Удельный импульс

Удельный импульс в ракетном двигателе является изменение импульса на выброшенной массы (газообразных продуктов сгорания или опорной массы ). Удельный импульс увеличивается с увеличением эффективной скорости выхода выброшенной массы. Это важный параметр привода или топлива независимо от размера двигателя. ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {sp}}}$

Единица измерения удельного импульса - метры в секунду (м / с), такая же, как и у скорости . В случае ракетных двигателей принято отклоняться от этого, чтобы описать массу как ее вес при нормальном ускорении падения , при этом удельный импульс (весовой) отображается в единицах s. Удельный импульс, заданный в этом устройстве, можно преобразовать в значение, соответствующее системе СИ , умножив его на ускорение свободного падения около 9,806 м / с ² .

определение

Удельный импульс равен

${\ displaystyle I _ {\ mathrm {sp}} = {\ frac {\ mathrm {d} p} {\ mathrm {d} m}} = {\ frac {\ dot {p}} {\ dot {m} }} = {\ frac {F} {\ dot {m}}}}$

с импульсом и выброшенной массой . Точки обозначают производную по времени. так это массовая пропускная способность . Результирующая скорость изменения количества движения , силы , называется тягой . Поскольку импульс имеет размерность, умноженную на массу, умноженную на скорость, а масса сокращается, единица измерения в системе СИ - м / с, британские футы / с. ${\ displaystyle p}$${\ displaystyle m.}$${\ Displaystyle {\ tfrac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t}}}$${\ displaystyle {\ dot {m}}}$${\ displaystyle {\ dot {p}}}$ ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle I _ {\ mathrm {sp}}}$

Разделив удельный импульс на стандартное ускорение свободного падения , можно получить физическую величину типа времени ( ). ${\ displaystyle g_ {0}}$${\ displaystyle I _ {\ mathrm {sp}} / g_ {0}}$

Примеры значений для двигателей

Удельный импульс химического ракетного двигателя определяется выходной скоростью (определяемой энтальпией реакции и плотностью топлива, достигнутым повышением температуры или скоростью реакции, конструкцией и полнотой сгорания). Самые высокие удельные импульсы в используемых сегодня топливных комбинациях достигаются с водородом + кислородом и водородом + фтором. Наибольшее экспериментально полученное значение составляет около 4600 м / с ( RL-10B2 и двигатель Vinci ).

Ионные двигатели используют электрические поля для ускорения ионов. Для этого ионизируется рабочее тело. В зависимости от приложенного напряжения ионы могут ускоряться до очень высоких скоростей, теоретически почти до скорости света. Доступные ионные двигатели имеют удельные импульсы от 30 до 40 км / с, двухступенчатый ионный привод ESA с 4 сетками (DS4G) обеспечивает удельный импульс 210 км / с.

заявление

Удельный импульс ракетного двигателя зависит от давления окружающей среды. Конструкция сопла Лаваля будет оптимизирована для более конкретного конечного давления. Высшие сорта развивают самый высокий удельный импульс в вакууме. При запуске с земли максимально достижимый удельный импульс на 10-15 процентов ниже из-за атмосферного давления, поскольку вы не можете расширяться ниже примерно 40 процентов внешнего давления на более низких ступенях. В противном случае обычно используемые колпаковые сопла вызовут перерыв в потоке ( критерий Саммерфилда ). Альтернативой, которая одинаково эффективно работает как в воздухе, так и в вакууме, является двигатель Aerospike .

Поскольку удельный по массе импульс представляет собой эффективную скорость истечения газов в единицах СИ, конечную скорость ракеты можно рассчитать из основного уравнения ракеты Циолковского вместе с полной и пустой массой .

Удельный по объему импульс также важен для ракет, которые используются в атмосфере, а также для военных ракет, которые должны быть размещены в шахте или транспортном контейнере, который должен быть как можно меньше , потому что тогда нужно строить как можно меньше. максимально компактный, т.е. с низким сопротивлением воздуху. Он образуется путем умножения удельного импульса на плотность топлива : ${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {Isp}}}$${\ displaystyle \ rho}$

${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {Isp}} = \ rho I _ {\ mathrm {sp}}}$

Например, удельный импульс комбинации четырехокиси азота с вариантами гидразина несколько меньше, чем у жидкого кислорода и керосина . Однако плотность выше, и вы получаете ракету меньшего размера.

веб ссылки

• Силовое двухступенчатая с привязкой к сетке Ion Движитель (DS4G) ( Memento от 27 февраля 2014 года в интернет - архив )
• Характеристики RL-10 (Rocketdyne) ( памятная записка от 10 февраля 2010 г. в Интернет-архиве )
• Удельные импульсы . НАСА Исследовательский центр Гленна

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Эмма Янг: Раскрыт новый сверхмощный ионный двигатель. New Scientist, 18 января 2006, доступ к 18 ноября 2013 .