Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Удельный импульс

Удельный импульс

Уде́льный и́мпульс или уде́льная тя́га (англ. specific impulse ) — показатель эффективности ракетного двигателя. Иногда оба термина используются как синонимы, имея в виду, что это, фактически, одна и та же характеристика. Удельная тяга применяется обычно во внутренней баллистике, в то время как удельный импульс — во внешней баллистике. Размерность удельного импульса есть размерность скорости, в системе единиц СИ это метр в секунду.

Содержание

Определения

Уде́льный и́мпульс — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу (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 так же эффективной (или эквивалентной) скоростью истечения.

Уде́льная тя́га — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемой им тяги к массовому расходу топлива. Измеряется в метрах в секунду (м/с = Н·с/кг = кгс·с/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 т.е.м. топлива). При другом толковании удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (примерно равное 9,81 м/с²). [1]

Формула приближенного расчета удельного импульса (скорости истечения) для реактивных двигателей на химическом топливе выглядит, как:

где Tk — температура газа в камере сгорания (разложения); pk и pa — давление газа соответственно в камере сгорания и на выходе из сопла; y — молекулярный вес газа в камере сгорания; u — коэффициент, характеризующий теплофизические свойства газа в камере (обычно u ≈ 15 ). Как видно из формулы в первом приближении, чем выше температура газа, чем меньше его молекулярная масса и чем выше соотношение давлений в камере РД к окружающему пространству, тем выше удельный импульс [2] .

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, ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, но благодаря высокому удельному импульсу находят применение в качестве маневровых двигателей в космической технике.

Для воздушно-реактивных двигателей величина удельного импульса на порядок выше, чем у химических 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.

Приведенное значение удельного импульса для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) соответствует показателям эффективности современных кислородно-водородных ЖРД в вакууме. Наибольшее значение, когда-либо продемонстрированное на практике, было получено с использованием трехкомпонентной схемы литий/водород/фтор и составляет 542 секунды (5 320 м/сек), но ей не было найдено практического применения по причине технологических трудностей [3] [4] .

Удельный импульс

Уде́льный и́мпульс, удельный импульс тяги [1] — показатель эффективности 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 баллистике, в то время как удельный импульс — во внешней баллистике. Размерность удельного импульса, если известна масса (в кг), есть размерность скорости, в системе единиц СИ это метр в секунду. Если же вместо массы известен вес (в 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 1 «g» постоянной массе, равной начальной массе топлива, в предположении идеального теоретически возможного двигателя.

Содержание

  • 1 Определения
  • 2 Сравнение эффективности разных типов двигателей
  • 3 См. также
  • 4 Примечания
  • 5 Ссылки

Определения [ править | править код ]

Уде́льный и́мпульс — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемого им импульса (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 тяги к массовому расходу топлива. Измеряется в метрах в секунду (м/с = Н·с/кг = кгс·с/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 т.е.м. топлива). При другом толковании удельная тяга равна отношению тяги к весовому 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 [2] ) [комм. 1] .

Читать еще:  Что такое подушка двигателя рено логан

Формула приближённого расчёта удельного импульса (эффективной скорости истечения) для реактивных двигателей на химическом топливе выглядит так:

I y = 16 641 ⋅ T k u M ⋅ ( 1 − p a p k M ) , =>>>cdot left(1->>>>Mright)>>,>

где Tk — температура газа в камере сгорания (разложения); pk — давление газа в камере сгорания; pa — давление газа на выходе из сопла; М — молекулярная масса газа в камере сгорания (средняя молекулярная масса всех газообразных продуктов сгорания, с учётом концентрации каждого с размерностью гр/моль); u — коэффициент, характеризующий теплофизические свойства газа в камере (обычно u ≈ 15 ). Как видно из формулы в первом приближении, чем выше температура газа, чем меньше его молекулярная масса истекающих газов, чем выше давление в камере сгорания и чем ниже давление в окружающем пространстве, тем выше удельный импульс [3] . Текущую формулу можно брать за основу для расчёта импульса с фиксированной степенью расширения сопла при разных давлениях окружающей среды, то есть для атмосферных двигателей. В случае вакуумных двигателей применяется большая степень расширения сопла, которая позволяет получать увеличение эффективности на 10-20% при тех же внутренних параметрах и давлении на срезе сопла до 10-100 Па. Размерность в вышеприведённой формуле в скобках при отношении давлений не соответствует.

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 равен [4] :

I sp = F thrust m ˙ ⋅ g 0 >=>><>cdot g_<0>>>>

  • F — тяга двигателя (в килограмм-силы);
  • g o >— ускорение свободного падения на уровне моря,
  • m ˙ = d m / d t >=dm/dt>— массовый расход топлива,

Если сила выражена в килограмм-силы то формула принимает вид [2] :

I y ( p ) = F m ˙ = v eff = v a + ( p a − p ) S / m ˙ , (p)=>>=v_>=v_+(p_-p)S/>,>

  • v eff >>— эффективная скорость истечения,
  • v a — действительная скорость истечения на выходном сечении сопла,
  • p a — давление на выходном сечении сопла,
  • p — давление невозмущенной окружающей среды,
  • S — площадь выходного сечения сопла [2] .

Иногда рассматривают также объёмный удельный импульс I y V = F / V ˙ , =F/>,> определяемый не по массовому, а по объёмному расходу топлива V ˙ = d V / d t . >=dV/dt.> Очевидно, что объёмный удельный импульс связан с массовым удельным импульсом следующим соотношением:

I y V = I y ρ , =I_rho ,>

где ρ — плотность топлива [2] .

Сравнение эффективности разных типов двигателей [ править | править код ]

Удельный импульс является важным параметром двигателя, характеризующим его эффективность. Эта величина не связана напрямую с энергетической эффективностью топлива и тягой двигателя, например, ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, но благодаря высокому удельному импульсу находят применение в качестве маневровых двигателей в космической технике.

Для воздушно-реактивных двигателей (ВРД) величина удельного импульса на порядок выше, чем у химических 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.

Приведённое значение удельного импульса для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) соответствует показателям эффективности современных кислородно-водородных ЖРД в вакууме. Наибольшее значение, когда-либо продемонстрированное на практике, было получено с использованием трёхкомпонентной схемы литий/водород/фтор и составляет 542 секунды (5320 м/с), но ей не было найдено практического применения по причине технологических трудностей [5] [6] .

Характерный удельный импульс для разных типов двигателей

ДвигательУдельный импульсУдельная тяга
м/сс
Газотурбинный реактивный двигатель30 000 (окислитель берётся из окружающей среды) [ источник не указан 1419 дней ]3 000 [ источник не указан 1419 дней ]
Твердотопливный ракетный двигатель2650270
Жидкостный ракетный двигатель4600470
Электрический ракетный двигатель10 000—100 000 [7]1000—10 000
Ионный двигатель30 0003000
Плазменный двигатель290 000 [ источник не указан 1419 дней ]30 000 [ источник не указан 1419 дней ]

См. также [ править | править код ]

  • Формула Циолковского
  • Значения удельного импульса при применении гидразина

Примечания [ править | править код ]

  1. ↑ На языке формул это можно записать следующим образом. Тягу двигателя F можно выразить так: F = v eff ⋅ m ˙ , >cdot >,>, где v eff >>— эффективная скорость истечения реактивной струи (м/с), m ˙ = d m / d t >=dm/dt>— скорость расхода массы топлива (кг/с). Таким образом, удельная тяга, как отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива определяется как I m = F m ˙ = v eff =>>=v_>>и измеряется в м/c. Если брать отношение тяги к весовому расходу топлива, то I g = F g m ˙ = v eff g =>>>=>>>>, где g — ускорение свободного падения. Величина g m ˙ >>измеряется в величинах 9,81 кг·м/(с·с²) = кгс/с. Таким образом, если тяга выражена в килограмм-силах, удельная тяга получается в секундах.

I y = 16 641 ⋅ T k u M ⋅ ( 1 − p a p k M ) , =>>>cdot left(1->>>>Mright)>>,>

где: M — средняя молекулярная масса продуктов сгорания выраженная в гр/моль, такая формула не может быть верной.

Европейцы испытали прямоточный ионный двигатель

Европейское космическое агентство (ЕКА) провело испытания прямоточного ионного двигателя, использующего в качестве рабочего тела воздух из окружающей атмосферы. Предполагается, что небольшие спутники с таким двигателем смогут практически неограниченно находиться на орбитах высотой 200 км или менее, сообщается в пресс-релизе агентства.

Принцип работы ионных двигателей основан на ионизации частиц газа и их разгоне с помощью электростатического поля. Частицы газа в таких двигателях разгоняются до значительно больших скоростей, чем в химических, из-за чего ионные двигатели имеют гораздо больший удельный импульс и расходуют меньше топлива. Но у них есть и важный недостаток — крайне малая тяга по сравнению с химическими двигателями. Из-за этого они редко применяются на практике, в основном на небольших аппаратах. К примеру, такие двигатели используются на зонде Dawn, находящемся сейчас на орбите карликовой планеты Церера, и будут использоваться в миссии BepiColombo, которая должна отправиться к Меркурию в конце 2018 года.

Как и в химических двигателях, в используемых сейчас ионных применяется запас топлива, как правило, ксенона. Но существует и концепция прямоточных ионных двигателей, которая, правда, пока не использовалась на летавших в космос аппаратах. Ее отличие в том, что в качестве рабочего тела предлагается использовать не конечный запас газа, загружаемый в бак перед запуском, а воздух из атмосферы Земли или другого атмосферного тела.

Предполагается, что относительно небольшой аппарат с таким двигателем сможет практически неограниченно находиться на низких орбитах высотой примерно от 150 километров, компенсируя атмосферное торможение тягой двигателя, работающего на воздухе, поступающем в него из атмосферы. В 2009 году EКА запустило спутник GOCE, который смог за счет постоянно включенного ионного двигателя с запасом ксенона пробыть на 255-километровой орбите почти пять лет. После этого агентство занялось разработкой прямоточного ионного двигателя для аналогичных низкоорбитальных спутников и теперь провело его первые испытания.

Испытания проходили в вакуумной камере, в которой располагался двигатель. Изначально в него подавали ускоренный ксенон. После этого в газозаборное устройство начали добавлять смесь кислорода с азотом, имитирующую атмосферу на высоте 200 километров. В конце испытаний инженеры провели тесты с исключительно воздушной смесью для проверки работоспособности в основном режиме.

Стоит отметить, что аналогичный двигатель разрабатывается специалистами МАИ и ЦАГИ, его испытания начались в 2017 году. Как сообщил изданию N+1 профессор МАИ Сергей Хартов, во время успешных испытаний этого двигателя использовался еще один — электрореактивный. Он подавал в устройство для забора газа поток воздуха с давлением 10 −5 от атмосферного и скоростью около восьми километров в секунду. Это имитировало реальные условия для спутника, летящего на низкой орбите. Предполагается, что прямоточный электрореактивный двигатель будет использоваться для поддержания небольших аппаратов на круговых орбитах высотой порядка 150–250 километров или на высокоэллиптических орбитах с низкой высотой в перигее.

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Ионный двигатель и реактивная тяга для полета на Марс: кратко о главном

Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга — это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла. Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг, начальная скорость пули 700 м/с, а скорострельность 10 выстр./с. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс). Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин. Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.

Формула для вычисления силы тяги реактивного двигателя. Сила тяги в этом случае – это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла.

  • Наша продукция
  • Презентации по направлениям
  • Инжиниринг
  • Консалтинг
  • Металлообработка
  • Моделирование
  • Разработки

В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы — ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда.

Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива, который у ИРД является достаточно большим.

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг. Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т.е. когда в нём закончится рабочая масса).

И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.

Схема полёта к Марсу на ИРД

ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.

Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.

Laser Interferometer Space Antenna

И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг, ускоряющие напряжение U=50 кВ, ток нейтрализации I=0,5 А, элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл.

Напряжение — это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток — это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход — это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.

Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.

Автор: Ярослав
Источник: https://habr.com/

  • Наша продукция
  • Презентации по направлениям
  • Инжиниринг
  • Консалтинг
  • Металлообработка
  • Моделирование
  • Разработки

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector