Jump to content

Удельный импульс

(Перенаправлено с «Специфического импульса »)

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 в ракетных двигателях, работающих в вакууме, одинаковы.

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 не одинаково эффективно направлять энергию 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 корабля «Шаттл» )

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 футах/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 следует 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 ]

Соответствующая 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/( g 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 1D liquid fuel 2013 Falcon 9 12 330 310 3000
Avio P80 solid fuel 2006 Vega stage 1 13 360 280 2700
Avio Zefiro 23 solid fuel 2006 Vega stage 2 12.52 354.7 287.5 2819
Avio Zefiro 9A solid fuel 2008 Vega stage 3 12.20 345.4 295.2 2895
RD-843 liquid fuel Vega upper stage 11.41 323.2 315.5 3094
Kuznetsov NK-33 liquid fuel 1970s N-1F, Soyuz-2-1v stage 1 10.9 308 331[14] 3250
NPO Energomash RD-171M liquid fuel Zenit-2M, -3SL, -3SLB, -3F stage 1 10.7 303 337 3300
LE-7A cryogenic H-IIA, H-IIB stage 1 8.22 233 438 4300
Snecma HM-7B cryogenic Ariane 2, 3, 4, 5 ECA upper stage 8.097 229.4 444.6 4360
LE-5B-2 cryogenic H-IIA, H-IIB upper stage 8.05 228 447 4380
Aerojet Rocketdyne RS-25 cryogenic 1981 Space Shuttle, SLS stage 1 7.95 225 453[15] 4440
Aerojet Rocketdyne RL-10B-2 cryogenic Delta III, Delta IV, SLS upper stage 7.734 219.1 465.5 4565
NERVA NRX A6 nuclear 1967 869
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.199 turbofan Tornado 2.5[16] 70.8 1440 14120
GE F101-GE-102 turbofan 1970s B-1B 2.46 70 1460 14400
Tumansky R-25-300 turbojet MIG-21bis 2.206[16] 62.5 1632 16000
GE J85-GE-21 turbojet F-5E/F 2.13[16] 60.3 1690 16570
GE F110-GE-132 turbofan F-16E/F 2.09[16] 59.2 1722 16890
Honeywell/ITEC F125 turbofan F-CK-1 2.06[16] 58.4 1748 17140
Snecma M53-P2 turbofan Mirage 2000C/D/N 2.05[16] 58.1 1756 17220
Snecma Atar 09C turbojet Mirage III 2.03[16] 57.5 1770 17400
Snecma Atar 09K-50 turbojet Mirage IV, 50, F1 1.991[16] 56.4 1808 17730
GE J79-GE-15 turbojet F-4E/EJ/F/G, RF-4E 1.965 55.7 1832 17970
Saturn AL-31F turbofan Su-27/P/K 1.96[17] 55.5 1837 18010
GE F110-GE-129 turbofan F-16C/D, F-15EX 1.9[16] 53.8 1895 18580
Soloviev D-30F6 turbofan MiG-31, S-37/Su-47 1.863[16] 52.8 1932 18950
Lyulka AL-21F-3 turbojet Su-17, Su-22 1.86[16] 52.7 1935 18980
Klimov RD-33 turbofan 1974 MiG-29 1.85 52.4 1946 19080
Saturn AL-41F-1S turbofan Su-35S/T-10BM 1.819 51.5 1979 19410
Volvo RM12 turbofan 1978 Gripen A/B/C/D 1.78[16] 50.4 2022 19830
GE F404-GE-402 turbofan F/A-18C/D 1.74[16] 49 2070 20300
Kuznetsov NK-32 turbofan 1980 Tu-144LL, Tu-160 1.7 48 2100 21000
Snecma M88-2 turbofan 1989 Rafale 1.663 47.11 2165 21230
Eurojet EJ200 turbofan 1991 Eurofighter 1.66–1.73 47–49[18] 2080–2170 20400–21300
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-21 turbojet F-5E/F 1.24[16] 35.1 2900 28500
Snecma Atar 09C turbojet Mirage III 1.01[16] 28.6 3560 35000
Snecma Atar 09K-50 turbojet Mirage IV, 50, F1 0.981[16] 27.8 3670 36000
Snecma Atar 08K-50 turbojet Super Étendard 0.971[16] 27.5 3710 36400
Tumansky R-25-300 turbojet MIG-21bis 0.961[16] 27.2 3750 36700
Lyulka AL-21F-3 turbojet Su-17, Su-22 0.86 24.4 4190 41100
GE J79-GE-15 turbojet F-4E/EJ/F/G, RF-4E 0.85 24.1 4240 41500
Snecma M53-P2 turbofan Mirage 2000C/D/N 0.85[16] 24.1 4240 41500
Volvo RM12 turbofan 1978 Gripen A/B/C/D 0.824[16] 23.3 4370 42800
RR Turbomeca Adour turbofan 1999 Jaguar retrofit 0.81 23 4400 44000
Honeywell/ITEC F124 turbofan 1979 L-159, X-45 0.81[16] 22.9 4440 43600
Honeywell/ITEC F125 turbofan F-CK-1 0.8[16] 22.7 4500 44100
PW J52-P-408 turbojet A-4M/N, TA-4KU, EA-6B 0.79 22.4 4560 44700
Saturn AL-41F-1S turbofan Su-35S/T-10BM 0.79 22.4 4560 44700
Snecma M88-2 turbofan 1989 Rafale 0.782 22.14 4600 45100
Klimov RD-33 turbofan 1974 MiG-29 0.77 21.8 4680 45800
RR Pegasus 11-61 turbofan AV-8B+ 0.76 21.5 4740 46500
Eurojet EJ200 turbofan 1991 Eurofighter 0.74–0.81 21–23[18] 4400–4900 44000–48000
GE F414-GE-400 turbofan 1993 F/A-18E/F 0.724[19] 20.5 4970 48800
Kuznetsov NK-32 turbofan 1980 Tu-144LL, Tu-160 0.72-0.73 20–21 4900–5000 48000–49000
Soloviev D-30F6 turbofan MiG-31, S-37/Su-47 0.716[16] 20.3 5030 49300
Snecma Larzac turbofan 1972 Alpha Jet 0.716 20.3 5030 49300
IHI F3 turbofan 1981 Kawasaki T-4 0.7 19.8 5140 50400
Saturn AL-31F turbofan Su-27 /P/K 0.666-0.78[17][19] 18.9–22.1 4620–5410 45300–53000
RR Spey RB.168 turbofan AMX 0.66[16] 18.7 5450 53500
GE F110-GE-129 turbofan F-16C/D, F-15 0.64[19] 18 5600 55000
GE F110-GE-132 turbofan F-16E/F 0.64[19] 18 5600 55000
Turbo-Union RB.199 turbofan Tornado ECR 0.637[16] 18.0 5650 55400
PW F119-PW-100 turbofan 1992 F-22 0.61[19] 17.3 5900 57900
Turbo-Union RB.199 turbofan Tornado 0.598[16] 16.9 6020 59000
GE F101-GE-102 turbofan 1970s B-1B 0.562 15.9 6410 62800
PW TF33-P-3 turbofan B-52H, NB-52H 0.52[16] 14.7 6920 67900
RR AE 3007H turbofan RQ-4, MQ-4C 0.39[16] 11.0 9200 91000
GE F118-GE-100 turbofan 1980s B-2 0.375[16] 10.6 9600 94000
GE F118-GE-101 turbofan 1980s U-2S 0.375[16] 10.6 9600 94000
General Electric CF6-50C2 turbofan A300, DC-10-30 0.371[16] 10.5 9700 95000
GE TF34-GE-100 turbofan A-10 0.37[16] 10.5 9700 95000
CFM CFM56-2B1 turbofan C-135, RC-135 0.36[20] 10 10000 98000
Progress D-18T turbofan 1980 An-124, An-225 0.345 9.8 10400 102000
PW F117-PW-100 turbofan C-17 0.34[21] 9.6 10600 104000
PW PW2040 turbofan Boeing 757 0.33[21] 9.3 10900 107000
CFM CFM56-3C1 turbofan 737 Classic 0.33 9.3 11000 110000
GE CF6-80C2 turbofan 744, 767, MD-11, A300/310, C-5M 0.307-0.344 8.7–9.7 10500–11700 103000–115000
EA GP7270 turbofan A380-861 0.299[19] 8.5 12000 118000
GE GE90-85B turbofan 777-200/200ER/300 0.298[19] 8.44 12080 118500
GE GE90-94B turbofan 777-200/200ER/300 0.2974[19] 8.42 12100 118700
RR Trent 970-84 turbofan 2003 A380-841 0.295[19] 8.36 12200 119700
GE GEnx-1B70 turbofan 787-8 0.2845[19] 8.06 12650 124100
RR Trent 1000C turbofan 2006 787-9 0.273[19] 7.7 13200 129000
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
Ramjet Mach 1 4.5 130 800 7800
J-58 turbojet 1958 SR-71 at Mach 3.2 (Reheat) 1.9[16] 53.8 1895 18580
RR/Snecma Olympus turbojet 1966 Concorde at Mach 2 1.195[22] 33.8 3010 29500
PW JT8D-9 turbofan 737 Original 0.8[23] 22.7 4500 44100
Honeywell ALF502R-5 GTF BAe 146 0.72[21] 20.4 5000 49000
Soloviev D-30KP-2 turbofan Il-76, Il-78 0.715 20.3 5030 49400
Soloviev D-30KU-154 turbofan Tu-154M 0.705 20.0 5110 50100
RR Tay RB.183 turbofan 1984 Fokker 70, Fokker 100 0.69 19.5 5220 51200
GE CF34-3 turbofan 1982 Challenger, CRJ100/200 0.69 19.5 5220 51200
GE CF34-8E turbofan E170/175 0.68 19.3 5290 51900
Honeywell TFE731-60 GTF Falcon 900 0.679[24] 19.2 5300 52000
CFM CFM56-2C1 turbofan DC-8 Super 70 0.671[21] 19.0 5370 52600
GE CF34-8C turbofan CRJ700/900/1000 0.67-0.68 19–19 5300–5400 52000–53000
CFM CFM56-3C1 turbofan 737 Classic 0.667 18.9 5400 52900
CFM CFM56-2A2 turbofan 1974 E-3, E-6 0.66[20] 18.7 5450 53500
RR BR725 turbofan 2008 G650/ER 0.657 18.6 5480 53700
CFM CFM56-2B1 turbofan C-135, RC-135 0.65[20] 18.4 5540 54300
GE CF34-10A turbofan ARJ21 0.65 18.4 5540 54300
CFE CFE738-1-1B turbofan 1990 Falcon 2000 0.645[21] 18.3 5580 54700
RR BR710 turbofan 1995 G. V/G550, Global Express 0.64 18 5600 55000
GE CF34-10E turbofan E190/195 0.64 18 5600 55000
General Electric CF6-50C2 turbofan A300B2/B4/C4/F4, DC-10-30 0.63[21] 17.8 5710 56000
PowerJet SaM146 turbofan Superjet LR 0.629 17.8 5720 56100
CFM CFM56-7B24 turbofan 737 NG 0.627[21] 17.8 5740 56300
RR BR715 turbofan 1997 717 0.62 17.6 5810 56900
GE CF6-80C2-B1F turbofan 747-400 0.605[22] 17.1 5950 58400
CFM CFM56-5A1 turbofan A320 0.596 16.9 6040 59200
Aviadvigatel PS-90A1 turbofan Il-96-400 0.595 16.9 6050 59300
PW PW2040 turbofan 757-200 0.582[21] 16.5 6190 60700
PW PW4098 turbofan 777-300 0.581[21] 16.5 6200 60800
GE CF6-80C2-B2 turbofan 767 0.576[21] 16.3 6250 61300
IAE V2525-D5 turbofan MD-90 0.574[25] 16.3 6270 61500
IAE V2533-A5 turbofan A321-231 0.574[25] 16.3 6270 61500
RR Trent 700 turbofan 1992 A330 0.562[26] 15.9 6410 62800
RR Trent 800 turbofan 1993 777-200/200ER/300 0.560[26] 15.9 6430 63000
Progress D-18T turbofan 1980 An-124, An-225 0.546 15.5 6590 64700
CFM CFM56-5B4 turbofan A320-214 0.545 15.4 6610 64800
CFM CFM56-5C2 turbofan A340-211 0.545 15.4 6610 64800
RR Trent 500 turbofan 1999 A340-500/600 0.542[26] 15.4 6640 65100
CFM LEAP-1B turbofan 2014 737 MAX 0.53-0.56 15–16 6400–6800 63000–67000
Aviadvigatel PD-14 turbofan 2014 MC-21-310 0.526 14.9 6840 67100
RR Trent 900 turbofan 2003 A380 0.522[26] 14.8 6900 67600
GE GE90-85B turbofan 777-200/200ER 0.52[21][27] 14.7 6920 67900
GE GEnx-1B76 turbofan 2006 787-10 0.512[23] 14.5 7030 69000
PW PW1400G GTF MC-21 0.51[28] 14.4 7100 69000
CFM LEAP-1C turbofan 2013 C919 0.51 14.4 7100 69000
CFM LEAP-1A turbofan 2013 A320neo family 0.51[28] 14.4 7100 69000
RR Trent 7000 turbofan 2015 A330neo 0.506[a] 14.3 7110 69800
RR Trent 1000 turbofan 2006 787 0.506[b] 14.3 7110 69800
RR Trent XWB-97 turbofan 2014 A350-1000 0.478[c] 13.5 7530 73900
PW 1127G GTF 2012 A320neo 0.463[23] 13.1 7780 76300
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 дали 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 развивать 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. ^ Перейти обратно: 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. ^ Перейти обратно: а б «Фланкер» . Международный журнал AIR . 23 марта 2017 г.
  18. ^ Перейти обратно: а б «Турбовентиляторный двигатель EJ200» (PDF) . МТУ Аэро Двигатели. Апрель 2016.
  19. ^ Перейти обратно: 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. ^ Перейти обратно: а б с Элоди Ру (2007). «Турбовентиляторные и турбореактивные двигатели: Справочник по базе данных» (PDF) . п. 126. ИСБН  9782952938013 .
  21. ^ Перейти обратно: 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. ^ Перейти обратно: а б Илан Кроо. «Сведения о больших турбовентиляторных двигателях» . Проектирование самолетов: синтез и анализ . Стэнфордский университет. Архивировано из оригинала 11 января 2017 года.
  23. ^ Перейти обратно: 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. ^ Перейти обратно: а б Ллойд Р. Дженкинсон и др. (30 июля 1999 г.). «Проектирование гражданских реактивных самолетов: файл данных двигателя» . Эльзевир/Баттерворт-Хайнеманн.
  26. ^ Перейти обратно: 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. ^ Перейти обратно: 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 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 №: eb55e4c5a40d7437bc5c567b9a53fa50__1722191040
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/eb/50/eb55e4c5a40d7437bc5c567b9a53fa50.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.)