Jump to content

Удельный импульс

Удельный импульс (обычно сокращенно I sp ) является мерой того, насколько эффективно двигатель реактивной массы , такой как ракета, использующая топливо, или реактивный двигатель, использующий топливо, генерирует тягу .

Двигательная установка с более высоким удельным импульсом более эффективно использует массу топлива. В случае ракеты это означает, что для данной дельта- v требуется меньше топлива . [1] [2] так что транспортное средство, прикрепленное к двигателю, может более эффективно набирать высоту и скорость.

Двигательные системы

[ редактировать ]

Для двигателей, таких как двигатели с холодным газом, реактивная масса которых представляет собой только топливо, которое они несут, удельный импульс точно пропорционален эффективной скорости выхлопных газов.

В атмосфере

[ редактировать ]

В контексте атмосферы удельный импульс может включать в себя вклад в импульс, обеспечиваемый массой внешнего воздуха, который ускоряется двигателем, например, за счет сгорания топлива или внешнего гребного винта. Реактивные двигатели и турбовентиляторные двигатели используют внешний воздух как для сгорания, так и для перепуска, и поэтому имеют гораздо более высокий удельный импульс, чем ракетные двигатели.

Для воздушно-реактивных двигателей учитывается только масса топлива, а не масса воздуха, проходящего через двигатель. Сопротивление воздуха и неспособность двигателя сохранять высокий удельный импульс при высокой скорости горения являются ограничивающими факторами скорости расхода топлива. Если бы не сопротивление воздуха и уменьшение расхода топлива во время полета, удельный импульс был бы прямой мерой эффективности двигателя в преобразовании массы топлива в поступательный импульс.

Удельный импульс, выраженный в израсходованной массе пороха, имеет единицы расстояния за время, что представляет собой условную скорость, называемую эффективной скоростью истечения . Это выше фактической скорости выхлопных газов, поскольку масса воздуха для горения не учитывается. Фактическая и эффективная скорости истечения одинаковы в ракетных двигателях, работающих в вакууме.

Общие соображения

[ редактировать ]

Количество топлива может быть измерено либо в единицах массы, либо в весе. Если используется масса, удельный импульс — это импульс на единицу массы, который, как показывает анализ размеров, имеет единицы скорости, в частности, эффективную скорость выхлопа . Поскольку система СИ основана на массе, этот тип анализа обычно выполняется в метрах в секунду. Если используется система единиц измерения, основанная на силе, импульс делится на вес пороха (вес является мерой силы), в результате чего получаются единицы времени (секунды). Эти две формулировки отличаются друг от друга стандартным ускорением свободного падения ( g 0 ) у поверхности Земли.

Скорость изменения импульса ракеты (включая ее топливо) в единицу времени равна тяге. Чем выше удельный импульс, тем меньше топлива требуется для создания заданной тяги в течение заданного времени и тем эффективнее топливо. Это не следует путать с физической концепцией энергоэффективности , которая может снижаться по мере увеличения удельного импульса, поскольку двигательные системы, дающие высокий удельный импульс, требуют для этого большой энергии. [3]

тягу Не следует путать и удельный импульс. Тяга — это сила, создаваемая двигателем, и она зависит от количества реактивной массы, проходящей через двигатель. Удельный импульс измеряет импульс, производимый на единицу топлива, и пропорционален скорости истечения. Тяга и удельный импульс связаны конструкцией и топливом рассматриваемого двигателя, но эта связь незначительна. Например, двухкомпонентное топливо LH 2 /LO 2 обеспечивает более высокий I sp , но меньшую тягу, чем RP-1 / LO 2, из-за того, что выхлопные газы имеют меньшую плотность и более высокую скорость ( H 2 O по сравнению с CO 2 и H 2 O). Во многих случаях двигательные установки с очень высоким удельным импульсом (некоторые ионные двигатели достигают 10 000 секунд) производят низкую тягу. [4]

При расчете удельного импульса учитывается только топливо, находившееся на автомобиле перед использованием. Таким образом, для химической ракеты масса топлива будет включать как топливо, так и окислитель . В ракетной технике более тяжелый двигатель с более высоким удельным импульсом может быть не так эффективен для набора высоты, расстояния или скорости, как более легкий двигатель с более низким удельным импульсом, особенно если последний двигатель обладает более высокой тяговооруженностью . Это важная причина того, что большинство конструкций ракет имеют несколько ступеней. Первая ступень оптимизирована для работы с высокой тягой, чтобы разгонять последующие ступени с более высоким удельным импульсом на большие высоты, где они могут работать более эффективно.

Различные эквивалентные измерения характеристик ракетных двигателей в единицах СИ и США.
Удельный импульс Эффективный
скорость выхлопа
Специфическое топливо
потребление
По весу По массе
И = х с = 9,80665· x Н·с/кг = 9,80665 · х м/с = 101,972/ x г/(кН·с)
Обычные единицы США = х с = x фунт-сила·с/фунт = 32,17405· х фут/с = 3600/ x фунт/(фунт-сила·ч)

Наиболее распространенной единицей измерения удельного импульса является вторая, поскольку значения одинаковы независимо от того, выполняются ли расчеты в единицах СИ , британских или обычных единицах США. Почти все производители указывают производительность двигателя в секундах, и эта единица также полезна для определения производительности двигателя самолета. [5]

Использование метров в секунду для определения эффективной скорости выхлопа также достаточно распространено. Единица интуитивно понятна при описании ракетных двигателей, хотя эффективная скорость выхлопа двигателей может значительно отличаться от фактической скорости выхлопа, особенно в с газогенераторным циклом двигателях . Для воздушно-реактивных двигателей эффективная скорость истечения не имеет физического смысла, хотя ее можно использовать в целях сравнения. [6]

Метры в секунду численно эквивалентны ньютон-секундам на кг (Н·с/кг), а измерения удельного импульса в системе СИ могут быть записаны в любых взаимозаменяемых единицах. В этой единице подчеркивается определение удельного импульса как импульса на единицу массы пороха.

Удельный расход топлива обратно пропорционален удельному импульсу и измеряется в г/(кН·с) или фунтах/(фунт-сила-час). Удельный расход топлива широко используется для описания характеристик воздушно-реактивных двигателей. [7]

Удельный импульс в секундах

[ редактировать ]

Удельный импульс, измеряемый в секундах, фактически означает, за сколько секунд данное топливо в сочетании с данным двигателем может разогнать свою собственную начальную массу до 1 г. Чем дольше он может ускорять собственную массу, тем больше дельта-V он передает всей системе.

Другими словами, для конкретного двигателя и массы конкретного топлива удельный импульс измеряет, как долго этот двигатель может оказывать непрерывную силу (тягу) до полного сгорания этой массы топлива. Определенная масса более энергоплотного топлива может гореть в течение более длительного времени, чем какое-то менее энергоплотное топливо, созданное для приложения той же силы при горении в двигателе. Различные конструкции двигателей, сжигающие одно и то же топливо, могут быть не одинаково эффективными в направлении энергии топлива в эффективную тягу.

Для всех транспортных средств удельный импульс (импульс на единицу массы топлива на Земле) в секундах можно определить по следующему уравнению: [8]

где:

Английская единица массы фунт используется чаще, чем пуля, и при использовании фунтов в секунду для массового расхода удобнее выражать стандартную силу тяжести как 1 фунт-сила на фунт массы. Обратите внимание, что это эквивалентно 32,17405 фут/с2, но выражено в более удобных единицах. Это дает:

I sp в секундах — это время, в течение которого ракетный двигатель может генерировать тягу при наличии количества топлива, вес которого равен тяге двигателя.

Преимущество этой рецептуры в том, что ее можно использовать для ракет, где вся реакционная масса находится на борту, а также для самолетов, где большая часть реакционной массы забирается из атмосферы. Кроме того, он дает результат, не зависящий от используемых единиц измерения (при условии, что используемая единица времени — секунда).

Удельный импульс различных реактивных двигателей (SSME — главный двигатель космического челнока )

Ракетная техника

[ редактировать ]

В ракетостроении единственной реактивной массой является топливо, поэтому удельный импульс рассчитывается альтернативным методом, дающим результаты с единицами секунды. Удельный импульс определяется как тяга, интегрированная во времени на единицу массы топлива на Земле: [9]

где

  • – удельный импульс, измеряемый в секундах,
  • - средняя скорость выхлопа вдоль оси двигателя (в м/с или фут/с),
  • стандартная сила тяжести (в м/с 2 или фут/с 2 ).

В ракетах из-за атмосферных воздействий удельный импульс меняется с высотой, достигая максимума в вакууме. Это связано с тем, что скорость выхлопа является не просто функцией давления в камере сгорания, а функцией разницы между внутренней и внешней частью камеры сгорания . Значения обычно приводятся для работы на уровне моря («sl») или в вакууме («vac»).

Удельный импульс как эффективная скорость истечения

[ редактировать ]

Из-за геоцентрического фактора g 0 в уравнении удельного импульса многие предпочитают альтернативное определение. Удельный импульс ракеты можно определить как тягу на единицу массового расхода топлива. Это столь же действенный (и в некотором смысле несколько более простой) способ определения эффективности ракетного топлива. Для ракеты удельный импульс, определяемый таким образом, представляет собой просто эффективную скорость истечения относительно ракеты v e . «В реальных соплах ракет скорость истечения на самом деле не является одинаковой по всему выходному сечению, и такие профили скорости трудно измерить точно. однородная осевая скорость v e Для всех расчетов, в которых используются одномерные описания задач, предполагается . Эта эффективная скорость истечения представляет собой среднюю или массовую эквивалентную скорость, с которой топливо выбрасывается из ракеты». [10] Два определения удельного импульса пропорциональны друг другу и связаны друг с другом следующим образом: где

  • – удельный импульс в секундах,
  • — удельный импульс, измеренный в м/с , который совпадает с эффективной скоростью выхлопа, измеренной в м/с (или фут/с, если g выражено в фут/с). 2 ),
  • стандартная сила тяжести , 9,80665 м/с. 2 обычных единицах США 32,174 фута/с 2 ).

Это уравнение справедливо и для воздушно-реактивных двигателей, но на практике используется редко.

(Обратите внимание, что иногда используются разные символы; например, c также иногда обозначает скорость выхлопа. Хотя символ логически можно использовать для удельного импульса в единицах (Н·с 3 )/(м·кг); во избежание путаницы желательно зарезервировать это значение для удельного импульса, измеряемого в секундах.)

Это связано с тягой или поступательной силой ракеты уравнением: [11] где - массовый расход топлива, который представляет собой скорость уменьшения массы транспортного средства.

Ракета должна нести с собой все топливо, поэтому масса несгоревшего топлива должна ускоряться вместе с самой ракетой. Минимизация массы топлива, необходимой для достижения заданного изменения скорости, имеет решающее значение для создания эффективных ракет. Уравнение ракеты Циолковского показывает, что для ракеты с заданной пустой массой и заданным количеством топлива общее изменение скорости, которое она может достичь, пропорционально эффективной скорости истечения.

Космический корабль без двигательной установки движется по орбите, определяемой его траекторией и любым гравитационным полем. Отклонения от соответствующего режима скорости (они называются Δ v ) достигаются путем направления выхлопной массы в направлении, противоположном направлению желаемого изменения скорости.

Фактическая скорость выхлопа по сравнению с эффективной скоростью выхлопа

[ редактировать ]

Когда двигатель работает в атмосфере, скорость выхлопа снижается под действием атмосферного давления, что, в свою очередь, снижает удельный импульс. Это снижение эффективной скорости истечения по сравнению с фактической скоростью истечения, достигаемой в условиях вакуума. В случае ракетных двигателей с газогенераторным циклом присутствует более одного потока выхлопных газов, поскольку выхлопные газы турбонасоса выходят через отдельное сопло. Расчет эффективной скорости выхлопа требует усреднения двух массовых расходов, а также учета любого атмосферного давления. [ нужна ссылка ]

Для воздушно-реактивных двигателей, особенно турбовентиляторных , фактическая скорость истечения и эффективная скорость истечения различаются на порядки. Это происходит по нескольким причинам. Во-первых, значительный дополнительный импульс достигается за счет использования воздуха в качестве реакционной массы, так что продукты сгорания в выхлопных газах имеют большую массу, чем сгоревшее топливо. Затем инертные газы в атмосфере поглощают тепло от сгорания и за счет возникающего расширения создают дополнительную тягу. Наконец, в турбовентиляторных двигателях и других конструкциях еще большая тяга создается за счет давления на всасываемый воздух, который никогда не подвергается непосредственному сгоранию. Все это в совокупности обеспечивает лучшее соответствие между воздушной скоростью и скоростью выхлопа, что экономит энергию/горючее и значительно увеличивает эффективную скорость выхлопа, одновременно снижая фактическую скорость выхлопа. [ нужна ссылка ] Опять же, это связано с тем, что масса воздуха не учитывается при расчете удельного импульса, таким образом весь момент тяги относят к массе топливного компонента выхлопных газов и опускают реакционную массу, инертный газ и влияние выхлопных газов. вентиляторы на общую эффективность двигателя из рассмотрения.

По сути, импульс выхлопа двигателя включает в себя гораздо больше, чем просто топливо, но расчет удельного импульса игнорирует все, кроме топлива. Несмотря на то, что эффективная скорость выхлопа для воздушно-реактивного двигателя кажется бессмысленной в контексте фактической скорости выхлопа, она все же полезна для сравнения абсолютной топливной эффективности различных двигателей.

Плотность удельного импульса

[ редактировать ]

Связанная с этим мера, удельный импульс плотности , иногда также называемый импульсом плотности и обычно обозначаемый сокращенно I s d, представляет собой произведение среднего удельного веса данной топливной смеси и удельного импульса. [12] Хотя он и менее важен, чем удельный импульс, он является важной мерой при проектировании ракеты-носителя, поскольку низкий удельный импульс подразумевает, что для хранения топлива потребуются баки большего размера, что, в свою очередь, окажет отрицательное влияние на соотношение масс ракеты-носителя . [13]

Удельный расход топлива

[ редактировать ]

Удельный импульс обратно пропорционален удельному расходу топлива (SFC) по соотношению I sp = 1/( г o ·SFC) для SFC в кг/(Н·с) и I sp = 3600/SFC для SFC в фунтах/(фунт-сила). ·час).

Ракетные двигатели в вакууме
Модель Тип Первый
бегать
Приложение ТСФК Я сп (по весу) Я сп (по массе)
фунт/фунт-сила·ч г/кН·с с РС
Merlin 1Dliquid fuel2013Falcon 9123303103000
Avio P80solid fuel2006Vega stage 1133602802700
Avio Zefiro 23solid fuel2006Vega stage 212.52354.7287.52819
Avio Zefiro 9Asolid fuel2008Vega stage 312.20345.4295.22895
RD-843liquid fuelVega upper stage11.41323.2315.53094
Kuznetsov NK-33liquid fuel1970sN-1F, Soyuz-2-1v stage 110.9308331[14]3250
NPO Energomash RD-171Mliquid fuelZenit-2M, -3SL, -3SLB, -3F stage 110.73033373300
LE-7AcryogenicH-IIA, H-IIB stage 18.222334384300
Snecma HM-7BcryogenicAriane 2, 3, 4, 5 ECA upper stage8.097229.4444.64360
LE-5B-2cryogenicH-IIA, H-IIB upper stage8.052284474380
Aerojet Rocketdyne RS-25cryogenic1981Space Shuttle, SLS stage 17.95225453[15]4440
Aerojet Rocketdyne RL-10B-2cryogenicDelta III, Delta IV, SLS upper stage7.734219.1465.54565
NERVA NRX A6nuclear1967869
Реактивные двигатели с подогревом , статика, уровень моря
Модель Тип Первый
бегать
Приложение ТСФК Я сп (по весу) Я сп (по массе)
фунт/фунт-сила·ч г/кН·с с РС
Turbo-Union RB.199turbofanTornado2.5[16]70.8144014120
GE F101-GE-102turbofan1970sB-1B2.4670146014400
Tumansky R-25-300turbojetMIG-21bis2.206[16]62.5163216000
GE J85-GE-21turbojetF-5E/F2.13[16]60.3169016570
GE F110-GE-132turbofanF-16E/F2.09[16]59.2172216890
Honeywell/ITEC F125turbofanF-CK-12.06[16]58.4174817140
Snecma M53-P2turbofanMirage 2000C/D/N2.05[16]58.1175617220
Snecma Atar 09CturbojetMirage III2.03[16]57.5177017400
Snecma Atar 09K-50turbojetMirage IV, 50, F11.991[16]56.4180817730
GE J79-GE-15turbojetF-4E/EJ/F/G, RF-4E1.96555.7183217970
Saturn AL-31FturbofanSu-27/P/K1.96[17]55.5183718010
GE F110-GE-129turbofanF-16C/D, F-15EX1.9[16]53.8189518580
Soloviev D-30F6turbofanMiG-31, S-37/Su-471.863[16]52.8193218950
Lyulka AL-21F-3turbojetSu-17, Su-221.86[16]52.7193518980
Klimov RD-33turbofan1974MiG-291.8552.4194619080
Saturn AL-41F-1SturbofanSu-35S/T-10BM1.81951.5197919410
Volvo RM12turbofan1978Gripen A/B/C/D1.78[16]50.4202219830
GE F404-GE-402turbofanF/A-18C/D1.74[16]49207020300
Kuznetsov NK-32turbofan1980Tu-144LL, Tu-1601.748210021000
Snecma M88-2turbofan1989Rafale1.66347.11216521230
Eurojet EJ200turbofan1991Eurofighter1.66–1.7347–49[18]2080–217020400–21300
Сухие реактивные двигатели , статические, на уровне моря
Модель Тип Первый
бегать
Приложение ТСФК Я сп (по весу) Я сп (по массе)
фунт/фунт-сила·ч г/кН·с с РС
GE J85-GE-21turbojetF-5E/F1.24[16]35.1290028500
Snecma Atar 09CturbojetMirage III1.01[16]28.6356035000
Snecma Atar 09K-50turbojetMirage IV, 50, F10.981[16]27.8367036000
Snecma Atar 08K-50turbojetSuper Étendard0.971[16]27.5371036400
Tumansky R-25-300turbojetMIG-21bis0.961[16]27.2375036700
Lyulka AL-21F-3turbojetSu-17, Su-220.8624.4419041100
GE J79-GE-15turbojetF-4E/EJ/F/G, RF-4E0.8524.1424041500
Snecma M53-P2turbofanMirage 2000C/D/N0.85[16]24.1424041500
Volvo RM12turbofan1978Gripen A/B/C/D0.824[16]23.3437042800
RR Turbomeca Adourturbofan1999Jaguar retrofit0.8123440044000
Honeywell/ITEC F124turbofan1979L-159, X-450.81[16]22.9444043600
Honeywell/ITEC F125turbofanF-CK-10.8[16]22.7450044100
PW J52-P-408turbojetA-4M/N, TA-4KU, EA-6B0.7922.4456044700
Saturn AL-41F-1SturbofanSu-35S/T-10BM0.7922.4456044700
Snecma M88-2turbofan1989Rafale0.78222.14460045100
Klimov RD-33turbofan1974MiG-290.7721.8468045800
RR Pegasus 11-61turbofanAV-8B+0.7621.5474046500
Eurojet EJ200turbofan1991Eurofighter0.74–0.8121–23[18]4400–490044000–48000
GE F414-GE-400turbofan1993F/A-18E/F0.724[19]20.5497048800
Kuznetsov NK-32turbofan1980Tu-144LL, Tu-1600.72-0.7320–214900–500048000–49000
Soloviev D-30F6turbofanMiG-31, S-37/Su-470.716[16]20.3503049300
Snecma Larzacturbofan1972Alpha Jet0.71620.3503049300
IHI F3turbofan1981Kawasaki T-40.719.8514050400
Saturn AL-31FturbofanSu-27 /P/K0.666-0.78[17][19]18.9–22.14620–541045300–53000
RR Spey RB.168turbofanAMX0.66[16]18.7545053500
GE F110-GE-129turbofanF-16C/D, F-150.64[19]18560055000
GE F110-GE-132turbofanF-16E/F0.64[19]18560055000
Turbo-Union RB.199turbofanTornado ECR0.637[16]18.0565055400
PW F119-PW-100turbofan1992F-220.61[19]17.3590057900
Turbo-Union RB.199turbofanTornado0.598[16]16.9602059000
GE F101-GE-102turbofan1970sB-1B0.56215.9641062800
PW TF33-P-3turbofanB-52H, NB-52H0.52[16]14.7692067900
RR AE 3007HturbofanRQ-4, MQ-4C0.39[16]11.0920091000
GE F118-GE-100turbofan1980sB-20.375[16]10.6960094000
GE F118-GE-101turbofan1980sU-2S0.375[16]10.6960094000
General Electric CF6-50C2turbofanA300, DC-10-300.371[16]10.5970095000
GE TF34-GE-100turbofanA-100.37[16]10.5970095000
CFM CFM56-2B1turbofanC-135, RC-1350.36[20]101000098000
Progress D-18Tturbofan1980An-124, An-2250.3459.810400102000
PW F117-PW-100turbofanC-170.34[21]9.610600104000
PW PW2040turbofanBoeing 7570.33[21]9.310900107000
CFM CFM56-3C1turbofan737 Classic0.339.311000110000
GE CF6-80C2turbofan744, 767, MD-11, A300/310, C-5M0.307-0.3448.7–9.710500–11700103000–115000
EA GP7270turbofanA380-8610.299[19]8.512000118000
GE GE90-85Bturbofan777-200/200ER/3000.298[19]8.4412080118500
GE GE90-94Bturbofan777-200/200ER/3000.2974[19]8.4212100118700
RR Trent 970-84turbofan2003A380-8410.295[19]8.3612200119700
GE GEnx-1B70turbofan787-80.2845[19]8.0612650124100
RR Trent 1000Cturbofan2006787-90.273[19]7.713200129000
Реактивные двигатели , круизный
Модель Тип Первый
бегать
Приложение ТСФК Я сп (по весу) Я сп (по массе)
фунт/фунт-сила·ч г/кН·с с РС
RamjetMach 14.51308007800
J-58turbojet1958SR-71 at Mach 3.2 (Reheat)1.9[16]53.8189518580
RR/Snecma Olympusturbojet1966Concorde at Mach 21.195[22]33.8301029500
PW JT8D-9turbofan737 Original0.8[23]22.7450044100
Honeywell ALF502R-5GTFBAe 1460.72[21]20.4500049000
Soloviev D-30KP-2turbofanIl-76, Il-780.71520.3503049400
Soloviev D-30KU-154turbofanTu-154M0.70520.0511050100
RR Tay RB.183turbofan1984Fokker 70, Fokker 1000.6919.5522051200
GE CF34-3turbofan1982Challenger, CRJ100/2000.6919.5522051200
GE CF34-8EturbofanE170/1750.6819.3529051900
Honeywell TFE731-60GTFFalcon 9000.679[24]19.2530052000
CFM CFM56-2C1turbofanDC-8 Super 700.671[21]19.0537052600
GE CF34-8CturbofanCRJ700/900/10000.67-0.6819–195300–540052000–53000
CFM CFM56-3C1turbofan737 Classic0.66718.9540052900
CFM CFM56-2A2turbofan1974E-3, E-60.66[20]18.7545053500
RR BR725turbofan2008G650/ER0.65718.6548053700
CFM CFM56-2B1turbofanC-135, RC-1350.65[20]18.4554054300
GE CF34-10AturbofanARJ210.6518.4554054300
CFE CFE738-1-1Bturbofan1990Falcon 20000.645[21]18.3558054700
RR BR710turbofan1995G. V/G550, Global Express0.6418560055000
GE CF34-10EturbofanE190/1950.6418560055000
General Electric CF6-50C2turbofanA300B2/B4/C4/F4, DC-10-300.63[21]17.8571056000
PowerJet SaM146turbofanSuperjet LR0.62917.8572056100
CFM CFM56-7B24turbofan737 NG0.627[21]17.8574056300
RR BR715turbofan19977170.6217.6581056900
GE CF6-80C2-B1Fturbofan747-4000.605[22]17.1595058400
CFM CFM56-5A1turbofanA3200.59616.9604059200
Aviadvigatel PS-90A1turbofanIl-96-4000.59516.9605059300
PW PW2040turbofan757-2000.582[21]16.5619060700
PW PW4098turbofan777-3000.581[21]16.5620060800
GE CF6-80C2-B2turbofan7670.576[21]16.3625061300
IAE V2525-D5turbofanMD-900.574[25]16.3627061500
IAE V2533-A5turbofanA321-2310.574[25]16.3627061500
RR Trent 700turbofan1992A3300.562[26]15.9641062800
RR Trent 800turbofan1993777-200/200ER/3000.560[26]15.9643063000
Progress D-18Tturbofan1980An-124, An-2250.54615.5659064700
CFM CFM56-5B4turbofanA320-2140.54515.4661064800
CFM CFM56-5C2turbofanA340-2110.54515.4661064800
RR Trent 500turbofan1999A340-500/6000.542[26]15.4664065100
CFM LEAP-1Bturbofan2014737 MAX0.53-0.5615–166400–680063000–67000
Aviadvigatel PD-14turbofan2014MC-21-3100.52614.9684067100
RR Trent 900turbofan2003A3800.522[26]14.8690067600
GE GE90-85Bturbofan777-200/200ER0.52[21][27]14.7692067900
GE GEnx-1B76turbofan2006787-100.512[23]14.5703069000
PW PW1400GGTFMC-210.51[28]14.4710069000
CFM LEAP-1Cturbofan2013C9190.5114.4710069000
CFM LEAP-1Aturbofan2013A320neo family0.51[28]14.4710069000
RR Trent 7000turbofan2015A330neo0.506[a]14.3711069800
RR Trent 1000turbofan20067870.506[b]14.3711069800
RR Trent XWB-97turbofan2014A350-10000.478[c]13.5753073900
PW 1127GGTF2012A320neo0.463[23]13.1778076300
Удельный импульс различных двигательных технологий
Двигатель Эффективная скорость выхлопа (м/с) Удельный импульс (с) Удельная энергия выхлопных газов (МДж/кг)
Турбореактивный реактивный двигатель ( фактическая V ~ 300 м/с) 29,000 3,000 Прибл. 0,05
Твердотопливный ракетный ускоритель космического корабля "Шаттл" 2,500 250 3
Жидкий кислород жидкий водород 4,400 450 9.7
НСТАР [29] электростатический ксеноново-ионный двигатель 20,000–30,000 1,950–3,100
NEXT Электростатический ксеноново-ионный двигатель 40,000 1,320–4,170
ВАСИМР Прогнозы [30] [31] [32] 30,000–120,000 3,000–12,000 1,400
Электростатический ионный двигатель DS4G [33] 210,000 21,400 22,500
Идеальная фотонная ракета [д] 299,792,458 30,570,000 89,875,517,874

Пример удельного импульса, измеренного во времени, составляет 453 секунды, что эквивалентно эффективной скорости выхлопа 4,440 км/с (14 570 футов/с) для двигателей RS-25 при работе в вакууме. [34] Воздушно-реактивный двигатель обычно имеет гораздо больший удельный импульс, чем ракета; например, турбовентиляторный реактивный двигатель может иметь удельный импульс 6000 секунд или более на уровне моря, тогда как у ракеты он будет составлять от 200 до 400 секунд. [35]

Таким образом, воздушно-реактивный двигатель гораздо более эффективен по топливу, чем ракетный двигатель, поскольку воздух служит реакционной массой и окислителем для сгорания, который не нужно нести в качестве топлива, а фактическая скорость выхлопа намного ниже, поэтому кинетическая энергия выхлопные газы уносятся ниже, и поэтому реактивный двигатель использует гораздо меньше энергии для создания тяги. [36] Хотя фактическая скорость выхлопа ниже для воздушно-реактивных двигателей, эффективная скорость выхлопа очень высока для реактивных двигателей. Это связано с тем, что расчет эффективной скорости выхлопа предполагает, что переносимое топливо обеспечивает всю реакционную массу и всю тягу. Следовательно, эффективная скорость выхлопа не имеет физического значения для воздушно-реактивных двигателей; тем не менее, он полезен для сравнения с другими типами двигателей. [37]

Самый высокий удельный импульс химического топлива, когда-либо испытанного в ракетном двигателе, составил 542 секунды (5,32 км/с) с трехкомпонентным топливом из лития , фтора и водорода . Однако такое сочетание непрактично. Литий и фтор чрезвычайно агрессивны, литий воспламеняется при контакте с воздухом, фтор воспламеняется при контакте с большинством видов топлива, а водород, хотя и не гиперголический, представляет собой опасность взрыва. Фтор и фтороводород (HF) в выхлопных газах очень токсичны, что наносит вред окружающей среде, затрудняет работу на стартовой площадке и значительно затрудняет получение лицензии на запуск. Выхлопы ракеты также ионизируются, что будет мешать радиосвязи с ракетой. [38] [39] [40]

Ядерные тепловые ракетные двигатели отличаются от обычных ракетных двигателей тем, что энергия подается к топливам за счет внешнего ядерного источника тепла вместо теплоты сгорания . [41] Ядерная ракета обычно работает, пропуская жидкий газообразный водород через работающий ядерный реактор. Испытания в 1960-х годах показали удельные импульсы около 850 секунд (8340 м/с), что примерно вдвое больше, чем у двигателей космического корабля "Шаттл". [42]

Различные другие методы ракетного движения, такие как ионные двигатели , дают гораздо более высокий удельный импульс, но с гораздо меньшей тягой; например, двигатель на эффекте Холла на спутнике SMART-1 имеет удельный импульс 1640 с (16,1 км / с), но максимальную тягу всего 68 мН (0,015 фунта-силы). [43] Магнитоплазменный ракетный двигатель с регулируемым удельным импульсом (VASIMR), который в настоящее время находится в разработке, теоретически будет иметь скорость от 20 до 300 км/с (от 66 000 до 984 000 футов/с) и максимальную тягу 5,7 Н (1,3 фунта-силы). [44]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ «Что такое удельный импульс?» . Группа качественных рассуждений. Архивировано из оригинала 4 июля 2016 года . Проверено 22 декабря 2009 г.
  2. ^ Хатчинсон, Ли (14 апреля 2013 г.). «Новый ракетный двигатель F-1B модернизирует конструкцию эпохи Аполлона с тягой 1,8 миллиона фунтов» . Арс Техника . Проверено 15 апреля 2013 г. Мерой топливной эффективности ракеты называется ее удельный импульс (сокращенно «ISP» — или, точнее, Isp)… «Массовый удельный импульс… описывает эффективность химической реакции, создающую тягу, и его легче всего измерить. считается величиной силы тяги, создаваемой каждым фунтом (массой) топлива и окислителя, сгоревшими в единицу времени. Это что-то вроде меры миль на галлон (миль на галлон) для ракет».
  3. ^ «Межзвездный зонд с лазерным двигателем (презентация)» . Архивировано из оригинала 2 октября 2013 года . Проверено 16 ноября 2013 г.
  4. ^ «Обзор миссии» . исследовать Марсноу . Проверено 23 декабря 2009 г.
  5. ^ «Специальный импульс» . www.grc.nasa.gov .
  6. ^ «Что такое удельный импульс?» . www.qrg.northwestern.edu .
  7. ^ «Удельный расход топлива» . www.grc.nasa.gov . Проверено 13 мая 2021 г.
  8. ^ Элементы ракетного движения, 7-е издание Джорджа П. Саттона, Oscar Biblarz
  9. ^ Бенсон, Том (11 июля 2008 г.). «Специальный импульс» . НАСА . Проверено 22 декабря 2009 г.
  10. ^ Джордж П. Саттон и Оскар Библарц (2016). Элементы ракетного движения . Джон Уайли и сыновья. п. 27. ISBN  978-1-118-75388-0 .
  11. ^ Томас А. Уорд (2010). Аэрокосмические двигательные установки . Джон Уайли и сыновья. п. 68. ИСБН  978-0-470-82497-9 .
  12. ^ Плотность удельного импульса . Проверено 20 сентября 2022 г. {{cite encyclopedia}}: |website= игнорируется ( помогите )
  13. ^ «Ракетное топливо» . braeunig.us . Проверено 20 сентября 2022 г.
  14. ^ «НК33» . Энциклопедия космонавтики.
  15. ^ «ССМЕ» . Энциклопедия космонавтики.
  16. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и С аа аб и объявление но из в Натан Мейер (21 марта 2005 г.). «Технические характеристики военных турбореактивных/турбореактивных двигателей» . Архивировано из оригинала 11 февраля 2021 года.
  17. ^ Jump up to: а б «Фланкер» . Международный журнал AIR . 23 марта 2017 г.
  18. ^ Jump up to: а б «Турбовентиляторный двигатель EJ200» (PDF) . МТУ Аэро Двигатели. Апрель 2016.
  19. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Коттас, Ангелос Т.; Бозудис, Михаил Н.; Мадас, Майкл А. «Оценка эффективности турбовентиляторного авиационного двигателя: комплексный подход с использованием двухступенчатой ​​сети VSBM DEA» (PDF) . дои : 10.1016/j.omega.2019.102167 .
  20. ^ Jump up to: а б с Элоди Ру (2007). «Турбовентиляторные и турбореактивные двигатели: Справочник по базе данных» (PDF) . п. 126. ИСБН  9782952938013 .
  21. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Натан Мейер (3 апреля 2005 г.). «Характеристики гражданских турбореактивных/турбовентиляторных двигателей» . Архивировано из оригинала 17 августа 2021 года.
  22. ^ Jump up to: а б Илан Кроо. «Сведения о больших турбовентиляторных двигателях» . Проектирование самолетов: синтез и анализ . Стэнфордский университет. Архивировано из оригинала 11 января 2017 года.
  23. ^ Jump up to: а б с Дэвид Калвар (2015). «Интеграция турбовентиляторных двигателей в предварительный проект высокопроизводительного ближне- и среднемагистрального пассажирского самолета и анализ топливной эффективности с помощью доработанного программного обеспечения для параметрического проектирования самолетов» (PDF) .
  24. ^ «Веб-страница Школы аэронавтики и астронавтики Пердью — TFE731» .
  25. ^ Jump up to: а б Ллойд Р. Дженкинсон и др. (30 июля 1999 г.). «Проектирование гражданских реактивных самолетов: файл данных двигателя» . Эльзевир/Баттерворт-Хайнеманн.
  26. ^ Jump up to: а б с д «Газотурбинные двигатели» (PDF) . Авиационная неделя . 28 января 2008 г. стр. 137–138.
  27. ^ Элоди Ру (2007). «Турбовентиляторные и турбореактивные двигатели: Справочник по базе данных» . ISBN  9782952938013 .
  28. ^ Jump up to: а б Владимир Карнозов (19 августа 2019 г.). "Авиадвигатель" рассматривает возможность замены ПС-90А ПД-14 большей тяги" . АЙН онлайн .
  29. ^ Летные характеристики ионной двигательной установки NSTAR в миссии Deep Space One . Материалы аэрокосмической конференции. IEEExplore. 2000. дои : 10.1109/AERO.2000.878373 .
  30. ^ Гловер, Тим В.; Чанг Диас, Франклин Р.; Сквайр, Джаред П.; Якобсен, Верлин; Чейверс, Д. Грегори; Картер, Марк Д. «Основные результаты VASIMR и текущие цели» (PDF) .
  31. ^ Кэссиди, Леонард Д.; Лонгмьер, Бенджамин В.; Олсен, Крис С.; Балленджер, Максвелл Г.; Маккаскилл, Грег Э.; Ильин Андрей Владимирович; Картер, Марк Д.; Гловерк, Тим В.; Сквайр, Джаред П.; Чанг, Франклин Р.; Беринг III, Эдгар А. (28 июля 2010 г.). «Результаты производительности VASIMR R» (PDF) . www.adastra.com .
  32. ^ «Vasimr VX 200 соответствует требованиям полной энергоэффективности» . spacefellowship.com . Проверено 13 мая 2021 г.
  33. ^ «ЕКА и австралийская команда совершили прорыв в области космических двигателей» . Cordis.europa.eu . 18 января 2006 г.
  34. ^ «ССМЕ» . www.astronautix.com . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года.
  35. ^ «11.6 Характеристики реактивных двигателей» . web.mit.edu .
  36. ^ Данн, Брюс П. (2001). «Readme Данна» . Архивировано из оригинала 20 октября 2013 года . Проверено 12 июля 2014 г.
  37. ^ «Эффективная скорость выхлопа | инженерия» . Британская энциклопедия .
  38. ^ «Топливо – Где сейчас находится литий-фтор-водородный трехкомпонентный топливный материал?» . Обмен стеками по исследованию космоса .
  39. ^ Арбит, Х.; Клапп, С.; Нагай, К. (1968). «Исследование трехкомпонентной литий-фтор-водородной системы» . 4-я Объединенная специализированная конференция г.г. дои : 10.2514/6.1968-618 .
  40. ^ ARBIT, HA, CLAPP, SD, NAGAI, CK, Исследование литий-фтор-водородного топлива. Итоговый отчет НАСА, 1 мая 1970 г.
  41. ^ «Офис космического движения и анализа полетов» . Архивировано из оригинала 12 апреля 2011 года . Проверено 20 июля 2011 г.
  42. ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Ядерные двигатели в космосе , заархивировано из оригинала 11 декабря 2021 года , получено 24 февраля 2021 года.
  43. ^ «Характеристика ксенонового двигателя с высоким удельным импульсом на эффекте Холла | Mendeley» . Архивировано из оригинала 24 марта 2012 года . Проверено 20 июля 2011 г.
  44. ^ Ад Астра (23 ноября 2010 г.). «VASIMR® VX-200 СООТВЕТСТВУЕТ ВЕХЕ ПОЛНОЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 октября 2012 года . Проверено 23 июня 2014 г.
  1. ^ На 10 % лучше, чем Трент 700.
  2. ^ На 10 % лучше, чем Трент 700.
  3. ^ Преимущество в расходе топлива на 15 процентов по сравнению с оригинальным двигателем Trent.
  4. ^ Гипотетическое устройство, выполняющее идеальное преобразование массы в фотоны, испускаемые идеально выровненными так, чтобы быть антипараллельными желаемому вектору тяги. Это представляет собой теоретический верхний предел двигательной установки, основанной исключительно на бортовом топливе и принципе ракеты.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 94d8d7a0cac90e733e3a156ec9fb7767__1722191040
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/94/67/94d8d7a0cac90e733e3a156ec9fb7767.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Specific impulse - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)