Удельный импульс: различия между версиями

3285 байт добавлено ,  1 год назад
дополнение, уточнение, оформление
(Спасено источников — 1, отмечено мёртвыми — 0. Сообщить об ошибке. См. FAQ.) #IABot (v2.0)
(дополнение, уточнение, оформление)
{{о|характеристике реактивных двигателей|понятии из взрывотехники|Импульс взрыва}}
'''Уде́льный и́мпульс''', ''удельный импульс тяги''<ref>[http://docs.cntd.ru/document/gost-17655-89 ГОСТ 17655-89. Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения]</ref> — показатель эффективности [[Реактивный двигатель|реактивного двигателя]] или ракетного топлива (топливной пары, рабочего тела). Иногда для реактивных двигателей используется синоним «[[удельная тяга]]» (термин имеет и другие значения), при этом ''удельная тяга'' применяется обычно во внутренней [[баллистика|баллистике]], в то время как ''удельный импульс'' — во внешней баллистике. Размерность удельного импульса, если известна масса (в кг), есть размерность скорости, в [[Система СИ|системе единиц СИ]] это метр в секунду. Если же вместо массы известен вес (в Ньютонах[[ньютон (единица)|ньютонах]]) то размерностью удельного импульса является секунда. Удельный импульс топлива, выраженный в секундах, имеет физический смысл максимального времени, в течение которого данное топливо в невесомости может придавать постоянное ускорение в {{nobr|1 [[ускорение свободного падения|«же»]]}} постоянной массе, равной начальной массе топлива, в предположении идеального теоретически возможного двигателя.
 
== Определения ==
'''Уде́льный и́мпульс''' — характеристика [[Реактивный двигатель|реактивного двигателя]], равная отношению создаваемого им [[импульс]]а (количества движения) к расходу топлива (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 также '''эффективной (или эквивалентной) скоростью истечения''' продуктов сгорания.
 
'''Уде́льная тя́га''' — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемой им [[Реактивная тяга|тяги]] к массовому расходу топлива. Измеряется в метрах в секунду (м/с = Н·с/кг = кгс·с/[[МКГСС|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 [[МКГСС|т.е.м.]] топлива). При другом толковании удельная тяга равна отношению тяги к ''[[вес]]овому'' расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс) — это значение можно рассматривать как время, в течение которого двигатель может развивать тягу в 1 кгc, используя массу топлива в 1 кг (то есть весом 1 кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на [[ускорение свободного падения]] (принимаемое равным 9,80665 м/с²<ref>Теория ракетных двигателей. name=ale89>{{книга|автор=Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П.|часть=|заглавие=Теория 4ракетных двигателей|оригинал= |ссылка=https://books.google.com/books?id=Xd_7AgAAQBAJ|издание=3-е изд|ответственный=Под ред. 1989акад. сВ. 21П. Глушко|место=М|издательство=Машиностроение|год=1980|том=|страницы=16—23|страниц=|isbn=|тираж=}}</ref>)<ref group="комм.">
На языке формул это можно записать следующим образом. Тягу двигателя {{math|''F''}} можно выразить так:
: <math>F = v_\text{eff} \cdot \dot m,</math>,
где <math>v_\text{eff}</math> — эффективная скорость истечения реактивной струи (м/с), <math>\dot m = dm/dt</math> — скорость расхода массы топлива (кг/с). Таким образом, удельная тяга, как отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива определяется как
и измеряется в м/c. Если брать отношение тяги к весовому расходу топлива, то
: <math>I_g = \frac{F}{g \dot m} = \frac{v_\text{eff}}{g}</math>,
где {{math|''g''}} — [[ускорение свободного падения]]. Величина <math>g \dot m</math> измеряется в величинах 9,81 кг·м/(с·с²) = кгс/с. Таким образом, если тяга выражена в [[килограмм-сила]]х, удельная тяга получается в секундах.</ref>.
 
Формула приближённого расчёта удельного импульса (эффективной скорости истечения) для реактивных двигателей на химическом топливе выглядит так:
 
: <math>I_y = \sqrt{1664116\,641 \cdot \frac{T_\text{k}}{u M} \cdot \left(1 - \frac{p_\text{a}}{p_\text{k}} M \right) },</math>
 
где {{math|''T''<sub>k</sub>}} — температура газа в камере сгорания (разложения); {{math|''p''<sub>k</sub>}} — давление газа в камере сгорания; {{math|''p''<sub>a</sub>}} — давление газа на выходе из сопла; {{math|''М''}} — [[молекулярная масса]] газа в камере сгорания; {{math|''u''}} — коэффициент, характеризующий теплофизические свойства газа в камере (обычно {{nobr|{{math|''u''}} ≈ 15}}). Как видно из формулы в первом приближении, чем выше температура газа, чем меньше его молекулярная масса, чем выше давление в камере сгорания и чем ниже давление в окружающем пространстве, тем выше удельный импульс<ref>Более точную формулу можно посмотреть здесь [http://balancer.ru/2000/11/12/post-99235.html Ы-формула] / Форумы Авиабазы " Космический " О движках вообще, #12.11.2000.</ref>.
 
Удельный импульс двигателя имеет разные значения в вакууме и в среде (в частности, в воздухе). Он всегда меньше в среде, чем в пустоте. Удельный импульс при давлении невозмущённой окружающей среды {{math|''p''}} равен<ref name=ale89/>
 
: <math>I_y(p) = \frac{F}{\dot m} = v_\text{eff} = v_a + (p_a - p) S/\dot m ,</math>
 
где {{math|''F''}} — тяга двигателя;
: <math> \dot m = dm/dt</math> — массовый расход топлива,
: <math> v_\text{eff}</math> — эффективная скорость истечения,
: <math> v_a</math> — действительная скорость истечения на выходном сечении сопла,
: <math> p_a</math> — давление на выходном сечении сопла,
: <math> S</math> — площадь выходного сечения сопла<ref name=ale89/>.
 
Иногда рассматривают также '''объёмный удельный импульс''' <math>I_{yV} = F/\dot V,</math> определяемый не по массовому, а по объёмному расходу топлива <math> \dot V = dV/dt.</math> Очевидно, что объёмный удельный импульс связан с массовым удельным импульсом следующим соотношением:
: <math>I_{yV} = I_y \rho,</math>
где <math> \rho</math> — плотность топлива<ref name=ale89/>.
 
== 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, [[ионный двигатель|ионные двигатели]] имеют очень небольшую тягу, но благодаря высокому удельному импульсу находят применение в качестве маневровых двигателей в космической технике.
 
Для [[воздушно-реактивный двигатель|воздушно-реактивных двигателей]] (ВРД) величина удельного импульса на порядок выше, чем у химических [[ракетный двигатель|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.
 
ПриведенноеПриведённое значение удельного импульса для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) соответствует показателям эффективности современных [[LOX|кислородно]]-[[LH2|водородных]] ЖРД в вакууме. Наибольшее значение, когда-либо продемонстрированное на практике, было получено с использованием трехкомпонентнойтрёхкомпонентной схемы [[литий]]/[[водород]]/[[фтор]] и составляет 542 секунды (5 3205320 м/с), но ей не было найдено практического применения по причине технологических трудностей<ref>ARBIT, H. A., CLAPP, S. D., DICKERSON, R. A., NAGAI, C. K., [https://web.archive.org/web/20070516151721/http://www.aiaa.org/content.cfm?pageid=406&gTable=mtgpaper&gID=40999 Combustion characteristics of the fluorine-lithium/hydrogen tripropellant combination.] AMERICAN INST OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS, PROPULSION JOINT SPECIALIST CONFERENCE, 4TH, CLEVELAND, OHIO, Jun 10-14, 1968.{{ref-en}}</ref><ref>[http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19680007319_1968007319.pdf Lithium-fluorine-hydrogen tripropellant study], ''ARBIT, H. A., et al., [[Рокетдайн]], [[НАСА]]'', 1968{{ref-en}}</ref>.
 
{| class="standard"
|-
! [[Твердотопливный ракетный двигатель]]
|align=right|2 6502650 ||align=right|270
|-
! [[Жидкостный ракетный двигатель]]
|align=right|4 6004600 ||align=right|470
|-
! [[Электрический ракетный двигатель]]
|-
! [[Ионный двигатель]]
|align=right|30 000 ||align=right|3 0003000
|-
! [[Плазменный ракетный двигатель|Плазменный двигатель]]
== Ссылки ==
* Tom Benson, [https://web.archive.org/web/20140811113512/http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/specimp.html Specific Impulse] / The Beginner’s Guide to Aeronautics // Glenn Research Center, NASA{{ref-en}}
* ''Spakovszky Z. S. Spakovszky,'' [http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node102.html 14.1 Thrust and Specific Impulse for Rockets] / 16.Unified: Thermodynamics and Propulsion // MIT, 2006{{ref-en}}
* [http://docs.cntd.ru/document/gost-17655-89 ГОСТ 17655-89. Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения].
 
 
{{Нет иллюстрации}}<!-- перевод File:Specific-impulse-kk-20090105.png ? -->