Специфичен импулс (Isp): как измерва ефективността на ракетните двигатели
Разберете как специфичният импулс (Isp) измерва ефективността на ракетните и реактивните двигатели — сравнение, значение и практическо приложение.
Специфичният импулс (често съкращаван на Isp) е мярка за това колко ефективно един ракетен или реактивен двигател превръща гориво в движение. По същество показва колко сила (тласкаща сила) произвежда двигателят за единица изразходвано гориво, и затова се използва за сравняване на двигатели с различни размери и конструкции. Колкото по-висок е специфичният импулс, толкова по-малко гориво е необходимо за постигане на дадена промяна на скоростта.
Как се измерва и какви са единиците
Специфичният импулс най-често се дава в секунди. Това може да се обясни чрез формулата:
Isp = F / (ṁ · g0)
където F е тласкащата сила (ньютон), ṁ е масовият дебит на горивото (kg/s), а g0 е стандартното гравитационно ускорение (≈ 9.80665 m/s²). Поради тази дефиниция Isp има размерност на време (секунди). Често се използва и ефективната скорост на изхвърляне на струята (ve), която е свързана с Isp чрез ve = Isp · g0 и има единици m/s.
Защо е важно (връзка с уравнението на Тсиолковски)
Специфичният импулс влиза пряко в уравнението на Тсиолковски за промяна на скоростта (Δv) на ракетата:
Δv = ve · ln(m0 / mf) = g0 · Isp · ln(m0 / mf)
където m0 е началната маса (включително горивото), а mf е крайната маса (след изгаряне на горивото). Оттук се вижда, че по-голямо Isp дава по-голяма Δv за една и съща масова част гориво. Пример: двигател с Isp = 300 s има ve ≈ 2940 m/s; при масово отношение m0/mf = 3 това дава Δv ≈ 2940·ln(3) ≈ 3 240 m/s.
Разлика между „по-ефективен“ и „по-мощен”
Важно е да се прави разлика между специфичен импулс и мощност/тласкаща сила. Високият Isp означава по-ефективно използване на горивото, но не означава непременно голяма начална тласкаща сила. Например йонните и други електрически двигатели имат много високи стойности на Isp (показват отлична икономия на гориво), но произвеждат много малка тласкаща сила в сравнение с химическите ракетни двигатели. Това означава бавно, но продължително ускорение.
Типични стойности и сравнение
- Твърдо ракетно гориво: около 200–300 s.
- Течни керосинови (RP-1)/LOX двигатели: приблизително 250–350 s (варира между sea-level и вакуумни стойности).
- Течни водородни (LH2)/LOX двигатели: около 430–480 s (вакуумно)
- Ядрено-термални концепции: потенциално ≈ 600–1000 s (теоретични/експериментални)
- Електрически/йонни и плазмени двигатели: от няколко стотин до няколко хиляди секунди (понякога 1 000–10 000+ s в зависимост от типа и режима)
Забележка: двигателите обикновено имат две стойности на Isp — при морско ниво (където атмосферата намалява ефективността) и във вакуум (по-висока стойност за добре разширени дюзи).
Практически съображения при избор на двигател
- По-висок Isp намалява нуждата от гориво за дадена Δv, но горивото може да е по-рядко (напр. LH2) и да изисква по-големи и по-тежки резервоари.
- Двигатели с висок Isp (електрически) често имат нисък импулсен поток (ниска тласкаща сила), което означава, че не са подходящи за изстрелване от Земята, но са отлични за дълги мисии в космоса.
- Конструкцията, масата на двигателя, системите за съхранение и доставяне на гориво, безопасността и цената са също важни фактори и често диктуват компромис между Isp и други параметри.
Кратко обобщение
Isp е основна мярка за ефективността на ракетните и реактивните двигатели. Тя показва колко „далеч“ може да ни отведе определено количество гориво. Високият специфичен импулс означава по-добро използване на горивото, но не задължително по-голяма начална тласкаща сила. При проектиране на ракети винаги се прави баланс между Isp, маса, плътност на горивото, сложност и мисията, за да се постигне оптимално решение.
Специфичният импулс е полезна величина за сравняване на ракетни или реактивни двигатели и се използва подобно на мили на галон или литри на 100 км за автомобили — казва ни колко „икономично“ се използва горивото, но не ни дава пълната картина за поведението и приложимостта на двигателя в реална мисия.
Фигура, показваща силата, създавана от ракетен двигател Estes A10-PT за около 1 секунда. Има и информация за импулса, количеството гориво и специфичния импулс.
Измервания
Има два начина, по които хората намират числото за конкретен импулс. За да се намери специфичният импулс, импулсът се разделя на количеството гориво. Импулсът е мярка за това каква сила упражнява ракетният двигател и за какво време. Двигател, който създава малка сила за дълго време, понякога може да има по-висок импулс от двигател, който създава голяма сила за кратко време. Импулсът се измерва в нютони, умножени по секунди (N*s).
Количеството гориво, използвано за намиране на специфичния импулс, може да бъде измерено по различни начини. Понякога то се измерва в маса, а понякога в тегло. Когато количеството гориво се измерва в маса, специфичният импулс се изразява като скорост. Обикновено тя е в метри в секунда. Когато специфичният импулс се измерва като скорост, той има друго наименование. Нарича се още ефективна скорост на отработените газове. Другият начин за измерване на количеството гориво е теглото. Ако се използва теглото, специфичният импулс е в единици за време, обикновено в секунди. И двата начина са широко разпространени. И двата сравняват работата на двигателите.
Когато специфичният импулс е по-висок, е необходимо по-малко гориво, за да може ракетата да работи на определено ниво. Така че едно гориво е по-ефективно, ако специфичният импулс е по-висок.
Внимавайте да не объркате тласъка и специфичния импулс. Тягата е само силата, която ракетата създава в един момент. Специфичният импулс е мярка за силата в зависимост от количеството гориво.
Когато хората откриват специфичен импулс, единственото гориво, което се отчита, е в ракетата, преди да бъде изстреляна. Това включва горивото и окислителя (частта от горивото, която помага на горивото да изгори). Окислителят понякога е кислород, а често и нещо друго (вж. Ракетен двигател#Течности, твърди вещества и хибриди).
Примери
| Специфичен импулс на различни начини за изтласкване на ракета | |||
| Двигател | Ефективна скорост на отработените газове ( | Специфичен(и) импулс( | Енергия на килограм отработени газове |
| Турбовентилаторни реактивни двигатели | 29,000 | 3,000 | ~0.05 |
| Ракета с твърдо гориво | 2,500 | 250 | 3 |
| Ракета с течно гориво | 4,400 | 450 | 9.7 |
| Йонни двигатели | 29,000 | 3,000 | 430 |
| Двуетапен електростатичен йонен двигател с четири решетки | 210,000 | 21,400 | 22,500 |
| VASIMR | 30,000-120,000 | 3,000-12,000 | 1,400 |
Реактивните (самолетни) двигатели използват горивото по-добре от ракетните двигатели. Това е така, защото газовете не се отделят толкова бързо. Тъй като те не се отделят толкова бързо, отработените газове не носят толкова много енергия. Това означава, че реактивният двигател използва много по-малко енергия за изтласкване на струята. Това се дължи и на факта, че въздухът, който преминава през двигателя, докато реактивният двигател лети във въздуха, помага на горивото да изгори по-бързо.
Модел на ракета
Специфичният импулс се използва и за описание на това колко добре работят двигателите на моделите ракети. В таблицата по-долу са представени някои от заявените от Estes стойности на специфичния импулс за няколко от техните ракетни двигатели: Estes Industries е голям, добре познат американски търговец на модели на ракети и части за ракети. Специфичният импулс за моделните ракетни двигатели е много по-нисък, отколкото за много други ракетни двигатели, тъй като за гориво се използва черен прах. Черният прах се използва в ракетните двигатели за модели, защото струва по-малко.
| Двигател | Общ импулс (Ns) | Тегло на горивото (N) | Специфичен импулс (s) |
| Estes A10-3T | 2.5 | .0370 | 67.49 |
| Estes A8-3 | 2.5 | .0306 | 81.76 |
| Estes B4-2 | 5.0 | .0816 | 61.25 |
| Estes B6-4 | 5.0 | .0612 | 81.76 |
| Estes C6-3 | 10 | .1223 | 81.76 |
| Estes C11-5 | 10 | .1078 | 92.76 |
| Estes D12-3 | 20 | .2443 | 81.86 |
| Estes E9-6 | 30 | .3508 | 85.51 |
| Специфични импулси за няколко ракетни двигателя на Estes. | |||
По-големи ракетни двигатели
Ето няколко примерни числа за по-големи ракетни двигатели:
| Тип двигател | Примерна употреба | Специфичен импулс (s) | Ефективна скорост на отработените газове (m/s) |
| Ракетен двигател NK-33 | Вакуум | 331 | 3,240 |
| Ракетен двигател SSME | Вакуум в космическата совалка | 453 | 4,423 |
| Ramjet | Мах 1 | 800 | 7,877 |
| Турбореактивен самолет J-58 | SR-71 при Mach 3,2 (мокро) | 1,900 | 18,587 |
| Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 | Излитане на Конкорд на Мах 2 (сухо) | 3,012 | 29,553 |
| Турбовентилатор CF6-80C2B1F | Круиз с Боинг 747-400 | 5,950 | 58,400 |
| Турбовентилатор CF6 на General Electric | Морско равнище | 11,700 | 115,000 |
| Специфичен импулс и ефективна скорост на отработените газове за няколко по-големи ракетни двигателя. | |||
Единици
| Специфичен импулс | Специфичен импулс | Ефективна скорост на отработените газове | Специфичен разход на гориво | |
| SI | =X секунди | =9,8066 X N-s/kg | =9,8066 X m/s | =(101,972/X) g/kN-s |
| Единици на английски език | =X секунди | =X lbf-s/lb | =32,16 X ft/s | =(3,600/X) lb/lbf-h |
| Английски и SI (метрична система) единици за различни измервания на работата на ракетните двигатели. | ||||
Най-често срещаният начин за измерване на специфичния импулс днес е чрез секунди. Това се използва както в света на SI (метричната система), така и там, където се използват английски единици. По този начин единиците са еднакви навсякъде. Това означава, че специфичният импулс може да се използва за сравняване на работата на двигателя във всяка страна. Повечето компании, които произвеждат ракетни двигатели или реактивни двигатели, използват секунди, за да рекламират производителността на своите продукти.
Другият често използван начин за измерване на специфичния импулс е в метри в секунда (m/s), който се нарича още ефективна скорост на изпускане. При много двигатели ефективната скорост на отработените газове е различна от скоростта, с която газовете действително излизат от дюзата.
Свързани страници
- Реактивен двигател
- Импулс (физика) - промяната в инерцията
Въпроси и отговори
В: Какво представлява специфичният импулс?
О: Специфичният импулс (често съкращаван на Isp) е начин да се опише колко добре работи един ракетен или реактивен двигател. Той може да се използва за сравняване на ракети с различни размери и за измерване на силата, която двигателят създава за всяка част от горивото.
Въпрос: Как се измерва специфичният импулс?
О: Специфичният импулс се измерва, като се знае колко гориво има в двигателя и се изчислява каква сила произвежда двигателят за това количество гориво.
В: Какво означава висок специфичен импулс?
О: Високият специфичен импулс означава, че ракетата се нуждае от по-малко гориво, за да работи също толкова добре, така че тя използва горивото по-ефективно от ракета с по-нисък специфичен импулс.
В: Как можем да използваме специфичния импулс за сравняване на двигатели?
О: Специфичният импулс може да се използва така, както милите на галон или литрите на 100 км се използват за сравняване на автомобили, което ни позволява да сравняваме ракетни или реактивни двигатели въз основа на тяхната ефективност.
В: По-високият специфичен импулс означава ли, че двигателят е "по-мощен"?
О: Не, по-високият специфичен импулс не означава непременно, че двигателят е "по-мощен". Всъщност конструкциите на двигателите с най-висок специфичен импулс обикновено са най-слаби по отношение на ускорителната мощност.
В: Как две ракети с различни двигатели, но с еднакво количество гориво, се състезават една с друга?
О: В състезание между две ракети с еднакво количество гориво и два различни двигателя, ракетата с по-мощен двигател ще вземе ранна преднина, но когато изгори цялото си гориво, ракетата с по-висок специфичен импулс все още ще има остатък от гориво и ще продължи да ускорява, докато накрая изпревари колегата си, ако има достатъчно разстояние, за да използва дългосрочното си предимство.
обискирам