa de reacció, s'aconsegueix un impuls addicional important. Això permet una millor concordança entre la velocitat de l'aire i la velocitat d'escapament, la qual cosa estalvia energia i combustible. I augmenta significativament el component efectiu alhora que redueix la rapidesa real.
Eficiència energètica
Per a coets i motors semblants a coets, com ara models iònics, sp implica una menor eficiència energètica.
En aquesta fórmula, v e és la velocitat real del jet.
Per tant, la força requerida és proporcional a cada velocitat d'escapament. A velocitats més altes, es necessita molta més potència per a la mateixa empenta, el que resulta en una eficiència energètica menor en una unitat.
No obstant això, l'energia total d'una missió depèn de l'ús total de combustible i de la quantitat d'energia necessària per unitat. Per a baixa velocitat d'escapamentPel que fa a la missió delta-v, es necessiten grans quantitats de massa de reacció. De fet, per aquest motiu, una velocitat d'escapament molt baixa no és eficient energèticament. Però resulta que cap tipus té les puntuacions més altes.
Variable
Teòricament, per a un delta-v donat, a l'espai, entre tots els valors fixos de velocitat d'escapament, ve=0,6275 és el més eficient energèticament per a una massa final determinada. Per obtenir més informació, podeu veure l'energia de l'aparell de propulsió de la nau espacial.
No obstant això, les taxes d'escapament variables poden ser encara més eficients energèticament. Per exemple, si un coet s'accelera a una velocitat inicial positiva utilitzant una velocitat d'escapament que és igual a la velocitat del producte, no es perd energia com a component cinètic de la massa de reacció. A mesura que es torna estacionari.
