в чем измеряется удельный импульс ракетного двигателя

Путь в космос или удельный импульс.	9 ноя, 2011 @ 09:54

Всем, наверное, известно, что космос в основном состоит из вакуума. И в этом вакууме практически нет ничего, от чего можно было бы оттолкнуться, как мы отталкиваемся от пола чтобы идти. А раз так, то чтобы менять своё движение нужным нам образом, нам нужно что-то из себя выбрасывать. Ну и, наконец, всем известно, что транспорт, умеющий так делать, называется ракетой.
Ракеты придумали очень и очень давно, более полутора тысяч лет назад. Но серьёзно теоретически разобраться в теории реактивного движения смогли только к самому концу XIX века. В частности именно тогда великий русский учёный Константин Эдуардович Циолковский вывел свою знаменитую формулу:

Разумеется, здесь не учитывается гравитация. Она сильно тормозит ракету при удалении от Земли или от Солнца, зато разгоняет ракету при приближении к Земле и Солнцу, а также при пролёте мимо планет по определённым траекториям (пролёт по другим траекториям может затормозить). В результате после выключения двигателей ракет-носителей их скорость меньше той, что можно рассчитать по этой формуле, но максимальная скрость, когда-либо достигнутая космическим аппаратом, в несколько раз превосходит ту, которую ему может сообщить современная ракета. Но сейчас это для нас не имеет значения.

Так что, дорогие читатели, освоение Солнечной системы уже ближе, чем на горизонте 🙂

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

Вам будет интересно: Бразилия: штаты и города

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.

Именно это правило является основным в современном мире, широко используется с коэффициентом г0 (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

Вам будет интересно: Взаимовыгодные отношения: описание, виды, принципы

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:

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:

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.

Вам будет интересно: Клячку любят творческие люди. Что такое клячка?

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.

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

Жестокость формулы Циолковского

Жестокими законы окружающей нас природы можно назвать только в переносном смысле. Мы создали машины, способные освободить нас от уз, удерживающих в гравитационном колодце всё человечество, но управление некоторыми из их аспектов остаётся вне наших сил. Если мы хотим начать наше путешествие по Солнечной системе, то эти ограничения придётся как-то обходить.

Современные ракеты отбрасывают часть собственной массы в виде газа из сопел двигателей, что даёт им возможность двигаться в противоположном направлении. Это реально благодаря третьему закону Ньютона, который был сформулирован в 1687 году. Всему нашему ракетному движению мы обязаны формуле Циолковского 1903 года.

В формуле всего четыре переменных (слева направо): конечная скорость летательного аппарата, удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива), начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка, конструкция и топливо) и его конечная масса (полезная нагрузка и конструкция).

Как можно изменить одну из переменных, если три другие уже заданы? Это просто невозможно, никакая форма желания, хотения или просьб здесь не поможет.

Именно потери на гравитацию определяют пределы человеческого исследования космоса, и мы вынуждены их учитывать, когда мы выбираем место, куда мы хотим отправиться. Сегодня таких мест не так уж и много. С земной поверхности мы можем оказаться на орбите Земли, с орбиты Земли можно отправиться на поверхность Луны, или на поверхность Марса, или в пространство между Луной и Землёй. Возможны различные комбинации, но с текущим развитием технологий это самые вероятные точки назначения.

Представленные ниже значения не учитывают никакие потери на, к примеру, сопротивление атмосферы, но значения достаточно близки для иллюстрации того, что нужно принять как должное. Это в некотором роде стоимость полёта.

Как можно заметить, путь от Земли на орбиту, эти жалкие 400 километров — это самая затратная часть полёта. Это целая половина «стоимости» полёта на Марс, даже до Луны добраться «стоит» меньше. Всё это связано с гравитационным притяжением нашего космического дома.

А лететь нам придётся на ракете с химическими двигателями; пусть и есть перспективные разработки, но реальными остаются традиционные, используемые уже на протяжении более 60 лет в пилотируемой космонавтике двигатели. Химическое топливо накладывает ограничение на количество энергии, которое можно из них извлечь, а значит и вложить в ракету, и мы используем самые эффективные реакции, известные человечеству. И вновь нам придётся смириться с некоторым значением переменной, которое мы не в силах изменить.

Итак, единственное, что мы теперь можем изменить в формуле Циолковского — это отношение масс летательного аппарата. Ракета должна быть построена таким образом, чтобы это отношение имело какое-то заданное значение, иначе она просто не достигнет своей цели. Что-то можно сделать, если добавить несколько гениальных решений в конструкцию, но в целом это мало повлияет на результат — химию топлива и гравитацию небесных тел не изменить.

Итак, что имеем? Вот процентное соотношение топлива от общей массы ракеты, необходимое для попадания ракеты на орбиту Земли.

Полученные цифры не учитывают разнообразные потери сопротивления атмосферы, неполного сгорания и других отрицательных факторов, поэтому реальное отношение чуть ближе к 100%. Прекрасные инженерные решения типа разделения на ступени, нескольких видов топлива (например, керосин или твёрдое топливо для первой ступени, водород для остальных) очень помогают в ситуации, когда лишь порядка 10% от массы аппарата остаётся на собственно ракету. Масса полезной нагрузки иногда и в буквальном смысле идёт на вес золота.

Характеристики реальных ракет не сильно отличаются от этих идеальных, полученных без учёта множества факторов значений. Самая большая в истории человечества ракета «Сатурн-5» на стартовом столе имела топлива 85% от всей своей массы. У неё было три ступени: первая работала на керосине и кислороде, вторая и третья — на водороде и кислороде. Такой же показатель у «Шаттлов». «Союз» использует керосин на всех своих ступенях, поэтому масса его топлива составляет 91% от общей массы ракеты. Использование пары водород-кислород сопряжено с большим количеством технических трудностей, но эта комбинация более эффективна; керосин в паре с кислородом предоставляет возможность использовать более простые и надёжные решения.

15% массы ракеты — это куда меньше, чем кажется. У ракеты должны быть баки, трубы, ведущие к двигателям, корпус, который должен быть в состоянии выдерживать как сверхзвуковой полёт в атмосфере после нечеловеческого жара стартовой площадки, так и холод безвоздушного пространства. Ракету нужно вести, управлять ей с помощью сверхзвуковых рулей и маневровых двигателей. Хрупкие тела людей в космическом корабле нужно обеспечивать кислородом, а также удалять углекислоту, их нужно защитить от жара и холода, дать им возможность безопасно вернуться на поверхность родной планеты. Наконец, люди — не единственная нагрузка ракеты: мы не запускаем людей просто для развлечения, вернее, мы можем запустить человека ради самого факта, но лишь один раз. С людьми в космос летит и разнообразное оборудование для проведения экспериментов, поскольку полёты в космос имеют целью научные исследования.

Реальная масса полезной нагрузки ракет куда меньше этих 10%—15%. «Сатурн-5», единственная ракета, которая помогла человеку ступить на Луну, доставляла на орбиту Земли всего 4% от своей общей массы, всего же на орбиту доставлялось 120 тонн. «Шаттлы» могли доставлять примерно столько же (100 тонн), но реальная полезная нагрузка составляла порядка 20 тонн, 1% от общей массы.

Сравним ракеты с привычными нам транспортными средствами. (Конечно, ракета имеет баки с окислителями, а земной транспорт использует для этого кислород воздуха.)

Легко заметить, как отличаются материалы и конструкция транспортного средства в зависимости от относительной массы топлива. Транспорт с топливом массой менее 10% от его общей массы обычно делается из стали, а над его конструкцией нет нужды особо думать: прикрепи эту часть к той и усиль корпус, где требует интуиция. Десятитонный грузовик можно сильно перегрузить, но он будет продолжать двигаться, пусть и медленно.

Воздушный транспорт требует уже более серьёзного подхода и лёгких конструкций из алюминия, магния, титана, композитных материалов. Тут уже просто так ничего не поменяешь, а над любой мелкой деталью нужно подумать дважды. Машины подобного рода не могут работать так далеко за пределами своих лимитов нагрузок. 60%—70% от массы этих аппаратов составляет собственно вес транспортного средства с полезной нагрузкой, и с применением некоторых инженерных решений возможна комфортная, безопасная и выгодная эксплуатация.

Дон Петтит описывает детали экспедиции STS-126 ноября 2008 года. Двигатели челнока должны были отключиться при достижении скорости 7824 м/с, но если бы это произошло на уровне 7806 м/с, то космический аппарат стал бы спутником Земли, но не попал бы на целевую орбиту. Говоря проще, «Индевор» не достиг бы МКС. Большая ли это разница? Это примерно аналогично ситуации, когда нужно заплатить 10 долларов, и для этого не хватает всего лишь двух центов (0,2%). Хорошо, в этом случае можно было бы использовать часть топлива для орбитальных манёвров. Если бы скорость была всего на 3% ниже, то не хватило бы и этих запасов, и челнок пришлось бы сажать где-то в Испании. Эти 3% можно было потерять, если маршевый двигатель отключился бы всего на 8 секунд раньше.

Представим наилучшее стечение обстоятельств: бак для Шаттла (массу двигателей мы отбросим) и водород-кислородное топливо. Если подставить значения в формулу Циолковского, то станет ясным, что при радиусе нашей планеты в полтора раза больше его нынешнего мы никогда бы не достигли космоса только за счёт технологии химических ракетных двигателей.

И всё это — последствия формулы Циолковского. Если мы хотим избавиться от её жестокого господства, нам придётся создать работающие версии принципиально новых двигателей. Возможно, тогда ракеты станут такими же безопасными, привычными и надёжными, как и реактивные пассажирские самолёты.

Источник

• ← все отдала и ни о чем не жалею песня
• к чему снится собирать черешню вишню →