Kas yra savitasis impulsas (Isp)? Apibrėžimas ir reikšmė raketoms

Savitasis impulsas (dažnai sutrumpintai vadinamas I_sp) – tai fizikinis dydis, naudojamas apibūdinti, kiek efektyviai raketos arba reaktyvinis variklis vartoja degalus. Paprastai sakant, tai „kiekis jėgos“ arba „kiek greičio“ variklis gali duoti už vienetą sunaudoto degalų. Ši reikšmė leidžia lyginti skirtingo dydžio ir konstrukcijos variklius, nes ji normalizuoja trauką pagal degalų srautą.

Formalus apibrėžimas ir formulė

I_sp dažniausiai aprašomas dviem lygiaverčiais būdais:

• sekundėmis (s): I_sp = T / (ṁ · g₀), kur T – trauka (N), ṁ – masės srautas (kg/s), o g₀ ≈ 9,80665 m/s² – standartinis Žemės sunkio pagreitis;
• efektyviu išmetamųjų dujų greičiu (m/s): Vₑ = I_sp · g₀. Kartais vietoje I_sp pateikiamas tiesiog Vₑ (efektyvusis išmetimo greitis).

Ką reiškia didesnis arba mažesnis I_sp?

Didelis I_sp reiškia, kad variklis efektyviau naudoja degalus: už tą patį masės srautą jis suteikia daugiau impulso (arba efektyviai didesnį išmetamo dujų greitį). Tai nereiškia automatiškai didesnės pradinės traukos — kai kurie variklių tipai (pvz., joniniai) turi labai didelį I_sp, bet jų trauka yra maža, todėl jie lėtai, bet ilgai spartina laivą.

Praktiniai pavyzdžiai ir tipinės reikšmės

• Skystųjų degalų raketų varikliai (kriogeniniai, H₂/LOX): ~350–460 s (vakume);
• Hibridiniai ir kietieji raketų varikliai: ~200–300 s;
• Hidrazininiai įpurškimo varikliai: ~300–330 s;
• Joniniai ir elektrostatiniai varikliai: nuo kelių tūkstančių iki dešimčių tūkstančių sekundžių (I_sp labai didelis, bet trauka maža).

Kaip I_sp įtakoja misijų planavimą

Tsiolkovo raketos lygtis rodo, kaip I_sp susijęs su pasiekiamu delta-v (Δv) ir reikalingu degalų kiekiu:

Δv = Vₑ · ln(m₀ / m_f) = I_sp · g₀ · ln(m₀ / m_f),

kur m₀ – pradinė masė (su degalais), m_f – galutinė masė (be degalų). Iš lygties matyti, kad didesnis I_sp sumažina reikalingą degalų kiekį tam pačiam Δv arba leidžia pasiekti didesnį Δv su tuo pačiu degalų kiekiu.

Skaičiavimo pavyzdys

Jeigu variklio I_sp = 450 s, tai efektyvusis išmetimo greitis Vₑ ≈ 450 · 9,80665 ≈ 4 413 m/s. Jei reikalingas Δv = 9 400 m/s, tuomet m₀/m_f = exp(Δv / Vₑ) ≈ exp(9 400 / 4 413) ≈ exp(2,13) ≈ 8,4. Tai reiškia, kad pradinė masė turi būti maždaug 8,4 karto didesnė už galutinę masę – didžiąją dalį sudarys degalai.

Vacuum vs. sea-level ir kiti niuansai

• Aukštis: daugelio variklių I_sp skiriasi vakume ir prie jūros lygio dėl slėgio skirtumų ir purkštuko projektavimo. Vacuum Isp paprastai būna didesnis.
• Trauka vs. efektyvumas: aukštas I_sp ne visada reiškia didelę trauką. Renkantis variklį misijai reikia derinti Isp, trauką, masę ir galimą energijos šaltinį.
• Energetiniai apribojimai: varikliams, kurie pasiekia labai didelį Isp (pvz., elektriniams arba branduoliniams koncepcijoms), dažnai reikia daug energijos arba sudėtingos technikos, kas didina sistemų sudėtingumą ir masę.

Santrauka

I_sp yra pagrindinis rodiklis, leidžiantis palyginti skirtingus variklius pagal degalų panaudojimo efektyvumą. Jis matuojamas sekundėmis (arba kaip efektyvusis išmetimo greitis m/s) ir tiesiogiai susijęs su raketos gebėjimu suteikti Δv bei reikalingu degalų kiekiu. Renkantis variklį misijai, svarbu vertinti ne tik I_sp, bet ir trauką, variklio masę, energijos poreikius ir operacines sąlygas (pvz., darbas vakume ar prie jūros lygio).

Pastaba: šiame tekste išsaugoti originalūs raketa. ir reaktyvinis variklis. nuorodų žymėjimai taip, kaip buvo pateikti pradinių šaltinių tekste.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra specifinis impulsas?

K: Kaip matuojamas savitasis impulsas?

K: Ką reiškia didelis savitasis impulsas?

K: Kaip galime naudoti savitąjį impulsą varikliams palyginti?

K: Ar didesnis savitasis impulsas reiškia, kad variklis yra "galingesnis"?

K: Kaip dvi raketos su skirtingais varikliais, bet tuo pačiu degalų kiekiu lenktyniauja tarpusavyje?

Paieška pagal raidę