Specific Impulse (SP) è una misura dell'efficienza con cui un razzo o un motore utilizza il carburante. Per definizione, questo è il picco totale erogato per unità di potenza consumata ed è equivalente in dimensione alla spinta generata divisa per la portata massica. Se si utilizzano i chilogrammi come unità di propellente, l'impulso specifico viene misurato in termini di velocità. Se invece viene utilizzato un peso in newton o libbre-forza, il valore specifico viene espresso in termini di tempo, più comunemente in secondi.
Moltiplicando la velocità del flusso per la gravità standard si converte il GI in massa.
Equazione di Tsiolkovsky
L'impulso specifico di un motore di massa maggiore viene utilizzato in modo più efficiente per generare spinta in avanti. E nel caso in cui venga utilizzato un razzo, è necessario meno carburante. È lui che è necessario per questo delta-v. Secondo l'equazioneTsiolkovsky, nell'impulso specifico di un motore a razzo, il motore è più efficiente in salita, distanza e velocità. Questa prestazione è meno importante nei modelli reattivi. Che usano le ali e l'aria esterna per la combustione. E trasporta un carico utile molto più pesante del carburante.
L'impulso specifico include il movimento generato dall'aria esterna utilizzata per la combustione e impoverita dal combustibile esaurito. I motori a reazione utilizzano l'atmosfera esterna per questo. E quindi hanno un'interfaccia utente molto più alta rispetto ai motori a razzo. Questo concetto, dal punto di vista della massa consumata di carburante, ha unità di misura della distanza nel tempo. Che sono un valore artificiale chiamato "velocità effettiva dei gas di scarico". Questo è superiore alla velocità di scarico effettiva. Perché la massa d'aria per la combustione non viene presa in considerazione. La velocità di scarico effettiva ed effettiva è la stessa nei motori a razzo che, ad esempio, non utilizzano aria o acqua.
Considerazioni generali
La quantità di carburante viene solitamente misurata in unità di massa. Se viene utilizzato, l'impulso specifico è l'impulso per EM, che, come mostrato dall'analisi delle dimensioni, ha unità di velocità. E quindi l'interfaccia utente viene spesso misurata in metri al secondo. E spesso indicato come la velocità effettiva dello scarico. Tuttavia, se si utilizza la massa, l'impulso specifico del carburante diviso per la forza risulta essere un'unità di tempo. E così le spinte specifiche vengono misurate in secondi.
È questa regola la principale nel mondo moderno, ampiamente usata concoefficiente r0 (costante dell'accelerazione gravitazionale sulla superficie terrestre).
Vale la pena notare che la velocità di variazione dell'impulso del razzo (compreso il suo carburante) per unità di tempo è uguale all'impulso di spinta specifico.
Specifiche
Più alta è la spinta, meno carburante è necessario per generare una data spinta per un certo periodo di tempo. A questo proposito, più il liquido è efficace, maggiore è la sua UI. Tuttavia, questo non deve essere confuso con l'efficienza energetica, che può diminuire all'aumentare della spinta, poiché l'impulso specifico del motore, che dà risultati elevati, richiede molta energia per farlo.
Inoltre, è importante distinguere e non confondere una spinta con una spinta specifica. L'interfaccia utente viene creata per unità di carburante consumata. E la spinta è la forza istantanea o di picco generata da un particolare dispositivo. In molti casi, i sistemi di propulsione a impulsi specifici molto elevati (alcune installazioni ioniche raggiungono i 10.000 secondi) producono una spinta bassa.
Quando si calcola la spinta, viene preso in considerazione solo il carburante trasportato con il veicolo prima dell'uso. Pertanto, per un chimico missilistico, la massa includerà sia il propellente che l'ossidante. Per i motori ad aria, viene presa in considerazione solo la quantità di liquido, non la massa d'aria che passa attraverso il motore.
La resistenza atmosferica e l'incapacità dell'impianto di mantenere un impulso specifico elevato a velocità di combustione elevate è precisamente il motivo per cui tutto il carburante non viene utilizzato il più rapidamente possibile.
Più pesanteun motore con un buon MI potrebbe non essere efficace in salita, distanza o velocità come uno strumento leggero con scarse prestazioni
Se non fosse per la resistenza dell'aria e il ridotto consumo di carburante durante il volo, MI sarebbe una misura diretta dell'efficienza di un motore nel convertire la massa in propulsione in avanti.
Impulso specifico in secondi
L'unità più comune per una spinta particolare è Hs. Sia nel contesto dell'IS che nei casi in cui vengono utilizzati valori imperiali o convenzionali. Il vantaggio dei secondi è che l'unità di misura e il valore numerico sono gli stessi per tutti i sistemi e sono essenzialmente universali. Quasi tutti i produttori elencano le prestazioni del motore in pochi secondi. E un tale dispositivo è utile anche per determinare le specifiche di un dispositivo aeronautico.
Anche l'uso di metri al secondo per trovare la velocità di scarico effettiva è abbastanza comune. Questo blocco è intuitivo quando si descrivono i motori a razzo, sebbene la velocità di scarico effettiva dei dispositivi possa differire in modo significativo da quella effettiva. Ciò è molto probabilmente dovuto al fatto che il carburante e l'ossidante vengono scaricati fuori bordo dopo l'accensione delle turbopompe. Per i motori a reazione a respirazione d'aria, la velocità di scarico effettiva non ha alcun significato fisico. Sebbene possa essere utilizzato a scopo di confronto.
Unità
I valori espressi in Ns (in chilogrammi) non sono rari e numericamente uguali alla velocità di scarico effettiva in m/s (dalla seconda legge di Newton e dalla suadefinizioni).
Un' altra unità equivalente è il consumo specifico di carburante. Ha unità di misura come g (kN s) o lb/hr. Ognuna di queste unità è inversamente proporzionale all'impulso specifico. E il consumo di carburante è ampiamente utilizzato per descrivere le prestazioni dei motori a reazione.
Definizione generale
Per tutti i veicoli, l'impulso specifico (spinta per unità di peso di carburante sulla Terra) in secondi può essere determinato dalla seguente equazione.
Per chiarire la situazione, è importante chiarire che:
- F è la forza di gravità standard, che è nominalmente indicata come la potenza sulla superficie terrestre, in m/s 2 (o ft/s al quadrato).
- g è la portata massica in kg/s, che appare negativa rispetto alla velocità di variazione della massa del veicolo nel tempo (quando il carburante viene espulso).
Misurazione
L'unità inglese, la sterlina, è più comunemente usata rispetto ad altre unità. E anche quando si applica questo valore al secondo per la portata, durante la conversione, la costante r 0 diventa superflua. Man mano che diventa dimensionalmente equivalente a libbre diviso per g 0.
I sp in secondi è il tempo per il quale il dispositivo può generare uno specifico impulso di spinta di un motore a razzo, data una quantità di propellente il cui peso è pari alla spinta.
Il vantaggio di questa formulazione è che può essere utilizzato perrazzi, dove l'intera massa di reazione viene trasportata a bordo, così come per gli aerei, dove la maggior parte della massa di reazione viene prelevata dall'atmosfera. Inoltre, fornisce un risultato indipendente dalle unità utilizzate.
Impulso specifico come velocità (velocità di scarico effettiva)
A causa del fattore geocentrico g 0 nell'equazione, molti preferiscono definire la spinta del razzo (in particolare) in termini di spinta per unità di massa del flusso di carburante. Questo è un modo altrettanto valido (e per certi versi alquanto più semplice) per determinare l'efficienza dell'impulso specifico di un propellente. Se consideriamo altre opzioni, la situazione sarà quasi ovunque la stessa. I razzi di un certo impulso specifico sono semplicemente la velocità di scarico effettiva relativa al dispositivo. I due attributi di una spinta particolare sono proporzionali tra loro e sono correlati come segue.
Per usare la formula, devi capire che:
- I - impulso specifico in secondi.
- v - spinta, misurata in m/s. Che è uguale alla velocità di scarico effettiva, misurata in m/s (o piedi/s, a seconda del valore di g).
- g è lo standard di gravità, 9,80665 m/s 2. Nelle unità imperiali 32,174 piedi/s 2.
Questa equazione si applica anche ai motori a reazione, ma è usata raramente nella pratica.
Nota che a volte vengono usati caratteri diversi. Ad esempio, c è anche considerato per la velocità di scarico. Mentre il simbolosp può logicamente essere utilizzato per UI in unità di N s/kg. Per evitare confusione, è opportuno riservarlo a un valore specifico, misurato in secondi prima dell'inizio della descrizione.
Questo è legato alla spinta o alla forza di movimento dell'impulso specifico del motore a razzo, la formula.
Qui m è il consumo di carburante di massa, che è il tasso di diminuzione della grandezza del veicolo.
Minimizzazione
Il razzo deve trasportare tutto il suo propellente. Pertanto, la massa di cibo incombusto deve essere accelerata insieme al dispositivo stesso. Ridurre al minimo la quantità di carburante necessaria per ottenere una determinata spinta è fondamentale per costruire razzi efficienti.
La formula specifica dell'impulso di Tsiolkovsky mostra che per un razzo con una data massa a vuoto e una certa quantità di carburante, la variazione totale di velocità può essere raggiunta in proporzione alla velocità effettiva dello scarico.
Un veicolo spaziale senza elica si muove in un'orbita determinata dalla sua traiettoria e da qualsiasi campo gravitazionale. Le deviazioni dal modello di velocità corrispondente (denominato Δv) si ottengono spingendo la massa del gas di scarico nella direzione opposta alla variazione desiderata.
Velocità effettiva rispetto a velocità effettiva
Qui vale la pena notare che questi due concetti possono differire in modo significativo. Ad esempio, quando un razzo viene lanciato nell'atmosfera, la pressione dell'aria all'esterno del motore provocaforza frenante. Il che riduce l'impulso specifico e si riduce la velocità di scarico effettiva, mentre la rapidità effettiva rimane praticamente invariata. Inoltre, a volte i motori a razzo hanno un ugello separato per il gas della turbina. Il calcolo della velocità di scarico effettiva richiede quindi la media dei due flussi di massa e la presa in considerazione dell'eventuale pressione atmosferica.
Aumenta l'efficienza
Per i motori a reazione a respirazione d'aria, in particolare i turbofan, la velocità di scarico effettiva e la velocità effettiva differiscono di diversi ordini di grandezza. Ciò è dovuto al fatto che quando si utilizza l'aria come massa di reazione, si ottiene una quantità di moto aggiuntiva significativa. Ciò consente una migliore corrispondenza tra velocità relativa e velocità di scarico, risparmiando energia e carburante. E aumenta significativamente la componente effettiva riducendo la velocità effettiva.
Efficienza energetica
Per razzi e motori simili a razzi come i modelli ionici, sp implica una minore efficienza energetica.
In questa formula, v e è la velocità effettiva del getto.
Quindi la forza richiesta è proporzionale a ciascuna velocità di scarico. A velocità più elevate, è necessaria molta più potenza per la stessa spinta, con conseguente minore efficienza energetica di un'unità.
Tuttavia, l'energia totale per una missione dipende dal consumo totale di carburante e dalla quantità di energia richiesta per unità. Per basse velocità di scaricoper quanto riguarda la missione delta-v, sono necessarie enormi quantità di massa di reazione. Infatti, per questo motivo, una velocità di scarico molto bassa non è efficiente dal punto di vista energetico. Ma si scopre che nessun tipo ha i punteggi più alti.
Variabile
Teoricamente, per un dato delta-v, nello spazio, tra tutti i valori di velocità di scarico fissi, ve=0,6275 è il più efficiente dal punto di vista energetico per una data massa finale. Per saperne di più, puoi visualizzare l'energia nell'apparato di propulsione della navicella spaziale.
Tuttavia, i tassi di scarico variabili possono essere ancora più efficienti dal punto di vista energetico. Ad esempio, se un razzo viene accelerato a una velocità iniziale positiva utilizzando una velocità di scarico uguale alla velocità del prodotto, non viene persa energia come componente cinetica della massa di reazione. Quando diventa stazionario.
