Impulso Específico (SP) é uma medida de quão eficientemente um foguete ou motor usa combustível. Por definição, este é o surto total entregue por unidade de energia consumida e é equivalente em tamanho ao empuxo gerado dividido pelo fluxo de massa. Se quilogramas são usados como unidade de propelente, então o impulso específico é medido em termos de velocidade. Se for usado um peso em newtons ou libras-força, então o valor específico é expresso em termos de tempo, mais comumente em segundos.
Multiplicando a velocidade do fluxo pela gravidade padrão converte o IG em massa.
Equação de Tsiolkovsky
O impulso específico de um motor de maior massa é usado de forma mais eficiente para gerar impulso para a frente. E no caso em que um foguete é usado, é necessário menos combustível. É ele quem é necessário para este delta-v. De acordo com a equaçãoTsiolkovsky, no impulso específico de um motor de foguete, o motor é mais eficiente em escalada, distância e velocidade. Este desempenho é menos importante em modelos reativos. Que usam asas e ar externo para combustão. E carregue uma carga muito mais pesada que o combustível.
O impulso específico inclui o movimento gerado pelo ar externo usado para combustão e esgotado pelo combustível usado. Os motores a jato usam a atmosfera externa para isso. E, portanto, eles têm uma interface de usuário muito maior do que os motores de foguete. Este conceito, do ponto de vista da massa de combustível consumida, possui unidades de medida de distância ao longo do tempo. Que são um valor artificial chamado "velocidade efetiva dos gases de escape". Isso é maior do que a velocidade real de exaustão. Porque a massa de ar para combustão não é levada em consideração. A velocidade de exaustão real e efetiva é a mesma em motores de foguete que não usam ar ou água, por exemplo.
Considerações Gerais
A quantidade de combustível é geralmente medida em unidades de massa. Se for usado, então o impulso específico é o impulso por EM, que, como mostrado pela análise de tamanho, tem unidades de velocidade. E, portanto, a interface do usuário geralmente é medida em metros por segundo. E muitas vezes referido como a velocidade efetiva do escape. No entanto, se a massa for usada, o impulso específico do combustível dividido pela força acaba sendo uma unidade de tempo. E, assim, os empurrões específicos são medidos em segundos.
É esta regra que é a principal no mundo moderno, amplamente utilizada comcoeficiente r0 (constante da aceleração gravitacional na superfície da Terra).
Vale a pena notar que a taxa de variação do impulso do foguete (incluindo seu combustível) por unidade de tempo é igual ao impulso de empuxo específico.
Especificidades
Quanto maior o impulso, menos combustível é necessário para gerar um determinado impulso por um determinado período de tempo. A este respeito, o líquido é mais eficaz, quanto maior a sua IU. No entanto, isso não deve ser confundido com eficiência energética, que pode diminuir com o aumento do empuxo, pois o impulso específico do motor, que dá resultados altos, requer muita energia para isso.
Além disso, é importante distinguir e não confundir um pull com um push específico. A interface do usuário é criada por unidade de combustível consumida. E o impulso é a força instantânea ou de pico que é gerada por um dispositivo específico. Em muitos casos, sistemas de propulsão de impulso específico muito alto - algumas instalações de íons atingem 10.000 segundos - produzem baixo empuxo.
No cálculo do empuxo, apenas é levado em consideração o combustível que é transportado com o veículo antes do uso. Portanto, para um químico de foguetes, a massa incluirá tanto o propelente quanto o oxidante. Para motores de ar, apenas a quantidade de líquido é levada em consideração, não a massa de ar que passa pelo motor.
O arrasto atmosférico e a incapacidade da planta de manter alto impulso específico em altas taxas de queima é precisamente a razão pela qual todo o combustível não está sendo usado o mais rápido possível.
Pesadoum motor com boa IM pode não ser tão eficaz na escalada, distância ou velocidade quanto um instrumento leve com baixo desempenho
Se não fosse pela resistência do ar e redução do consumo de combustível durante o vôo, MI seria uma medida direta da eficiência de um motor na conversão de massa em propulsão para frente.
Impulso específico em segundos
A unidade mais comum para um push em particular é Hs. Tanto no contexto do SI como nos casos em que são utilizados valores imperiais ou convencionais. A vantagem dos segundos é que a unidade de medida e o valor numérico são os mesmos para todos os sistemas e são essencialmente universais. Quase todos os fabricantes listam o desempenho do motor em segundos. E tal dispositivo também é útil para determinar as especificidades de um dispositivo de aeronave.
Usar metros por segundo para encontrar a velocidade efetiva de exaustão também é bastante comum. Este bloco é intuitivo ao descrever motores de foguete, embora a velocidade efetiva de exaustão dos dispositivos possa diferir significativamente da real. Isso provavelmente ocorre devido ao combustível e ao oxidante serem despejados ao mar depois que as turbobombas são ligadas. Para motores a jato que respiram ar, a velocidade efetiva de exaustão não tem significado físico. Embora possa ser usado para fins de comparação.
Unidades
Valores expressos em Ns (em quilogramas) não são incomuns e numericamente iguais à velocidade efetiva de exaustão em m/s (da segunda lei de Newton e suadefinições).
Outra unidade equivalente é o consumo específico de combustível. Tem unidades de medida como g (kN s) ou lb/h. Qualquer uma dessas unidades é inversamente proporcional ao impulso específico. E o consumo de combustível é amplamente utilizado para descrever o desempenho dos motores a jato.
Definição geral
Para todos os veículos, o impulso específico (empurrão por unidade de peso de combustível na Terra) em segundos pode ser determinado pela seguinte equação.
Para esclarecer a situação, é importante esclarecer que:
- F é a força padrão da gravidade, que é nominalmente indicada como a potência na superfície da Terra, em m/s 2 (ou ft/s ao quadrado).
- g é a vazão mássica em kg/s, que parece negativa em relação à taxa de variação da massa do veículo ao longo do tempo (à medida que o combustível é expelido).
Medição
A unidade inglesa, a libra, é mais comumente usada do que outras unidades. E também ao aplicar esse valor por segundo para a vazão, ao converter, a constante r 0 se torna desnecessária. À medida que se torna dimensionalmente equivalente a libras divididas por g 0.
I sp em segundos é o tempo pelo qual o dispositivo pode gerar um impulso específico de empuxo de um motor de foguete, dada uma quantidade de propelente cujo peso é igual ao empuxo.
A vantagem deste texto é que ele pode ser usado parafoguetes, onde toda a massa de reação é transportada a bordo, bem como para aeronaves, onde a maior parte da massa de reação é retirada da atmosfera. Além disso, fornece um resultado independente das unidades usadas.
Impulso específico como velocidade (velocidade de exaustão efetiva)
Por causa do fator geocêntrico g 0 na equação, muitos preferem definir o empuxo do foguete (em particular) em termos de empuxo por unidade de massa de fluxo de combustível. Esta é uma maneira igualmente válida (e de certa forma um pouco mais simples) de determinar a eficiência de impulso específica de um propelente. Se considerarmos outras opções, a situação será quase a mesma em todos os lugares. Foguetes de um determinado impulso específico são simplesmente a velocidade efetiva de exaustão em relação ao dispositivo. Os dois atributos de um push específico são proporcionais entre si e estão relacionados da seguinte forma.
Para usar a fórmula, você precisa entender que:
- I - impulso específico em segundos.
- v - empurrar, medido em m/s. Que é igual à velocidade efetiva de exaustão, medida em m/s (ou pés/s, dependendo do valor de g).
- g é o padrão de gravidade, 9,80665 m/s 2. Em unidades imperiais 32,174 pés/s 2.
Esta equação também se aplica a motores a jato, mas raramente é usada na prática.
Observe que às vezes são usados caracteres diferentes. Por exemplo, c também é considerado para a velocidade de exaustão. Enquanto o símbolosp pode logicamente ser usado para UI em unidades de N s/kg. Para evitar confusão, convém reservá-lo para um valor específico, medido em segundos antes do início da descrição.
Isso está relacionado ao empuxo ou força de movimento do impulso específico do motor do foguete, a fórmula.
Aqui m é o consumo de combustível em massa, que é a taxa de diminuição na magnitude do veículo.
Minimização
O foguete deve carregar todo o seu propelente. Portanto, a massa de alimentos não queimados deve ser acelerada junto com o próprio aparelho. Minimizar a quantidade de combustível necessária para atingir um determinado empuxo é fundamental para construir foguetes eficientes.
A fórmula do impulso específico de Tsiolkovsky mostra que para um foguete com uma dada massa vazia e uma certa quantidade de combustível, a mudança total na velocidade pode ser alcançada em proporção à velocidade efetiva do escapamento.
Uma espaçonave sem hélice se move em uma órbita determinada por sua trajetória e qualquer campo gravitacional. Desvios do padrão de velocidade correspondente (chamado Δv) são alcançados empurrando a massa de gás de exaustão na direção oposta da mudança desejada.
Velocidade real versus velocidade efetiva
Aqui vale a pena notar que esses dois conceitos podem diferir significativamente. Por exemplo, quando um foguete é lançado na atmosfera, a pressão do ar fora do motor causaforça de frenagem. O que reduz o impulso específico e a velocidade de exaustão efetiva é reduzida, enquanto a velocidade real permanece praticamente in alterada. Além disso, às vezes os motores de foguete têm um bico separado para o gás da turbina. O cálculo da velocidade efetiva de exaustão requer então a média dos dois fluxos de massa, bem como levar em consideração qualquer pressão atmosférica.
Aumento da eficiência
Para motores a jato de ar, em particular turbofans, a velocidade real de exaustão e a velocidade efetiva diferem em várias ordens de magnitude. Isso se deve ao fato de que, ao usar o ar como massa de reação, um momento adicional significativo é alcançado. Isso permite uma melhor correspondência entre a velocidade do ar e a velocidade de exaustão, o que economiza energia e combustível. E aumenta significativamente o componente efetivo enquanto reduz a velocidade real.
Eficiência Energética
Para foguetes e motores semelhantes a foguetes, como modelos de íons, sp implica menor eficiência energética.
Nesta fórmula, v e é a velocidade real do jato.
Portanto, a força necessária é proporcional a cada velocidade de exaustão. Em velocidades mais altas, muito mais potência é necessária para o mesmo impulso, resultando em menos eficiência energética em uma unidade.
No entanto, a energia total para uma missão depende do consumo total de combustível, bem como da quantidade de energia necessária por unidade. Para baixa velocidade de exaustãoem relação à missão delta-v, são necessárias grandes quantidades de massa de reação. Na verdade, por esta razão, uma velocidade de exaustão muito baixa não é energeticamente eficiente. Mas acontece que nenhum tipo tem as pontuações mais altas.
Variável
Teoricamente, para um determinado delta-v, no espaço, entre todos os valores fixos de velocidade de exaustão, ve=0,6275 é o mais eficiente energeticamente para uma determinada massa final. Para saber mais, você pode ver a energia no aparelho de propulsão da espaçonave.
No entanto, taxas de exaustão variáveis podem ser ainda mais eficientes em termos energéticos. Por exemplo, se um foguete é acelerado em alguma velocidade inicial positiva usando uma velocidade de exaustão que é igual à velocidade do produto, nenhuma energia é perdida como componente cinético da massa de reação. À medida que se torna estacionário.
