Spezifischer Impuls (hat gewöhnlich I abgekürzt), ist eine Weise, die Leistungsfähigkeit der Rakete und Düsenantriebe zu beschreiben. Es vertritt die Ableitung des Impulses in Bezug auf den Betrag von Treibgas verwendet, d. h., der Stoß, der durch den Betrag von pro Einheitszeit verwendetem Treibgas geteilt ist. Wenn der "Betrag" von Treibgas in Bezug auf die Masse gegeben wird (wie Kilogramme), dann hat spezifischer Impuls Einheiten der Geschwindigkeit. Wenn es in Bezug auf das Erdgewicht gegeben wird (wie kiloponds), dann hat spezifischer Impuls Einheiten der Zeit. Die Umwandlungskonstante zwischen den zwei Versionen des spezifischen Impulses ist g. Je höher der spezifische Impuls, desto tiefer der vorantreibende Durchfluss für einen gegebenen Stoß, und im Fall von einer Rakete das weniger vorantreibende verlangt hat, für ein gegebenes Delta-v pro Rakete-Gleichung von Tsiolkovsky erforderlich ist.

Die wirkliche Auspuffgeschwindigkeit ist die durchschnittliche Geschwindigkeit, dass das Auspuffstrahl wirklich das Fahrzeug verlässt. Die wirksame Auspuffgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, dass das Treibgas verbrannt pro Sekunde das Fahrzeug würde verlassen müssen, um denselben Stoß zu geben. Die zwei sind über dasselbe für eine Rakete, die in einem Vakuum arbeitet, aber sind für einen luftatmenden Düsenantrieb radikal verschieden, der Extrastoß durch die Beschleunigung von Luft erhält. Spezifischer Impuls und wirksame Auspuffgeschwindigkeit sind proportional.

Spezifischer Impuls ist ein nützlicher Wert, um Motoren zu vergleichen, viel wie Meilen pro Gallone oder Liter pro 100 Kilometer wird für Autos verwendet. Eine Antrieb-Methode mit einem höheren spezifischen Impuls ist vorantreibend-effizienter. Eine andere Zahl, die dasselbe Ding misst, das gewöhnlich für Luftatmen-Düsenantriebe verwendet ist, ist spezifischer Kraftstoffverbrauch. Spezifischer Kraftstoffverbrauch ist zum spezifischen Impuls und der wirksamen Auspuffgeschwindigkeit umgekehrt proportional.

Allgemeine Rücksichten

Treibgas wird normalerweise entweder in Einheiten der Masse oder in Gewicht gemessen. Wenn Masse verwendet wird, ist spezifischer Impuls ein Impuls pro Einheitsmasse, die dimensionale Analyse zeigt, um eine Einheit der Geschwindigkeit zu sein, und so werden spezifische Impulse häufig in Metern pro Sekunde gemessen und werden häufig wirksame Auspuffgeschwindigkeit genannt. Jedoch, wenn vorantreibendes Gewicht statt dessen verwendet wird, erweist sich ein Impuls, der durch eine Kraft (Gewicht) geteilt ist, eine Einheit der Zeit zu sein, und so werden spezifische Impulse in Sekunden gemessen. Diese zwei Formulierungen werden sowohl weit verwendet und unterscheiden sich von einander durch einen Faktor von g, die dimensionierte Konstante der Gravitationsbeschleunigung an der Oberfläche der Erde.

Bemerken Sie, dass der Gewinn des Schwungs einer Rakete (einschließlich des Brennstoffs) pro Einheitszeit dem Stoß nicht gleich ist, weil der Schwung, den der Brennstoff hat, während in der Rakete im Ausmaß abgezogen werden muss, dass es, d. h., der Gewinn des Schwungs einer Rakete pro Einheitszeit verwendet wird, dem Stoß minus die Geschwindigkeit der Rakete gleich ist, die mit dem Betrag des pro Einheitszeit verwendeten Brennstoffs multipliziert ist. (Dieser Gewinn des Schwungs der Rakete ist die Verneinung des Schwungs des Abgases.) Siehe auch Änderung des Impulses einer variablen Masse.

Je höher der spezifische Impuls, desto weniger vorantreibend erforderlich ist, um einen gegebenen Stoß während einer gegebenen Zeit zu erzeugen. In dieser Beziehung ist ein Treibgas effizienter, wenn der spezifische Impuls höher ist. Das sollte mit der Energieeffizienz nicht verwirrt sein, die sogar abnehmen kann, als spezifischer Impuls zunimmt, da Antrieb-Systeme, die hohen spezifischen Impuls geben, hohe Energie verlangen, so zu tun.

Außerdem ist es wichtig, dass stößt und spezifischer Impuls nicht, miteinander verwirrt sein. Der spezifische Impuls ist ein Maß des Impulses pro Einheit von Treibgas, das ausgegeben wird, während gestoßen ein Maß der kurzen oder durch einen besonderen Motor gelieferten Maximalkraft ist. In vielen Fällen, Antrieb-Systemen mit sehr hohen spezifischen Impulsen — reichen einige Ion-Trägerraketen 10,000 Sekunden — erzeugen niedrige Stöße.

Wenn

man spezifischen Impuls berechnet, wird nur Treibgas, das mit dem Fahrzeug vor dem Gebrauch getragen wird, aufgezählt. Für eine chemische Rakete würde die vorantreibende Masse deshalb sowohl Brennstoff als auch Oxydationsmittel einschließen; für luftatmende Motoren wird nur die Masse des Brennstoffs, nicht die Masse von Luft aufgezählt, die den Motor durchführt.

Einheiten

Bei weitem ist die allgemeinste Einheit, die für den spezifischen Impuls heute verwendet ist, zweit, und das wird beide in der SI-Welt verwendet, sowie wo englische Einheiten verwendet werden. Seine Hauptvorteile bestehen darin, dass seine Einheiten und numerischer Wert überall identisch sind, und im Wesentlichen jeder es versteht. Fast alle Hersteller setzen ihre Motorleistung in diesen Einheiten an, und es ist auch nützlich, um Flugzeugsmotorleistung anzugeben.

Die wirksame Auspuffgeschwindigkeit in Einheiten von m/s ist auch im vernünftig allgemeinen Gebrauch. Für Raketentriebwerke ist es vernünftig intuitiv, obwohl für viele Raketentriebwerke die wirksame Auspuffgeschwindigkeit von der wirklichen Auspuffgeschwindigkeit wegen, zum Beispiel, Brennstoff und Oxydationsmittel beträchtlich verschieden ist, das über Bord nach dem Antreiben turbopumps abgeladen wird. Für airbreathing Motoren ist die wirksame Auspuffgeschwindigkeit nicht physisch bedeutungsvoll, obwohl sie zum Vergleich Zwecke dennoch verwendet werden kann.

Der N · s/kg wird nicht ungewöhnlich gesehen, und ist der wirksamen Auspuffgeschwindigkeit in m/s numerisch gleich (aus dem zweiten Gesetz von Newton und der Definition des Newtons.)

Eine andere gleichwertige Einheit ist spezifischer Kraftstoffverbrauch. Das hat Einheiten von g/kN.s oder lbf/lb · h und ist zum spezifischen Impuls umgekehrt proportional. Spezifischer Kraftstoffverbrauch wird umfassend verwendet, für die Leistung von luftatmenden Düsenantrieben zu beschreiben.

Spezifischer Impuls in Sekunden

Allgemeine Definition

Für alle Fahrzeuge kann spezifischer Impuls (Impuls pro Einheitsgewicht auf der Erde von Treibgas) in Sekunden durch die folgende Gleichung definiert werden:

:

wo:

: ist der Stoß, der beim Motor, in Newton (oder poundals) erhalten ist.

: ist der spezifische in Sekunden gemessene Impuls.

: ist der Massendurchfluss in kg/s (lb/s), der die Zeitrate der Änderung der Masse des Fahrzeugs negativ ist, da Treibgas vertrieben wird.

: ist die Beschleunigung an der Oberfläche der Erde, in m/s ² (oder ft/s ²).

(Wenn man mit englischen Einheiten arbeitet, ist es herkömmlich, um beide Seiten der Gleichung durch g zu teilen, so dass die linke Seite der Gleichung Einheiten von Pfd. hat, anstatt es in poundals auszudrücken.)

Das ich im Sekunde-Wert bin etwas physisch bedeutungsvoll - wenn ein Stoß eines Motors angepasst werden konnte, um dem anfänglichen Gewicht seines Treibgases (gemessen an einem Standardernst) gleichzukommen, dann bin ich die Dauer das Treibgas, würde dauern.

Der Vorteil, den diese Formulierung hat, besteht darin, dass sie für Raketen verwendet werden kann, wohin die ganze Reaktionsmasse an Bord, sowie Flugzeuge getragen wird, wo der grösste Teil der Reaktionsmasse von der Atmosphäre genommen wird. Außerdem gibt es ein Ergebnis, das von Einheiten verwendet unabhängig ist (hat die Einheit der verwendeten Zeit zur Verfügung gestellt ist zweit).

Raketentechnik

In der Raketentechnik, wo die einzige Reaktionsmasse das Treibgas ist, wird eine gleichwertige Weise, den spezifischen Impuls in Sekunden zu berechnen, auch oft verwendet. In diesem Sinn wird spezifischer Impuls als der Stoß integriert mit der Zeit pro Einheitsgewicht auf der Erde des Treibgases definiert:

:

wo

Ich bin der spezifische Impuls, der in Sekunden gemessen ist

ist die durchschnittliche Auspuffgeschwindigkeit entlang der Achse des Motors in (ft/s oder m/s)

g ist die Beschleunigung an der Oberfläche der Erde (in ft/s oder m/s)

In Raketen, wegen atmosphärischer Effekten, ändert sich der spezifische Impuls mit der Höhe, ein Maximum in einem Vakuum erreichend.

Es ist deshalb am üblichsten, den spezifischen Impuls zu sehen, der für das Fahrzeug in einem Vakuum angesetzt ist; die niedrigeren Meeresspiegel-Werte werden gewöhnlich irgendwie (z.B 'sl') angezeigt.

Spezifischer Impuls als eine Geschwindigkeit (wirksame Auspuffgeschwindigkeit)

Wegen des geozentrischen Faktors von g in der Gleichung für den spezifischen Impuls ziehen viele es vor, den spezifischen Impuls einer Rakete (insbesondere) in Bezug auf den Stoß pro Einheitsmassenfluss von Treibgas (statt pro Einheitsgewicht-Fluss) zu definieren. Das ist ein ebenso gültiger (und in mancher Hinsicht etwas einfacher) Weise, die Wirksamkeit eines Rakete-Treibgases zu definieren. Für eine Rakete ist der spezifische Impuls definiert auf diese Weise einfach die wirksame Auspuffgeschwindigkeit hinsichtlich der Rakete, v. Die zwei Definitionen des spezifischen Impulses sind zu einander proportional, und mit einander verbunden durch:

:wo

: - ist der spezifische Impuls in Sekunden

: - ist der spezifische Impuls, der in m/s gemessen ist, der dasselbe als die wirksame in m/s gemessene Auspuffgeschwindigkeit ist (oder ft/s, wenn g in ft/s ist)

: - ist die Beschleunigung wegen des Ernstes an der Oberfläche der Erde, 9.81 m/s ² (in englischen Einheitseinheiten 32.2 ft/s ²).

Diese Gleichung ist auch für airbreathing Düsenantriebe gültig, aber wird in der Praxis selten verwendet.

(Bemerken Sie, dass verschiedene Symbole manchmal verwendet werden; zum Beispiel wird c auch manchmal für die Auspuffgeschwindigkeit gesehen. Während das Symbol für den spezifischen Impuls in Einheiten von N logisch verwendet werden könnte · s/kg, um Verwirrung zu vermeiden, ist es wünschenswert, das für den spezifischen in Sekunden gemessenen Impuls vorzubestellen.)

Es ist mit dem Stoß oder Vorwärtskraft auf der Rakete durch die Gleichung verbunden:

:wo

: ist der vorantreibende Massendurchfluss, der die Rate der Abnahme der Masse des Fahrzeugs ist

Eine Rakete muss seinen ganzen Brennstoff damit tragen, so muss die Masse des unverbrannten Brennstoffs zusammen mit der Rakete selbst beschleunigt werden. Die Minderung der Masse des Brennstoffs, der erforderlich ist, einen gegebenen Stoß zu erreichen, ist für das Gebäude wirksamer Raketen entscheidend. Die Rakete-Gleichung von Tsiolkovsky zeigt, dass für eine Rakete mit einer gegebenen leeren Masse und einem gegebenen Betrag des Brennstoffs die Gesamtänderung in der Geschwindigkeit, die es vollbringen kann, zur wirksamen Auspuffgeschwindigkeit proportional ist.

Ein Raumfahrzeug ohne Antrieb folgt einer durch das Schwerefeld bestimmten Bahn. Abweichungen vom entsprechenden Geschwindigkeitsmuster (werden diese Δv genannt), werden durch das Senden der Auspuffmasse in der Richtung gegenüber dieser der gewünschten Geschwindigkeitsänderung erreicht.

Wirkliche Auspuffgeschwindigkeit gegen die wirksame Auspuffgeschwindigkeit

Bemerken Sie, dass wirksame und wirkliche Auspuffgeschwindigkeitsauspuffgeschwindigkeit zum Beispiel bedeutsam verschieden sein kann, wenn eine Rakete innerhalb der Atmosphäre geführt wird, verursacht der atmosphärische Druck außerhalb des Motors eine Verzögern-Kraft, die den spezifischen Impuls reduziert und die wirksame Auspuffgeschwindigkeit hinuntergeht, wohingegen die wirkliche Auspuffgeschwindigkeit größtenteils ungekünstelt ist. Außerdem manchmal haben Raketentriebwerke eine getrennte Schnauze für das turbopump Turbinenbenzin, und dann das Rechnen der wirksamen Auspuffgeschwindigkeit verlangt Mittelwertbildung der zwei Massenflüsse sowie Erklärung jedes atmosphärischen Drucks.

Für airbreathing Düsenantriebe, besonders, sind turbofans, die wirkliche Auspuffgeschwindigkeit und die wirksame Auspuffgeschwindigkeit durch Größenordnungen verschieden. Das ist, weil ziemlich viel zusätzlicher Schwung durch das Verwenden von Luft als Reaktionsmasse erhalten wird. Das berücksichtigt ein besseres Match zwischen der Eigengeschwindigkeit und der Auspuffgeschwindigkeit, die Energie/Treibgas spart und enorm die wirksame Auspuffgeschwindigkeit vergrößert, während sie die wirkliche Auspuffgeschwindigkeit reduziert.

Energieeffizienz

Raketen

Für Raketen und einer Rakete ähnliche Motoren wie Ion-Laufwerke bezieht ein höherer niedrigere Energieeffizienz ein: Die Macht musste laufen der Motor ist einfach:

:

wo V die wirkliche Strahlgeschwindigkeit ist.

wohingegen von Schwung-Rücksichten der erzeugte Stoß ist:

:Wenn wir

die Macht durch den Stoß teilen, um die spezifischen Macht-Voraussetzungen zu erhalten, kommen wir:

:

Folglich ist die erforderliche Macht zur Auspuffgeschwindigkeit mit höheren Geschwindigkeiten proportional, die höhere Macht für denselben Stoß brauchen, weniger Energieeffizienz pro Einheitsstoß verursachend.

Jedoch hängt die Gesamtenergie für eine Mission von vorantreibendem Gesamtgebrauch ab, sowie wie viel Energie pro Einheit von Treibgas erforderlich ist. Für die niedrige Auspuffgeschwindigkeit in Bezug auf das Missionsdelta-v sind enorme Beträge der Reaktionsmasse erforderlich. Tatsächlich ist eine sehr niedrige Auspuffgeschwindigkeit nicht Energie effizient überhaupt aus diesem Grund; aber es stellt sich heraus, dass keiner sehr hohe Auspuffgeschwindigkeiten ist.

Theoretisch, für ein gegebenes Delta-v, im Raum, unter allen festen Werten für die Auspuffgeschwindigkeit ist der Wert der grösste Teil der für eine angegebene (feste) Endmasse effizienten Energie, sieh Rakete-Gleichung von Tsiolkovsky.

Jedoch kann eine variable Auspuffgeschwindigkeit mehr Energie effizient noch sein. Zum Beispiel, wenn eine Rakete von etwas positiver anfänglicher Geschwindigkeit mit einer der Geschwindigkeit der Rakete gleichen Auspuffgeschwindigkeit beschleunigt wird, wird keine Energie als kinetische Energie der Reaktionsmasse verloren, da es stationär wird. (Theoretisch, durch das Bilden dieser anfänglichen Geschwindigkeit niedrig und das Verwenden einer anderen Methode, diese kleine Geschwindigkeit zu erhalten, nähert sich die Energieeffizienz 100 %, aber verlangt eine große anfängliche Masse.) In diesem Fall behält die Rakete denselben Schwung, so ist seine Geschwindigkeit zu seiner restlichen Masse umgekehrt proportional. Während solch eines Flugs ist die kinetische Energie der Rakete zu seiner Geschwindigkeit proportional und, entsprechend zu seiner restlichen Masse, umgekehrt proportional. Die pro Einheitsbeschleunigung erforderliche Macht ist während des Flugs unveränderlich; die pro Einheitszeit zu vertreibende Reaktionsmasse, um eine gegebene Beschleunigung zu erzeugen, ist zum Quadrat der restlichen Masse der Rakete proportional.

Auch es ist vorteilhaft, Reaktionsmasse an einer Position zu vertreiben, wo das Ernst-Potenzial niedrig ist, sieh Wirkung von Oberth.

Luftatmen

Luftatmende Motoren wie Turbojets vergrößern den von ihrem Treibgas erzeugten Schwung durch das Verwenden davon, um die Beschleunigung von träger Luft nach hinten anzutreiben. Es stellt sich heraus, dass der Betrag der Energie einen besonderen Betrag des Stoßes erzeugen musste, ist im Wert von Luft angetrieben nach hinten umgekehrt proportional, so die Masse von Luft (als mit einem turbofan) vergrößernd, verbessern beide Energieeffizienz sowie.

Beispiele

:For eine mehr ganze Liste sehen: Raumfahrzeug propulsion#Table Methoden

Ein Beispiel eines spezifischen Impulses gemessen ist rechtzeitig 453 Sekunden, der zu einer wirksamen Auspuffgeschwindigkeit von 4,440 m/s, für Raumfähre Hauptmotoren gleichwertig ist, wenn er in einem Vakuum funktioniert. Ein luftatmender Düsenantrieb hat normalerweise einen viel größeren spezifischen Impuls als eine Rakete; zum Beispiel kann ein turbofan Düsenantrieb einen spezifischen Impuls von 6,000 Sekunden oder mehr auf Meereshöhe haben, wohingegen eine Rakete ungefähr 200-400 Sekunden sein würde.

Ein luftatmender Motor ist so viel mehr Treibgas, das effizient ist als ein Raketentriebwerk, weil die wirkliche Auspuffgeschwindigkeit viel niedriger ist, stellt die Luft ein Oxydationsmittel zur Verfügung, und Luft wird als Reaktionsmasse verwendet. Da die physische Auspuffgeschwindigkeit niedriger ist, ist die kinetische Energie, die das Auslassventil wegträgt, niedriger, und so verwendet der Düsenantrieb viel weniger Energie, Stoß (mit Unterschallgeschwindigkeiten) zu erzeugen. Während die wirkliche Auspuffgeschwindigkeit für luftatmende Motoren niedriger ist, ist die wirksame Auspuffgeschwindigkeit für Düsenantriebe sehr hoch. Das ist, weil die wirksame Auspuffgeschwindigkeitsberechnung im Wesentlichen annimmt, dass das Treibgas den ganzen Stoß zur Verfügung stellt, und folglich für luftatmende Motoren nicht physisch bedeutungsvoll ist; dennoch ist es zum Vergleich mit anderen Typen von Motoren nützlich.

Der höchste spezifische Impuls für ein chemisches in einem Raketentriebwerk jemals testangezündetes Treibgas war 542 Sekunden (5,320 m/s) mit einem tripropellant von Lithium, Fluor und Wasserstoff. Jedoch ist diese Kombination unpraktisch; sieh Rakete-Brennstoff.

Kernthermalraketentriebwerke unterscheiden sich von herkömmlichen Raketentriebwerken in diesem Stoß wird ausschließlich durch thermodynamische Phänomene ohne chemische Reaktion geschaffen. Die Kernrakete funktioniert normalerweise durch vorübergehendes Wasserstoffbenzin durch einen überhitzten Kernkern. Die Prüfung hat in den 1960er Jahren spezifische Impulse von ungefähr 850 Sekunden (8,340 m/s), ungefähr zweimal mehr als das der Raumfähre-Motoren nachgegeben.

Eine Vielfalt anderer Nichtraketenantrieb-Methoden, wie Ion-Trägerraketen, gibt viel höheren spezifischen Impuls, aber mit dem viel niedrigeren Stoß; zum Beispiel hat die Saal-Wirkungsträgerrakete auf dem KLUGEN 1 Satelliten einen spezifischen Impuls von 1,640 s (16,100 m/s), aber ein maximaler Stoß von nur 68 millinewtons. Der hypothetische Variable spezifische Impuls magnetoplasma Rakete (VASIMR) würde Antrieb ein Minimum von 10,000300,000 m/s theoretisch nachgeben, aber würde wahrscheinlich verlangen, dass sehr viel schwere Maschinerie sogar relativ weitschweifigen plasmas beschränkt, und würde so für hoch gestoßene Anwendungen wie Start von planetarischen Oberflächen unbrauchbar sein.

Größere Raketentriebwerke

Hier sind einige Beispiel-Zahlen für größere Raketentriebwerke:

Musterraketentechnik

Spezifischer Impuls wird auch verwendet, um Leistung in Musterrakete-Motoren zu messen. Folgender ist einige von den geforderten Werten von Estes für spezifische Impulse für mehrere ihrer Rakete-Motoren: Estes Industrien sind ein großer, wohl bekannter amerikanischer Verkäufer von Musterrakete-Bestandteilen. Der spezifische Impuls für Musterrakete-Motoren ist viel niedriger als für viele andere Rakete-Motoren, weil der Hersteller schwarzes Puder-Treibgas verwendet. Die Brandwunde-Rate von Musterrakete-Motoren wird auch dicht kontrolliert.

Siehe auch

• Düsenantrieb
• Impuls
• Rakete-Gleichung von Tsiolkovsky
• Systemspezifischer Impuls
• Spezifische Energie
• Stoßen Sie spezifischen Kraftstoffverbrauch - der Kraftstoffverbrauch pro Einheit hat gestoßen
• Spezifischer Stoß-Stoß pro Einheit von Luft für einen Kanal-Motor
• Heizung des Werts
• Energiedichte
• Delta-v (Physik)

Links

• RPA - Designwerkzeug für die flüssige Raketentriebwerk-Analyse
• Liste von Spezifischen Impulsen von verschiedenen Rakete-Brennstoffen