Меню

Единицы измерения импульса тяги



Импульс ракетного двигателя

— основная характеристика ракетного двигателя. Различают удельный и полный (суммарный) импульсы ракетного двигателя.
Удельным импульсом или удельной тягой называют отношение силы тяги двигателя к секундному массовому расходу топлива. Характеристика, являющаяся показателем совершенства ракетного двигателя. Единица измерения удельного импульса — м/с. При полном расширении газа в сопле удельный импульс двигателя равен скорости истечения газа из сопла.
Полным или суммарным импульсом ракетного двигателя называют произведение среднего значения силы тяги на общее время работы. Служит мерой полной работы, выполняемой двигателем.
Единица измерения полного импульса — Н⋅с.

♦ И́мпульс раке́тного дви́гателя

Импульс ракетного двигателя суммарный,
импульс ракетного двигателя полный

— характеристика ракетного двигателя, равная произведению среднего значения силы тяги на общее время работы двигателя. Служит мерой полной работы, выполняемой двигателем. Единица измерения суммарного импульса — Н⋅с.

♦ Сумма́рный и́мпульс раке́тного дви́гателя
♦ По́лный и́мпульс раке́тного дви́гателя

Импульс силы

— векторная физическая величина, равная произведению среднего значения силы за промежуток времени от t1 до t2 на его продолжительность Δt = t2 — t1
P = ⋅Δt
Импульс силы служит мерой действия этой силы за некоторый промежуток времени.
Единица измерения импульса силы — Н⋅с.

♦ И́мпульс си́лы

Импульс ударный

— импульс S силы удара F за время удара τ.
При ударе скорость материальной точки практически мгновенно (τ→0) изменяется на конечную величину
ΔV = S / m ,
где m — масса материальной точки.
В теории удара рассматривают ударный импульс как меру механического взаимодействия тел при ударе.

♦ И́мпульс уда́рный

Импульс удельный

— отношение тяги ракетного двигателя к массовому расходу топлива, альтернативное название удельной тяги. Единица измерения в Международной системе единиц — м/с. Удельный импульс служит показателем совершенства ракетного двигателя. При равенстве давления газа на выходе из сопла и давления окружающей среды (полное расширение газа в сопле) удельный импульс ракетного двигателя равен скорости истечения газа из сопла.

♦ И́мпульс уде́льный

Импульс электрический

— кратковременное изменение (всплеск) электрического напряжения или силы тока. Различают два вида электрических импульсов: видеоимпульсы — единичные колебания какой-либо формы и радиоимпульсы — всплески высокочастотных колебаний.

На рисунке электрический импульс (прямоугольный видеоимпульс).

Источник

Удельный импульс

Уде́льный и́мпульс или уде́льная тя́га (англ. specific impulse ) — показатель эффективности ракетного двигателя. Иногда оба термина используются как синонимы, имея в виду, что это, фактически, одна и та же характеристика. Удельная тяга применяется обычно во внутренней баллистике, в то время как удельный импульс — во внешней баллистике. Размерность удельного импульса есть размерность скорости, в системе единиц СИ это метр в секунду.

Содержание

Определения

Уде́льный и́мпульс — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу (обычно массовому, но может соотноситься и, например, с весом или объёмом) топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определённое количество движения. Теоретически удельный импульс равен скорости истечения продуктов сгорания, фактически может от неё отличаться. Поэтому удельный импульс называют так же эффективной (или эквивалентной) скоростью истечения.

Уде́льная тя́га — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемой им тяги к массовому расходу топлива. Измеряется в метрах в секунду (м/с = Н·с/кг = кгс·с/т.е.м.) и означает, в данной размерности, сколько секунд данный двигатель сможет создавать тягу в 1 Н, истратив при этом 1 кг топлива (или тягу в 1 кгс, истратив при этом 1 т.е.м. топлива). При другом толковании удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (примерно равное 9,81 м/с²). [1]

Формула приближенного расчета удельного импульса (скорости истечения) для реактивных двигателей на химическом топливе выглядит, как:

где Tk — температура газа в камере сгорания (разложения); pk и pa — давление газа соответственно в камере сгорания и на выходе из сопла; y — молекулярный вес газа в камере сгорания; u — коэффициент, характеризующий теплофизические свойства газа в камере (обычно u ≈ 15 ). Как видно из формулы в первом приближении, чем выше температура газа, чем меньше его молекулярная масса и чем выше соотношение давлений в камере РД к окружающему пространству, тем выше удельный импульс [2] .

Сравнение эффективности разных типов двигателей

Удельный импульс является важным параметром двигателя, характеризующим его эффективность. Эта величина не связана напрямую с энергетической эффективностью топлива и тягой двигателя, например, ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, но благодаря высокому удельному импульсу находят применение в качестве маневровых двигателей в космической технике.

Для воздушно-реактивных двигателей величина удельного импульса на порядок выше, чем у химических ракетных двигателей, за счёт того, что окислитель и рабочее тело поступают из окружающей среды и их расход не учитывается в формуле расчёта импульса, в которой фигурирует только массовый расход горючего. Однако, использование окружающей среды при больших скоростях движения вызывает вырождение ВРД — их удельный импульс падает с ростом скорости. Приведённое в таблице значение соответствует дозвуковым скоростям.

Приведенное значение удельного импульса для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) соответствует показателям эффективности современных кислородно-водородных ЖРД в вакууме. Наибольшее значение, когда-либо продемонстрированное на практике, было получено с использованием трехкомпонентной схемы литий/водород/фтор и составляет 542 секунды (5 320 м/сек), но ей не было найдено практического применения по причине технологических трудностей [3] [4] .

Источник

Удельная тяга, или удельный импульс

Одним из основных показателей эффективности ракетного двигателя является удельная тяга, или удельный импульс. Под этими терминами-синонимами понимается одно и то же, но в различной формулировке.

Удельная тяга — это тяга двигателя, отнесенная к секунд­ному весовому расходу рабочего тела

(1.10)

где секундный расход берется, естественно, в условиях, приведенных к поверхности Земли.

Под удельным понимается импульс, который создает двига­тель на один килограмм веса отброшенного рабочего тела. Раз­личие между удельной тягой и удельным импульсом заключается лишь в том, что первая измеряется в , а второй — в . Как в величине, так и в размерности, ничего не меняется. Удельная тяга и удельный импульс измеряются в секун­дах, а терминологическая приверженность определяется лишь сложившимися традициями. В одних коллективах в силу при­вычки пользуются одним термином, в других — другим. В раз­говорном общении размерность «секунда» обычно игнорируется и заменяется словом «единица». Например, можно услышать: «Двигатель дает 315 единиц удельной тяги…» или — «Это позво­ляет повысить удельный импульс на три единицы. ». Согласно выражению (1.5)

(1.11)

Удельная тяга, как видим, определяется в первую очередь скоростью истечения Wa, которая зависит не только от свойств топлива, но и от конструктивных особенностей двигателя. В за­висимости от конструкции двигателя меняются условия сгора­ния топлива и истечения продуктов сгорания. Во всех типах ра­кетных двигателей имеется расход масс на внутренние нужды двигателя, как говорят, — на служебные цели. Например, — рас­ход продуктов разложения перекиси водорода на работу тур­бины и расход сжатого газа при стравливании из емкостей. Естественно, при подсчете удельной тяги этот необходимый, но непроизводительный расход массы должен суммироваться с ос­новным, что несколько снижает значение удельной тяги.

Чем выше удельная тяга, тем более совершенным является двигатель, а каждая дополнительная единица удельной тяги ценится очень высоко, особенно для основных силовых установок космических ракет.

Удельная тяга зависит от высоты полета. Поэтому, когда хотят охарактеризовать эффективность двигателя, то называют обычно его пустотную удельную тягу

где We — эффективная скорость истечения в м/сек.

Значение пустотной удельной тяги современных ракетных двигателей для всех существующих видов химических ракетных топлив лежит в пределах от 250 до 460 единиц.

Государственным Стандартом (ГОСТ 17655—72, Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения) для жидкостных ракетных двигателей в настоящее время введен еще один параметр, характеризующий эффективность, а именно, удельный импульс тяги ЖРДJy. Он отличается от удельного импульса тем, что тяга относится не к весовому, а к массовому секундному расходу

и измеряется не в сек, а в н•с/кг, т. е. в м/с. Удельный импульс тяги ЖРД — это уже знакомая нам эффективная ско­рость истечения, применение которой теперь распространяется и на атмосферный участок полета. Удельный импульс тяги ЖРД связан с удельной тягой очевидным соотношением:

а в числовом выражении:

Многословие термина провоцирует его сокращение, и удельный импульс тяги ЖРД нередко называют удельным импульсом, что влечет за собой смысловое искажение. Выручает, однако, де­сятикратное числовое различие. Если в технической докумен­тации для двигателя на химическом топливе удельный импульс указан в сотнях единиц, значит, речь действительно идет об удельном импульсе, измеряемом в сек; если же — в тысячах, можно не сомневаться, что это — удельный импульс тяги ЖРД, выраженный в м/с.

Источник

Удельный импульс: определение понятия, характеристика, расчет

Удельный импульс (УИ) представляет собой меру того, насколько эффективно ракета или двигатель используют топливо. По определению, это суммарный всплеск, доставляемый на единицу потребленного питания, и по размеру эквивалентен генерируемой тяге, деленной на массовый расход. Если килограммы используются как единица пропеллента, тогда удельный импульс измеряется в скорости. Если вместо этого применяется вес в ньютонах или фунт-силе, то определенное значение выражается во времени, чаще всего в секундах.

Умножение скорости потока на стандартную силу тяжести преобразует УИ в массу.

Уравнение Циолковского

Удельный импульс двигателя с более высокой массой эффективнее используется для создания тяги вперед. А в случае, когда используется ракета, то требуется меньше топлива. Именно он необходим для данной дельты-v. Согласно уравнению Циолковского, в удельном импульсе ракетного двигателя, мотор более эффективен при наборе высоты, расстояния и скорости. Эта результативность менее важна в реактивных моделях. Которые используют крылья и наружный воздух для сгорания. И несут полезную нагрузку, которая намного тяжелее, чем топливо.

Удельный импульс включает движение, создаваемое внешним воздухом, который применяется для сжигания и истощается отработавшим топливом. Реактивные двигатели для этого используют наружную атмосферу. И поэтому имеют гораздо более высокий УИ, чем ракетные двигатели. Данное понятие, с точки зрения расходуемой массы топлива, имеет единицы измерения расстояния за время. Которые представляют собой искусственную величину, называемую «эффективной скоростью отработавших газов». Это выше, чем фактическая стремительность выхлопа. Потому что масса воздуха для горения не учитывается. Фактическая и эффективная скорость выхлопа одинаковы в ракетных двигателях, в которых не используется воздух или, например, вода.

Общие соображения

Количество топлива обычно измеряется в единицах массы. Если она используется, то удельный толчок представляет собой импульс на ЕМ, который, как показывает анализ размеров, имеет единицы скорости. И поэтому УИ часто измеряются в метрах в секунду. И часто называются эффективной стремительностью выхлопа. Однако если используется масса, удельный импульс топлива, деленный на силу, оказывается единицей времени. И поэтому конкретные толчки измеряются в секундах.

Читайте также:  Как правильно проводить измерения штангенциркулем

Именно это правило является основным в современном мире, широко используется с коэффициентом г (постоянная от гравитационного ускорения на поверхности Земли).

Стоит обратить внимание, что скорость изменения побуждения ракеты (в том числе ее топлива) за единицу времени равна удельному импульсу тяги.

Специфика

Чем выше толчок, тем меньше топлива требуется для создания заданной тяги в течение определенного времени. В этом отношении жидкость тем эффективнее, чем больше его УИ. Однако это не следует путать с энергоэффективностью, которая может уменьшаться при увеличении толчка, поскольку удельный импульс двигателя, дающий высокие результаты, требует для этого большой энергии.

Кроме того, важно различать и не путать тягу и специфический толчок. УИ создается на единицу расходуемого топлива. А тяга — это мгновенная или пиковая сила, которая образуется конкретным устройством. Во многих случаях двигательные установки с очень высоким удельным импульсом — некоторые ионные установки достигают 10 000 секунд — создают низкую тягу.

При расчете толчка учитывается только топливо, которое перевозится с транспортным средством перед использованием. Следовательно, для ракеты-химика масса будет включать в себя как топливо, так и окислитель. Для двигателей с воздушным дыханием учитывается только сумма жидкости, а не масса воздуха, проходящего через двигатель.

Сопротивление атмосферы и неспособность установки поддерживать высокий удельный импульс при большой скорости горения — это именно та причина, почему все топливо не используется настолько быстро, насколько это возможно.

Более тяжелый двигатель с хорошим УИ может быть не так эффективен при наборе высоты, расстояния или скорости, как легкий прибор с низкими показателями

Если бы не сопротивление воздуха и уменьшение расхода топлива во время полета, УИ был бы прямой мерой эффективности двигателя в преобразовании массы в движения вперед.

Удельный импульс в секундах

Наиболее распространенной единицей для конкретного толчка является H*с. Как в контексте СИ, так и в тех случаях, когда используются имперские или обычные величины. Преимущество секунд заключается в том, что единица измерения и числовое значение одинаковы для всех систем и, по существу, универсальны. Почти все производители указывают свои характеристики двигателя в секундах. И такое устройство также полезно для определения специфик устройства самолета.

Использование метров в секунду для нахождения эффективной скорости выхлопа также достаточно распространено. Этот блок интуитивно понятен при описании ракетных двигателей, хотя эффективная скорость выхлопа устройств может значительно отличаться от фактической. Это, скорее всего, может быть связано с топливом и окислителем, которые сбрасываются за борт после включения турбонасосов. Для реактивных двигателей с воздушным дыханием эффективная скорость выхлопа не имеет физического смысла. Хотя она может использоваться для целей сравнения.

Единицы

Значения, выраженные в Н * с (в килограммах), нередки и численно равны эффективной скорости выхлопа в м / с (из второго закона Ньютона и его же определения).

Другой эквивалентной единицей является удельный расход топлива. Он имеет такие величины измерения, как г (кН · с) или фунт / час. Любая из этих единиц обратно пропорциональна удельному импульсу. А расход топлива широко используется для описания характеристик воздушно-реактивных двигателей.

Общее определение

Для всех транспортных средств удельный импульс (толчок на единицу веса топлива на Земле) в секундах может быть определен следующим уравнением.

Чтобы прояснить ситуацию, важно уточнить, что:

  1. F — является стандартной силой тяжести, которая номинально заявляется как мощь на поверхности Земли, в м / с 2 (или фут / с в квадрате).
  2. g — является массовым расходом в кг / с, который представляется отрицательным по отношению к скорости изменения массы транспортного средства во времени (поскольку топливо выталкивается).

Измерение

Английская единица, фунт, чаще используется, чем иные величины. А также при применении данной величины в секунду для скорости расхода, при преобразовании, постоянная г 0 становится ненужной. Поскольку он становится размерным эквивалентным фунтам, деленных на г 0.

I sp в секундах — это время, в течение которого устройство может генерировать удельный импульс тяги ракетного двигателя, учитывая количество топлива, вес которого равен влечению.

Преимущество этой формулировки состоит в том, что она может использоваться для ракет, где вся реакционная масса перевозится на борту, а также для самолетов, где большая часть реакционной массы берется из атмосферы. Кроме того, он дает результат, который не зависит от используемых единиц.

Удельный импульс как скорость (эффективная стремительность выхлопа)

Из-за геоцентрического коэффициента g 0 в уравнении, многие предпочитают определять толчок ракеты (в частности) в терминах тяги на единицу массы потока топлива. Это в равной степени действительный (и в некотором смысле несколько более простой) способ определения эффективности удельного импульса ракетного топлива. Если рассматривать другие варианты, то ситуация будет практически везде одной и той же. Ракеты определенного удельного импульса представляют собой просто эффективную скорость выхлопа относительно устройства. Два атрибута конкретного толчка пропорциональны друг другу и связаны следующим образом.

Чтобы воспользоваться формулой, необходимо понимать, что:

  1. I — удельный импульс в секундах.
  2. v — толчок, измеренный в м / с. Который равен эффективной скорости выхлопа, измеренной в м / с (или фут / с, в зависимости от величины g).
  3. g — это стандарт силы тяжести, 9,80665 м / с 2. В Imperial единицах 32.174 фут / с 2.

Это уравнение также справедливо для воздушно-реактивных двигателей, но редко используется на практике.

Стоит обратить внимание, что иногда употребляются разные символы. Например, c также рассматривается для скорости выхлопа. В то время как символ sp может логически использоваться для УИ в единицах Н · с / кг. Во избежание путаницы желательно зарезервировать его для определенного значения, измеряемого в секундах до начала описания.

Это связано с тягой или силой движения удельного импульса ракетного двигателя, формула.

Здесь m — это массовый расход топлива, который является скоростью уменьшения величины транспортного средства.

Минимизация

Ракета должна нести все свое топливо. Поэтому масса несгоревшего продовольствия обязана быть ускорена вместе с самим устройством. Минимизация величины топлива, необходимого для достижения данного толчка, имеет решающее значение для создания эффективных ракет.

Формула удельного импульса Циолковского показывает, что для ракеты с заданной пустой массой и определенным количеством топлива, общее изменение скорости можно достичь пропорционально эффективной стремительности истечения.

Космический корабль без движителя передвигается по орбите, определяемой его траекторией и любым гравитационным полем. Отклонения от соответствующего шаблона скорости (они называются Δ v) достигаются путем устремленности выхлопных газов по массе в направлении, противоположном необходимым изменениям.

Фактическая стремительность в сравнении с эффективной быстротой

Здесь стоит обратите внимание, что эти два понятия могут существенно различаться. Например, когда ракета запускается в атмосфере, воздушное давление снаружи двигателя вызывает тормозящее усилие. Которое уменьшает удельный импульс и эффективная скорость выхлопа снижается, тогда как фактическая стремительность практически не изменяется. Кроме того, иногда ракетные двигатели имеют отдельную форсунку для турбинного газа. Затем для расчета эффективной скорости выхлопа требуется усреднить два массовых потока, а также учесть любое атмосферное давление.

Увеличение эффективности

Для реактивных двигателей с воздушным дыханием, в частности, турбовентиляторов, фактическая скорость выпуска и эффективная быстрота отличаются на несколько порядков. Это связано с тем, что при использовании воздуха в качестве реакционной массы достигается значительный дополнительный импульс. Это позволяет лучше согласовать воздушную скорость и быстроту выхлопа, что экономит энергию и топливо. И значительно увеличивает эффективную составляющую при одновременном снижении фактической стремительности.

Энергоэффективность

Для ракет и ракетоподобных двигателей, таких как ионные модели, sp подразумевает более низкую энергоэффективность.

В этой формуле v e — фактическая скорость струи.

Следовательно, необходимая сила пропорциональна каждой скорости выхлопа. При более высоких стремительностях требуется мощность намного сильней для той же тяги, что приводит к меньшей энергоэффективности на одну единицу.

Тем не менее общая энергия для миссии зависит от всего использования топлива, а также оттого, сколько энергии требуется на одну единицу. Для низкой скорости выхлопа относительно миссии delta-v необходимы огромные количества реакционной массы. Фактически по этой причине очень низкая скорость выхлопа не является энергоэффективной. Но оказывается, что ни один тип не имеет максимально высокие показатели.

Переменная

Теоретически, для данной дельты-v, в пространстве, среди всех фиксированных значений скорости выхлопа, значение ve=0,6275 является наиболее энергоэффективным для заданной конечной массы. Чтобы узнать подробнее, можно просмотреть энергию в двигательном аппарате космического корабля.

Тем не менее переменная скорость выхлопа может быть еще более энергоэффективной. Например, если ракета ускоряется с некоторой положительной начальной быстротой с использованием стремительности выхлопа, который равен скорости изделия, никакая энергия не теряется как кинетическая составляющая массы реакции. Поскольку она становится стационарной.

Источник

Удельный импульс

Уде́льный и́мпульс или уде́льная тя́га (англ. specific impulse ) — показатель эффективности ракетного двигателя. Иногда оба термина используются как синонимы, имея в виду, что это, фактически, одна и та же характеристика. Удельная тяга применяется обычно во внутренней баллистике, в то время как удельный импульс — во внешней баллистике. Размерность удельного импульса есть размерность скорости, в системе единиц СИ это метр в секунду.

Содержание

Определения

Уде́льный и́мпульс — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу (обычно массовому, но может соотноситься и, например, с весом или объёмом) топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определённое количество движения. Теоретически удельный импульс равен скорости истечения продуктов сгорания, фактически может от неё отличаться. Поэтому удельный импульс называют так же эффективной (или эквивалентной) скоростью истечения.

Уде́льная тя́га — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемой им тяги к массовому расходу топлива. Измеряется в метрах в секунду (м/с = Н·с/кг = кгс·с/т.е.м.) и означает, в данной размерности, сколько секунд данный двигатель сможет создавать тягу в 1 Н, истратив при этом 1 кг топлива (или тягу в 1 кгс, истратив при этом 1 т.е.м. топлива). При другом толковании удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (примерно равное 9,81 м/с²). [1]

Формула приближенного расчета удельного импульса (скорости истечения) для реактивных двигателей на химическом топливе выглядит, как:

где Tk — температура газа в камере сгорания (разложения); pk и pa — давление газа соответственно в камере сгорания и на выходе из сопла; y — молекулярный вес газа в камере сгорания; u — коэффициент, характеризующий теплофизические свойства газа в камере (обычно u ≈ 15 ). Как видно из формулы в первом приближении, чем выше температура газа, чем меньше его молекулярная масса и чем выше соотношение давлений в камере РД к окружающему пространству, тем выше удельный импульс [2] .

Сравнение эффективности разных типов двигателей

Удельный импульс является важным параметром двигателя, характеризующим его эффективность. Эта величина не связана напрямую с энергетической эффективностью топлива и тягой двигателя, например, ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, но благодаря высокому удельному импульсу находят применение в качестве маневровых двигателей в космической технике.

Читайте также:  Измерение барометрического давления окружающей среды

Для воздушно-реактивных двигателей величина удельного импульса на порядок выше, чем у химических ракетных двигателей, за счёт того, что окислитель и рабочее тело поступают из окружающей среды и их расход не учитывается в формуле расчёта импульса, в которой фигурирует только массовый расход горючего. Однако, использование окружающей среды при больших скоростях движения вызывает вырождение ВРД — их удельный импульс падает с ростом скорости. Приведённое в таблице значение соответствует дозвуковым скоростям.

Приведенное значение удельного импульса для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) соответствует показателям эффективности современных кислородно-водородных ЖРД в вакууме. Наибольшее значение, когда-либо продемонстрированное на практике, было получено с использованием трехкомпонентной схемы литий/водород/фтор и составляет 542 секунды (5 320 м/сек), но ей не было найдено практического применения по причине технологических трудностей [3] [4] .

Источник

Удельная тяга, или удельный импульс

Одним из основных показателей эффективности ракетного двигателя является удельная тяга, или удельный импульс. Под этими терминами-синонимами понимается одно и то же, но в различной формулировке.

Удельная тяга — это тяга двигателя, отнесенная к секунд­ному весовому расходу рабочего тела

(1.10)

где секундный расход берется, естественно, в условиях, приведенных к поверхности Земли.

Под удельным понимается импульс, который создает двига­тель на один килограмм веса отброшенного рабочего тела. Раз­личие между удельной тягой и удельным импульсом заключается лишь в том, что первая измеряется в , а второй — в . Как в величине, так и в размерности, ничего не меняется. Удельная тяга и удельный импульс измеряются в секун­дах, а терминологическая приверженность определяется лишь сложившимися традициями. В одних коллективах в силу при­вычки пользуются одним термином, в других — другим. В раз­говорном общении размерность «секунда» обычно игнорируется и заменяется словом «единица». Например, можно услышать: «Двигатель дает 315 единиц удельной тяги…» или — «Это позво­ляет повысить удельный импульс на три единицы. ». Согласно выражению (1.5)

(1.11)

Удельная тяга, как видим, определяется в первую очередь скоростью истечения Wa, которая зависит не только от свойств топлива, но и от конструктивных особенностей двигателя. В за­висимости от конструкции двигателя меняются условия сгора­ния топлива и истечения продуктов сгорания. Во всех типах ра­кетных двигателей имеется расход масс на внутренние нужды двигателя, как говорят, — на служебные цели. Например, — рас­ход продуктов разложения перекиси водорода на работу тур­бины и расход сжатого газа при стравливании из емкостей. Естественно, при подсчете удельной тяги этот необходимый, но непроизводительный расход массы должен суммироваться с ос­новным, что несколько снижает значение удельной тяги.

Чем выше удельная тяга, тем более совершенным является двигатель, а каждая дополнительная единица удельной тяги ценится очень высоко, особенно для основных силовых установок космических ракет.

Удельная тяга зависит от высоты полета. Поэтому, когда хотят охарактеризовать эффективность двигателя, то называют обычно его пустотную удельную тягу

где We — эффективная скорость истечения в м/сек.

Значение пустотной удельной тяги современных ракетных двигателей для всех существующих видов химических ракетных топлив лежит в пределах от 250 до 460 единиц.

Государственным Стандартом (ГОСТ 17655—72, Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения) для жидкостных ракетных двигателей в настоящее время введен еще один параметр, характеризующий эффективность, а именно, удельный импульс тяги ЖРДJy. Он отличается от удельного импульса тем, что тяга относится не к весовому, а к массовому секундному расходу

и измеряется не в сек, а в н•с/кг, т. е. в м/с. Удельный импульс тяги ЖРД — это уже знакомая нам эффективная ско­рость истечения, применение которой теперь распространяется и на атмосферный участок полета. Удельный импульс тяги ЖРД связан с удельной тягой очевидным соотношением:

а в числовом выражении:

Многословие термина провоцирует его сокращение, и удельный импульс тяги ЖРД нередко называют удельным импульсом, что влечет за собой смысловое искажение. Выручает, однако, де­сятикратное числовое различие. Если в технической докумен­тации для двигателя на химическом топливе удельный импульс указан в сотнях единиц, значит, речь действительно идет об удельном импульсе, измеряемом в сек; если же — в тысячах, можно не сомневаться, что это — удельный импульс тяги ЖРД, выраженный в м/с.

Источник

Удельный импульс — Specific impulse

Удельный импульс (обычно сокращенно I sp ) — это мера того, насколько эффективно двигатель с реактивной массой ( ракета, использующая топливо или реактивный двигатель, использующий топливо) создает тягу. Для двигателей, чья реакционная масса — это только топливо, которое они переносят, удельный импульс точно пропорционален скорости выхлопных газов.

Двигательная установка с более высоким удельным импульсом более эффективно использует массу пороха. В случае ракеты это означает меньшее количество топлива, необходимое для данной дельта-v . , чтобы транспортное средство, к которому прикреплен двигатель, могло более эффективно набирать высоту и скорость.

В атмосферном контексте удельный импульс может включать вклад в импульс, обеспечиваемый массой внешнего воздуха, который каким-то образом ускоряется двигателем, например, внутренним двухконтурным двигателем или нагревом за счет участия в сгорании топлива, затем расширения тяги или внешнего воздушного винта. Реактивные двигатели дышат внешним воздухом как для сгорания, так и для байпаса, и поэтому имеют гораздо более высокий удельный импульс, чем ракетные двигатели. Удельный импульс в единицах израсходованной массы топлива выражается в единицах расстояния за время, что является условной скоростью, называемой эффективной скоростью истечения . Это выше, чем фактическая скорость выхлопа, поскольку не учитывается масса воздуха для горения. Фактическая и эффективная скорость истечения в ракетных двигателях, работающих в вакууме, одинаковы.

Удельный импульс обратно пропорционален удельному расходу топлива (SFC) соотношением I sp = 1 / ( g o · SFC) для SFC в кг / (Н · с) и I sp = 3600 / SFC для SFC в фунтах / (фунт-силах) · Час).

СОДЕРЖАНИЕ

Общие Соображения

Количество метательного взрывчатого вещества может быть измерено либо в единицах массы, либо в весовых единицах. Если используется масса, удельный импульс представляет собой импульс на единицу массы, который, как показывает анализ размеров, имеет единицы скорости, в частности, эффективную скорость выхлопа . Поскольку система SI основана на массе, этот тип анализа обычно выполняется в метрах в секунду. Если используется система единиц измерения силы, импульс делится на вес топлива (вес является мерой силы), в результате получается единицы времени (секунды). Эти две формулировки отличаются друг от друга стандартным ускорением свободного падения ( g ) на поверхности Земли.

Скорость изменения количества движения ракеты (включая ее топливо) в единицу времени равна тяге. Чем выше удельный импульс, тем меньше топлива требуется для создания заданной тяги в течение заданного времени и тем более эффективным является топливо. Это не следует путать с физической концепцией энергоэффективности , которая может уменьшаться по мере увеличения удельного импульса, поскольку двигательные установки, которые дают высокий удельный импульс, требуют для этого большой энергии.

Не следует путать тягу и удельный импульс. Тяга — это сила, прилагаемая двигателем, которая зависит от количества реактивной массы, протекающей через двигатель. Удельный импульс измеряет импульс, производимый на единицу топлива, и пропорционален скорости истечения. Тяга и удельный импульс связаны конструкцией и пропеллентами рассматриваемого двигателя, но эта взаимосвязь незначительна. Например, двухкомпонентное топливо LH 2 / LOx производит более высокое I sp, но меньшую тягу, чем RP-1 / LOx, из-за того, что выхлопные газы имеют более низкую плотность и более высокую скорость ( H 2 O против CO 2 и H 2 O). Во многих случаях двигательные установки с очень высоким удельным импульсом — некоторые ионные двигатели достигают 10 000 секунд — создают низкую тягу.

При расчете удельного импульса учитывается только топливо, имеющееся в транспортном средстве перед использованием. Таким образом, для химической ракеты в массу ракетного топлива будет входить как топливо, так и окислитель . В ракетной технике более тяжелый двигатель с более высоким удельным импульсом может быть не таким эффективным в набирании высоты, расстояния или скорости, как более легкий двигатель с более низким удельным импульсом, особенно если последний двигатель обладает более высоким отношением тяги к массе . Это важная причина того, что большинство конструкций ракет имеют несколько ступеней. Первая ступень оптимизирована для большой тяги, чтобы поднять более поздние ступени с более высоким удельным импульсом на большие высоты, где они могут работать более эффективно.

Для двигателей с воздушным дыханием учитывается только масса топлива, а не масса воздуха, проходящего через двигатель. Сопротивление воздуха и неспособность двигателя поддерживать высокий удельный импульс при высокой скорости горения — вот почему все топливо не используется как можно быстрее.

Если бы не сопротивление воздуха и уменьшение количества топлива во время полета, удельный импульс был бы прямой мерой эффективности двигателя в преобразовании веса или массы топлива в поступательный импульс.

Единицы

Различные эквивалентные измерения характеристик ракетных двигателей в единицах СИ и английских технических единицах.

Удельный импульс Эффективная
скорость выхлопа
Удельный расход
топлива
По весу По массе
SI = х с = 9.80665 · x Н · с / кг = 9.80665 · x м / с = 101,972 / x г / (кН · с)
Английские инженерные подразделения = х с = x фунт-сила · с / фунт = 32,17405 · x фут / с = 3600 / x фунт / (фунт-сила · час)

Самая распространенная единица измерения удельного импульса — вторая, поскольку значения идентичны независимо от того, производятся ли вычисления в единицах СИ , имперских или обычных единицах. Почти все производители указывают характеристики своих двигателей в секундах, и это устройство также полезно для определения характеристик авиационных двигателей.

Использование метров в секунду для определения эффективной скорости выхлопа также довольно распространено. Устройство интуитивно понятно при описании ракетных двигателей, хотя эффективная скорость выхлопа двигателей может значительно отличаться от фактической скорости выхлопа, особенно в двигателях с газогенераторным циклом . Для воздушно-реактивных двигателей эффективная скорость выхлопа не имеет физического значения, хотя ее можно использовать для сравнения.

Метры в секунду численно эквивалентны ньютон-секундам на кг (Н · с / кг), а измерения удельного импульса в системе СИ могут быть взаимозаменяемы в любых единицах. Этот блок подчеркивает определение удельного импульса как импульс на единицу массы топлива.

Удельный расход топлива обратно пропорционален удельному импульсу и измеряется в г / (кН · с) или фунт / (фунт-сила · час). Удельный расход топлива широко используется для описания характеристик воздушно-реактивных двигателей.

Удельный импульс в секундах

Единицу времени в секундах для измерения характеристик комбинации топливо / двигатель можно представить как «сколько секунд это топливо может разогнать свою начальную массу до 1 г». Чем больше секунд он может разогнать собственную массу, тем больше дельта-V он передает всей системе.

Другими словами, учитывая конкретный двигатель и фунт массы конкретного топлива, удельный импульс измеряет, как долго этот двигатель может прилагать непрерывный фунт силы (тяги) до полного сгорания этого фунта топлива. Данная масса топлива с более высокой плотностью энергии может гореть дольше, чем топливо с меньшей плотностью энергии, созданное для приложения той же силы при горении в двигателе. Различные конструкции двигателей, сжигающие одно и то же топливо, могут не быть одинаково эффективными при преобразовании энергии топлива в эффективную тягу. Точно так же некоторые автомобильные двигатели сконструированы лучше, чем другие, чтобы максимально использовать мили на галлон бензина, который они сжигают.

Читайте также:  Протокол измерения артериального давления

Для всех транспортных средств удельный импульс (импульс на единицу массы топлива на Земле) в секундах можно определить по следующему уравнению:

F толкать знак равно грамм 0 ⋅ я зр ⋅ м ˙ , <\ displaystyle F _ <\ text > = g_ <0>\ cdot I _ <\ text > \ cdot <\ dot >,>

F толкать <\ displaystyle F _ <\ text >> это тяга, полученная от двигателя ( сила в ньютонах или фунтах ), грамм 0 <\ displaystyle g_ <0>> — стандартная сила тяжести , которая номинально представляет собой силу тяжести на поверхности Земли (м / с 2 или фут / с 2 ), я зр <\ displaystyle I _ <\ text >> — измеренный удельный импульс (секунды), м ˙ <\ displaystyle <\ dot >> — массовый расход израсходованного топлива (кг / с или снарядов / с)

Английский единица фунт масса чаще используются , чем заготовки, а также при использовании фунтов в секунду для массового расхода, преобразование постоянная г становится ненужным, поскольку пробковым размерно эквивалентно фунты , деленных на г :

F толкать знак равно я зр ⋅ м ˙ . <\ displaystyle F _ <\ text > = I _ <\ text > \ cdot <\ dot >.>

I sp в секундах — это количество времени, в течение которого ракетный двигатель может генерировать тягу, учитывая количество топлива, вес которого равен тяге двигателя.

Преимущество этого состава состоит в том, что его можно использовать в ракетах, где вся реакционная масса находится на борту, а также в самолетах, где большая часть реакционной массы отбирается из атмосферы. Кроме того, он дает результат, не зависящий от используемых единиц (при условии, что единицей измерения времени является секунда).

Ракетная техника

В ракетной технике единственной реакционной массой является топливо, поэтому используется эквивалентный способ вычисления удельного импульса в секундах. Удельный импульс определяется как тяга, интегрированная во времени на единицу массы топлива на Земле:

я s п знак равно v е грамм 0 , <\ displaystyle I _ <\ rm > = <\ frac >> >>,>

я s п <\ displaystyle I _ <\ rm >> удельный импульс, измеренный в секундах, v е <\ displaystyle v _ <\ text >> средняя скорость выхлопа по оси двигателя (фут / с или м / с), грамм 0 <\ displaystyle g_ <0>> — стандартная сила тяжести (в фут / с 2 или м / с 2 ).

В ракетах из-за атмосферных воздействий удельный импульс изменяется с высотой, достигая максимума в вакууме. Это связано с тем, что скорость выхлопа зависит не только от давления в камере, но и от разницы между внутренней и внешней частью камеры сгорания . Значения обычно приводятся для работы на уровне моря («sl») или в вакууме («vac»).

Удельный импульс как эффективная скорость истечения

Из-за геоцентрического фактора g в уравнении для удельного импульса многие предпочитают альтернативное определение. Удельный импульс ракеты можно определить как тягу на единицу массового расхода топлива. Это не менее действенный (и в некотором смысле несколько более простой) способ определения эффективности ракетного топлива. Для ракеты удельный импульс, определенный таким образом, представляет собой просто эффективную скорость истечения относительно ракеты, v e . «В реальных ракетных соплах скорость истечения на самом деле не является равномерной по всему выходному сечению, и такие профили скорости трудно точно измерить. Для всех расчетов, в которых используется одномерное описание проблемы, предполагается однородная осевая скорость v e . Эта эффективная скорость истечения представляет собой среднюю или эквивалентную по массе скорость, с которой топливо выбрасывается из ракетного транспортного средства «. Два определения удельного импульса пропорциональны друг другу и связаны друг с другом следующим образом:

v е знак равно грамм 0 ⋅ я зр , <\ displaystyle v _ <\ text > = g_ <0>\ cdot I _ <\ text >,>

я зр <\ displaystyle I _ <\ text >> удельный импульс в секундах, v е <\ displaystyle v _ <\ text >> — удельный импульс, измеренный в м / с , который совпадает с эффективной скоростью выхлопа, измеренной в м / с (или фут / с, если g выражается в фут / с 2 ), грамм 0 <\ displaystyle g_ <0>> — стандартная сила тяжести , 9,80665 м / с 2 (в британских единицах измерения 32,174 фут / с 2 ).

Это уравнение также справедливо для воздушно-реактивных двигателей, но редко используется на практике.

(Обратите внимание, что иногда используются разные символы; например, c также иногда встречается для скорости выхлопа. Хотя этот символ может логически использоваться для удельного импульса в единицах (Н · с ^ 3) / (м · кг); чтобы избежать путаница, желательно зарезервировать это для конкретного импульса, измеряемого в секундах.) я зр <\ displaystyle I _ <\ text >>

Это связано с тягой , или поступательной силой, действующей на ракету, следующим уравнением:

F толкать знак равно v е ⋅ м ˙ , <\ displaystyle F _ <\ text > = v _ <\ text > \ cdot <\ dot >,>

где — массовый расход топлива, то есть скорость уменьшения массы транспортного средства. м ˙ <\ displaystyle <\ dot >>

Ракета должна нести с собой все топливо, поэтому масса несгоревшего топлива должна ускоряться вместе с самой ракетой. Минимизация массы топлива, необходимой для достижения заданного изменения скорости, имеет решающее значение для создания эффективных ракет. Уравнение ракеты Циолковского показывает, что для ракеты с заданной пустой массой и заданным количеством топлива полное изменение скорости, которое она может выполнить, пропорционально эффективной скорости истечения.

Космический корабль без двигателя движется по орбите, определяемой его траекторией и любым гравитационным полем. Отклонения от соответствующей картины скорости (они называются Δ v ) достигаются путем направления массы выхлопных газов в направлении, противоположном направлению желаемого изменения скорости.

Фактическая скорость выпуска в зависимости от эффективной скорости выпуска

Когда двигатель работает в атмосфере, скорость выхлопа снижается за счет атмосферного давления, что, в свою очередь, снижает удельный импульс. Это уменьшение эффективной скорости выхлопа по сравнению с фактической скоростью выхлопа, достигаемой в условиях вакуума. В случае ракетных двигателей газогенераторного цикла присутствует более одного потока выхлопных газов, так как выхлопные газы турбонасосов выходят через отдельное сопло. Расчет эффективной скорости выхлопа требует усреднения двух массовых расходов, а также учета любого атмосферного давления.

Для воздушно-реактивных двигателей, особенно турбовентиляторных , фактическая скорость выхлопа и эффективная скорость выхлопа различаются на порядки величины. Это связано с тем, что значительный дополнительный импульс достигается за счет использования воздуха в качестве реакционной массы. Это позволяет лучше согласовывать воздушную скорость и скорость выхлопа, что экономит энергию / топливо и значительно увеличивает эффективную скорость выхлопа при одновременном снижении фактической скорости выхлопа.

Примеры

Удельный расход топлива (SFC), удельный импульс и эффективная скорость выхлопа для различных ракетных и реактивных двигателей.

Тип двигателя Сценарий Спец. расход топлива. Удельный
импульс (ы)
Эффективная
скорость выхлопа (м / с)
(фунт / фунт-сила · ч) (г / кН · с)
Ракетный двигатель НК-33 Вакуум 10.9 308 331 3250
Ракетный двигатель ССМЭ Космический шаттл вакуум 7,95 225 453 4440
Ramjet Мах 1 4.5 130 800 7800
Турбореактивный J-58 SR-71 на скорости 3,2 Маха (на мокрой дороге) 1.9 54 1900 г. 19000
Eurojet EJ200 Разогреть 1,66–1,73 47–49 2080–2170 20400–21300
Турбореактивный двигатель Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 Крейсерский режим Concorde Mach 2 (сухой) 1,195 33,8 3010 29500
Eurojet EJ200 Сухой 0,74–0,81 21–23 4400–4900 44000–48000
Турбореактивный двухконтурный двигатель CF6-80C2B1F Боинг 747-400 круизный 0,605 17,1 5950 58400
ТРДД General Electric CF6 Уровень моря 0,307 8,7 11700 115000
Удельный импульс различных двигательных технологий

Двигатель Эффективная
скорость выхлопа (м / с)
Удельный
импульс (ы)
Удельная
энергия выхлопа (МДж / кг)
ТРДД
( фактическая V

300 м / с)

29 000 3 000 Прибл. 0,05
Твердотопливный ракетный ускоритель космического шаттла 2,500 250 3
Жидкий кислород — жидкий водород 4 400 450 9,7
ВАСИМР 30 000–120 000 3 000–12 000 1,400
Электростатический ионный двигатель DS4G 210 000 21 400 22 500
Идеальная фотонная ракета 299 792 458 30 570 000 89 875 517 874

Пример удельного импульса, измеренного во времени, составляет 453 секунды , что эквивалентно эффективной скорости выхлопа 4440 м / с для двигателей RS-25 при работе в вакууме. Воздушно-реактивный двигатель обычно имеет гораздо больший удельный импульс, чем ракета; например, турбореактивный реактивный двигатель может иметь удельный импульс 6000 секунд или более на уровне моря, тогда как ракета будет иметь длительность около 200–400 секунд.

Таким образом, воздушно-реактивный двигатель намного более эффективен, чем ракетный, потому что воздух служит реакционной массой и окислителем для сгорания, который не должен переноситься в качестве топлива, а фактическая скорость выхлопа намного ниже, поэтому кинетическая энергия унос выхлопных газов ниже, и, таким образом, реактивный двигатель потребляет гораздо меньше энергии для создания тяги. В то время как фактическая скорость выхлопа ниже для воздушно-реактивных двигателей, эффективная скорость выхлопа очень высока для реактивных двигателей. Это связано с тем, что расчет эффективной скорости истечения предполагает, что переносимое топливо обеспечивает всю реакционную массу и всю тягу. Следовательно, эффективная скорость выхлопа не имеет физического значения для дыхательных двигателей; тем не менее, это полезно для сравнения с другими типами двигателей.

Самый высокий удельный импульс химического топлива, когда-либо испытанного в ракетном двигателе, составлял 542 секунды (5,32 км / с) с трехкомпонентным топливом из лития , фтора и водорода . Однако такое сочетание нецелесообразно. И литий, и фтор чрезвычайно агрессивны, литий воспламеняется при контакте с воздухом, фтор воспламеняется при контакте с большинством видов топлива, а водород, хотя и не гиперголичен, является взрывоопасным. Фтор и фтористый водород (HF) в выхлопных газах очень токсичны, что наносит ущерб окружающей среде, затрудняет работу на стартовой площадке и значительно затрудняет получение лицензии на запуск. Выхлоп ракеты также ионизирован, что может помешать радиосвязи с ракетой.

Ядерные тепловые ракетные двигатели отличаются от обычных ракетных двигателей тем, что энергия подводится к топливу от внешнего ядерного источника тепла вместо теплоты сгорания. Ядерная ракета обычно работает, пропуская жидкий водород через работающий ядерный реактор. Испытания в 1960-х годах дали удельные импульсы около 850 секунд (8340 м / с), что примерно вдвое больше, чем у двигателей космических челноков.

Множество других методов движения ракет, таких как ионные двигатели , дают гораздо более высокий удельный импульс, но с гораздо меньшей тягой; например, двигатель на эффекте Холла на спутнике SMART-1 имеет удельный импульс 1640 с (16 100 м / с), но максимальную тягу всего 68 миллиньютон. Переменные Удельный импульс магнитоплазменных ракет (VASIMR) двигатель в настоящее время в разработке теоретически выход 20,000-300,000 м / с, а максимальной тягой 5,7 ньютонов.

Источник