Specific Impulse (SP) הוא מדד למידת היעילות של רקטה או מנוע משתמש בדלק. בהגדרה, זהו הגל הכולל הנמסר ליחידת הספק הנצרכת והוא שווה ערך בגודלו לדחף שנוצר חלקי זרימת המסה. אם משתמשים בקילוגרמים כיחידת ההנעה, אזי הדחף הספציפי נמדד במונחים של מהירות. אם במקום זאת משתמשים במשקל בניוטון או בכוח של פאונד, אז הערך הספציפי מבוטא במונחים של זמן, לרוב בשניות.
כפל מהירות הזרימה בכוח הכבידה הסטנדרטי הופך את ה-GI למסה.
משוואת ציולקובסקי
הדחף הספציפי של מנוע בעל מסה גבוהה יותר משמש ביעילות רבה יותר ליצירת דחף קדימה. ובמקרה שבו נעשה שימוש ברקטה, נדרש פחות דלק. הוא זה שנחוץ לדלתא-וו הזה. לפי המשוואהציולקובסקי, בדחף הספציפי של מנוע רקטי, המנוע יעיל יותר בטיפוס, במרחק ובמהירות. ביצועים אלה פחות חשובים במודלים ריאקטיביים. המשתמשים בכנפיים ובאוויר בחוץ לבעירה. ולשאת מטען שהוא הרבה יותר כבד מדלק.
דחף ספציפי כולל תנועה שנוצרת על ידי אוויר חיצוני המשמש לבעירה ומתרוקן על ידי דלק מבוזבז. מנועי סילון משתמשים באווירה החיצונית לשם כך. ולכן יש להם ממשק משתמש גבוה בהרבה ממנועי רקטות. למושג זה, מנקודת המבט של מסת הדלק הנצרכת, יש יחידות מדידה של מרחק לאורך זמן. שהם ערך מלאכותי הנקרא "מהירות גז פליטה יעילה". זה גבוה ממהירות הפליטה בפועל. כי מסת האוויר לבעירה לא נלקחת בחשבון. מהירות הפליטה בפועל ויעילה זהה במנועי רקטות שאינם משתמשים באוויר או במים למשל.
שיקולים כלליים
כמות הדלק נמדדת בדרך כלל ביחידות מסה. אם הוא משמש, אז הדחף הספציפי הוא הדחף לכל EM, שכפי שמוצג על ידי ניתוח הגודל, יש יחידות מהירות. ולכן ממשק המשתמש נמדד לעתים קרובות במטרים לשנייה. ולעתים קרובות מכונה המהירות האפקטיבית של הפליטה. עם זאת, אם משתמשים במסה, הדחף הספציפי של הדלק חלקי הכוח מתברר כיחידת זמן. ולכן דחיפות ספציפיות נמדדות בשניות.
כלל זה הוא העיקרי בעולם המודרני, בשימוש נרחב עםמקדם r0 (קבוע של תאוצת כבידה על פני כדור הארץ).
ראוי לציין שקצב השינוי של דחף הרקטה (כולל הדלק שלה) ליחידת זמן שווה לדחף הדחף הספציפי.
Specifics
ככל שהדחיפה גבוהה יותר, דרוש פחות דלק ליצירת דחף נתון למשך פרק זמן מסוים. בהקשר זה, הנוזל יעיל יותר, ככל שממשק המשתמש שלו גדול יותר. עם זאת, אין לבלבל את זה עם יעילות אנרגטית, שעלולה לרדת עם הגדלת הדחף, שכן הדחף הספציפי של המנוע, שנותן תוצאות גבוהות, דורש הרבה אנרגיה כדי לעשות זאת.
כמו כן, חשוב להבחין ולא לבלבל משיכה עם דחיפה ספציפית. ממשק המשתמש נוצר ליחידת דלק שנצרכה. ודחף הוא הכוח המיידי או השיא שנוצר על ידי מכשיר מסוים. במקרים רבים, מערכות הנעה עם דחף ספציפי גבוה מאוד - חלק מהמתקנים יונים מגיעים ל-10,000 שניות - מייצרות דחף נמוך.
בחישוב הדחיפה, נלקח בחשבון רק הדלק שנושא עם הרכב לפני השימוש. לכן, עבור כימאי רקטות, המסה תכלול גם את המניע וגם את המחמצן. עבור מנועים נושמים, נלקחת בחשבון רק כמות הנוזל, לא מסת האוויר העוברת במנוע.
גרר אטמוספרי וחוסר היכולת של המפעל לשמור על דחף ספציפי גבוה בקצבי צריבה גבוהים היא בדיוק הסיבה לכך שלא נעשה שימוש בכל הדלק במהירות האפשרית.
כבד יותרמנוע עם MI טוב עשוי שלא להיות יעיל בטיפוס, מרחק או מהירות כמו מכשיר קל עם ביצועים גרועים
לולא התנגדות אוויר וצריכת דלק מופחתת במהלך הטיסה, MI היה מדד ישיר ליעילות המנוע בהמרת מסה להנעה קדימה.
דחף ספציפי בשניות
היחידה הנפוצה ביותר עבור דחיפה מסוימת היא Hs. הן בהקשר של SI והן במקרים בהם נעשה שימוש בערכים אימפריאליים או קונבנציונליים. היתרון של שניות הוא שיחידת המידה והערך המספרי זהים עבור כל המערכות ובעצם הם אוניברסליים. כמעט כל היצרנים מפרטים את ביצועי המנוע שלהם בשניות. ומכשיר כזה שימושי גם לקביעת הפרטים של מכשיר מטוס.
שימוש במטרים לשנייה כדי למצוא את מהירות הפליטה האפקטיבית הוא גם נפוץ למדי. בלוק זה הוא אינטואיטיבי כאשר מתארים מנועי רקטות, אם כי מהירות הפליטה האפקטיבית של המכשירים עשויה להיות שונה משמעותית מזו האמיתית. ככל הנראה זה נובע מהזרקת הדלק והמחמצן מעל הסיפון לאחר הפעלת משאבות הטורבו. עבור מנועי סילון נושמים אוויר, למהירות הפליטה האפקטיבית אין משמעות פיזית. למרות שניתן להשתמש בו למטרות השוואה.
Units
ערכים המבוטאים ב-Ns (בקילוגרמים) אינם נדירים ושווים מבחינה מספרית למהירות הפליטה האפקטיבית ב-m/s (מתוך החוק השני של ניוטון ושלוהגדרות).
יחידה מקבילה נוספת היא צריכת דלק ספציפית. יש לו יחידות מידה כגון g (kN s) או lb/hr. כל אחת מהיחידות הללו עומדת ביחס הפוך לדחף הספציפי. וצריכת הדלק נמצאת בשימוש נרחב כדי לתאר את הביצועים של מנועי סילון.
הגדרה כללית
עבור כל כלי הרכב, ניתן לקבוע את הדחף הספציפי (דחיפה ליחידת משקל של דלק על פני כדור הארץ) בשניות באמצעות המשוואה הבאה.
כדי להבהיר את המצב, חשוב להבהיר ש:
- F הוא כוח הכבידה הסטנדרטי, הנאמר באופן נומינלי ככוח על פני כדור הארץ, ב-m/s 2 (או ft/s בריבוע).
- g הוא קצב זרימת המסה בק"ג/שניות, שנראה שלילי ביחס לקצב השינוי של מסת הרכב לאורך זמן (כשהדלק נדחק החוצה).
מדידה
היחידה האנגלית, הפאונד, נמצאת בשימוש נפוץ יותר מיחידות אחרות. וגם כאשר מיישמים ערך זה לשנייה עבור קצב הזרימה, בעת המרה, הקבוע r 0 הופך למיותר. כפי שהוא הופך שווה ערך מבחינה מימדית לפאונד חלקי g 0.
I sp בשניות הוא הזמן שבו המכשיר יכול ליצור דחף ספציפי של דחף של מנוע רקטי, בהינתן כמות חומר הנעה שמשקלו שווה לדחף.
היתרון של ניסוח זה הוא שניתן להשתמש בורקטות, שבהן כל מסת התגובה מועברת על הסיפון, וכן עבור מטוסים, שבהם רוב מסת התגובה נלקחת מהאטמוספרה. כמו כן, הוא נותן תוצאה שאינה תלויה ביחידות בשימוש.
דחף ספציפי כמהירות (מהירות פליטה יעילה)
בגלל הגורם הגיאוצנטרי g 0 במשוואה, רבים מעדיפים להגדיר דחף רקטי (בפרט) במונחים של דחף ליחידת מסה של זרימת דלק. זוהי דרך תקפה באותה מידה (ובמובנים מסוימים מעט יותר פשוטה) לקבוע את יעילות הדחף הספציפית של חומר הנעה. אם נשקול אפשרויות אחרות, המצב יהיה כמעט בכל מקום זהה. רקטות של דחף ספציפי מסוים הן פשוט מהירות הפליטה האפקטיבית ביחס למכשיר. שתי התכונות של דחיפה מסוימת הן פרופורציונליות זו לזו והן קשורות באופן הבא.
כדי להשתמש בנוסחה, עליך להבין ש:
- I - דחף ספציפי בשניות.
- v - דחיפה, נמדד ב-m/s. שהוא שווה למהירות הפליטה האפקטיבית, נמדדת ב-m/s (או ft/s, תלוי בערך g).
- g הוא תקן הכבידה, 9.80665 m/s 2. ביחידות אימפריאליות 32.174 ft/s 2.
משוואה זו חלה גם על מנועי סילון, אך לעתים רחוקות משתמשים בה בפועל.
שים לב שלפעמים נעשה שימוש בתווים שונים. לדוגמה, c נחשב גם למהירות הפליטה. בעוד הסמלבאופן הגיוני ניתן להשתמש sp עבור ממשק המשתמש ביחידות של N s/kg. כדי למנוע בלבול, רצוי לשמור אותו לערך מסוים, הנמדד בשניות לפני תחילת התיאור.
זה קשור לדחף או לכוח התנועה של הדחף הספציפי של מנוע הרקטה, הנוסחה.
כאן m היא צריכת הדלק המונית, שהיא קצב הירידה בגודל הרכב.
Minimization
הרקטה חייבת לשאת את כל חומרי ההנעה שלה. לכן, יש להאיץ את מסת המזון שלא נשרף יחד עם המכשיר עצמו. צמצום כמות הדלק הדרושה להשגת דחף נתון הוא קריטי לבניית רקטות יעילות.
נוסחת הדחף הספציפית של ציולקובסקי מראה כי עבור רקטה עם מסה ריקה נתונה וכמות מסוימת של דלק, ניתן להשיג את השינוי הכולל במהירות ביחס למהירות האפקטיבית של הפליטה.
חללית ללא מדחף נעה במסלול שנקבע לפי המסלול שלה וכל שדה כבידה. סטיות מתבנית המהירות המקבילה (המכונה Δv) מושגות על ידי דחיפת מסת גז הפליטה בכיוון ההפוך לשינוי הרצוי.
מהירות בפועל לעומת מהירות יעילה
כאן ראוי לציין ששני המושגים הללו יכולים להיות שונים באופן משמעותי. לדוגמה, כאשר רקטה משוגרת באטמוספירה, לחץ האוויר מחוץ למנוע גורםכוח בלימה. מה שמפחית את הדחף הספציפי ומהירות הפליטה האפקטיבית מופחתת, בעוד שהמהירות בפועל נשארת כמעט ללא שינוי. בנוסף, לפעמים למנועי רקטות יש זרבובית נפרדת לגז טורבינה. החישוב של מהירות הפליטה האפקטיבית מצריך אם כן ממוצע של שתי זרימות המסה וכן לקחת בחשבון כל לחץ אטמוספרי.
הגברת היעילות
עבור מנועי סילון בנשימה אוויר, במיוחד טורבומאני, מהירות הפליטה בפועל והמהירות האפקטיבית שונות במספר סדרי גודל. זאת בשל העובדה שכאשר משתמשים באוויר כמסת התגובה, מושגת תנופה משמעותית נוספת. זה מאפשר התאמה טובה יותר בין מהירות האוויר למהירות הפליטה, מה שחוסך באנרגיה ובדלק. ומגדיל משמעותית את הרכיב היעיל תוך הפחתת המהירות בפועל.
Energy Efficiency
עבור רקטות ומנועים דמויי רקטות כמו דגמי יונים, sp מרמז על יעילות אנרגטית נמוכה יותר.
בנוסחה זו, v e היא מהירות הסילון בפועל.
לכן הכוח הנדרש הוא פרופורציונלי לכל מהירות פליטה. במהירויות גבוהות יותר, נדרש הרבה יותר כוח עבור אותו דחף, וכתוצאה מכך פחות יעילות אנרגטית ביחידה אחת.
עם זאת, האנרגיה הכוללת למשימה תלויה בצריכת הדלק הכוללת וכן בכמות האנרגיה הדרושה ליחידה. למהירות פליטה נמוכהלגבי משימת delta-v, יש צורך בכמויות אדירות של מסת תגובה. למעשה, מסיבה זו, מהירות פליטה נמוכה מאוד אינה חסכונית באנרגיה. אבל מסתבר שלאף טיפוס יש את הציונים הגבוהים ביותר.
משתנה
באופן תיאורטי, עבור דלתא-v נתון, בחלל, מבין כל ערכי מהירות הפליטה הקבועים, ve=0.6275 הוא היעיל ביותר באנרגיה עבור מסה סופית נתונה. למידע נוסף, תוכל לצפות באנרגיה במנגנון ההנעה של החללית.
עם זאת, שיעורי פליטה משתנים יכולים להיות אפילו יותר יעילים באנרגיה. לדוגמה, אם רקטה מואצת במהירות התחלתית חיובית כלשהי באמצעות מהירות פליטה ששווה למהירות התוצר, לא אובדת אנרגיה כמרכיב קינטי של מסת התגובה. כשהיא הופכת נייחת.
