El impulso específico (SP) es una medida de la eficiencia con la que un cohete o motor utiliza el combustible. Por definición, esta es la sobretensión total entregada por unidad de energía consumida y es equivalente en tamaño al empuje generado dividido por el flujo másico. Si se utilizan kilogramos como unidad de propulsor, entonces el impulso específico se mide en términos de velocidad. Si en su lugar se utiliza un peso en newtons o libras-fuerza, entonces el valor específico se expresa en términos de tiempo, generalmente en segundos.
Multiplicar la velocidad del flujo por la gravedad estándar convierte el GI en masa.
Ecuación de Tsiolkovsky
El impulso específico de un motor de mayor masa se usa de manera más eficiente para generar empuje hacia adelante. Y en el caso de que se utilice un cohete, se requiere menos combustible. Es él quien se necesita para este delta-v. Según la ecuaciónTsiolkovsky, en el impulso específico de un motor cohete, el motor es más eficiente en ascenso, distancia y velocidad. Este rendimiento es menos importante en los modelos reactivos. Que utilizan las alas y el aire exterior para la combustión. Y llevar una carga mucho más pesada que el combustible.
El impulso específico incluye el movimiento generado por el aire exterior utilizado para la combustión y agotado por el combustible gastado. Los motores a reacción utilizan la atmósfera exterior para esto. Y, por lo tanto, tienen una interfaz de usuario mucho más alta que los motores de cohetes. Este concepto, desde el punto de vista de la masa de combustible consumida, tiene unidades de medida de distancia en el tiempo. Que son un valor artificial llamado "velocidad efectiva de los gases de escape". Esto es más alto que la velocidad de escape real. Porque no se tiene en cuenta la masa de aire para la combustión. La velocidad de escape real y efectiva son las mismas en los motores de cohetes que no usan aire o agua, por ejemplo.
Consideraciones generales
La cantidad de combustible se suele medir en unidades de masa. Si se usa, entonces el impulso específico es el impulso por EM, que, como lo muestra el análisis de tamaño, tiene unidades de velocidad. Y así, la interfaz de usuario a menudo se mide en metros por segundo. Y a menudo referido como la velocidad efectiva del escape. Sin embargo, si se usa la masa, el impulso específico del combustible dividido por la fuerza resulta ser una unidad de tiempo. Y así, los empujones específicos se miden en segundos.
Esta regla es la principal en el mundo moderno, ampliamente utilizada concoeficiente r0 (constante de aceleración gravitacional en la superficie terrestre).
Vale la pena señalar que la tasa de cambio del impulso del cohete (incluido su combustible) por unidad de tiempo es igual al impulso de empuje específico.
Especificaciones
Cuanto mayor sea el empuje, menos combustible se requiere para generar un empuje determinado durante un cierto período de tiempo. En este sentido, el líquido es más eficaz, cuanto mayor sea su interfaz de usuario. Sin embargo, esto no debe confundirse con la eficiencia energética, que puede disminuir al aumentar el empuje, ya que el impulso específico del motor, que da resultados altos, requiere mucha energía para lograrlo.
Además, es importante distinguir y no confundir un tirón con un empujón específico. La interfaz de usuario se crea por unidad de combustible consumido. Y el empuje es la fuerza instantánea o máxima que genera un dispositivo en particular. En muchos casos, los sistemas de propulsión de impulsos específicos muy altos (algunas instalaciones iónicas alcanzan los 10.000 segundos) producen un empuje bajo.
Al calcular el empuje, solo se tiene en cuenta el combustible que lleva el vehículo antes de su uso. Por lo tanto, para un químico de cohetes, la masa incluirá tanto el propulsor como el oxidante. Para los motores con respiración de aire, solo se tiene en cuenta la cantidad de líquido, no la masa de aire que pasa por el motor.
La resistencia atmosférica y la incapacidad de la planta para mantener un alto impulso específico a altas tasas de combustión es precisamente la razón por la que no se usa todo el combustible lo más rápido posible.
Más pesadoun motor con un buen MI puede no ser tan efectivo en escalada, distancia o velocidad como un instrumento ligero con bajo rendimiento
Si no fuera por la resistencia del aire y la reducción del consumo de combustible durante el vuelo, el MI sería una medida directa de la eficiencia de un motor para convertir la masa en propulsión hacia adelante.
Impulso específico en segundos
La unidad más común para un empujón en particular es Hs. Tanto en el contexto del SI como en los casos en que se utilicen valores imperiales o convencionales. La ventaja de los segundos es que la unidad de medida y el valor numérico son los mismos para todos los sistemas y son esencialmente universales. Casi todos los fabricantes enumeran el rendimiento de su motor en segundos. Y dicho dispositivo también es útil para determinar las características específicas de un dispositivo de avión.
Usar metros por segundo para encontrar la velocidad de escape efectiva también es bastante común. Este bloque es intuitivo cuando se describen motores de cohetes, aunque la velocidad de escape efectiva de los dispositivos puede diferir significativamente de la real. Lo más probable es que esto se deba a que el combustible y el oxidante se vierten por la borda después de encender las turbobombas. Para los motores a reacción que respiran aire, la velocidad de escape efectiva no tiene significado físico. Aunque puede usarse con fines comparativos.
Unidades
Los valores expresados en Ns (en kilogramos) no son infrecuentes y numéricamente iguales a la velocidad de escape efectiva en m/s (a partir de la segunda ley de Newton y sudefiniciones).
Otra unidad equivalente es el consumo específico de combustible. Tiene unidades de medida como g (kN·s) o lb/hr. Cualquiera de estas unidades es inversamente proporcional al impulso específico. Y el consumo de combustible se usa mucho para describir el rendimiento de los motores a reacción.
Definición general
Para todos los vehículos, el impulso específico (empuje por unidad de peso de combustible en la Tierra) en segundos se puede determinar mediante la siguiente ecuación.
Para aclarar la situación, es importante aclarar que:
- F es la fuerza de gravedad estándar, que se expresa nominalmente como la potencia en la superficie de la Tierra, en m/s 2 (o ft/s al cuadrado).
- g es la tasa de flujo másico en kg/s, que parece negativa con respecto a la tasa de cambio de la masa del vehículo a lo largo del tiempo (a medida que se expulsa el combustible).
Medida
La unidad inglesa, la libra, se usa más comúnmente que otras unidades. Y también al aplicar este valor por segundo para el caudal, al convertir, la constante r 0 se vuelve innecesaria. A medida que se vuelve dimensionalmente equivalente a libras divididas por g 0.
I sp en segundos es el tiempo durante el cual el dispositivo puede generar un impulso específico de empuje de un motor de cohete, dada una cantidad de propelente cuyo peso es igual al empuje.
La ventaja de esta redacción es que se puede utilizar paracohetes, donde toda la masa de reacción se transporta a bordo, así como para aeronaves, donde la mayor parte de la masa de reacción se toma de la atmósfera. Además, da un resultado que es independiente de las unidades utilizadas.
Impulso específico como velocidad (velocidad de escape efectiva)
Debido al factor geocéntrico g 0 en la ecuación, muchos prefieren definir el empuje del cohete (en particular) en términos de empuje por unidad de masa de flujo de combustible. Esta es una forma igualmente válida (y en cierto modo algo más simple) de determinar la eficiencia de impulso específica de un propulsor. Si consideramos otras opciones, la situación será la misma en casi todas partes. Los cohetes de cierto impulso específico son simplemente la velocidad de escape efectiva en relación con el dispositivo. Los dos atributos de un impulso en particular son proporcionales entre sí y están relacionados de la siguiente manera.
Para usar la fórmula, debe comprender que:
- I - impulso específico en segundos.
- v - empuje, medido en m/s. Que es igual a la velocidad de escape efectiva, medida en m/s (o ft/s, dependiendo del valor de g).
- g es el estándar de gravedad, 9,80665 m/s 2. En unidades imperiales 32,174 pies/s 2.
Esta ecuación también se aplica a los motores a reacción, pero rara vez se usa en la práctica.
Tenga en cuenta que a veces se utilizan diferentes caracteres. Por ejemplo, c también se considera para la velocidad de escape. Mientras que el símbolosp puede usarse lógicamente para UI en unidades de N s/kg. Para evitar confusiones, conviene reservarlo para un valor concreto, medido en segundos antes del inicio de la descripción.
Esto está relacionado con el empuje o la fuerza de movimiento del impulso específico del motor del cohete, la fórmula.
Aquí m es el consumo masivo de combustible, que es la tasa de disminución en la magnitud del vehículo.
Minimización
El cohete debe llevar todo su propulsor. Por lo tanto, la masa de alimentos no quemados debe acelerarse junto con el propio dispositivo. Minimizar la cantidad de combustible necesaria para lograr un empuje determinado es fundamental para construir cohetes eficientes.
La fórmula de impulso específico de Tsiolkovsky muestra que para un cohete con una masa vacía dada y una cierta cantidad de combustible, el cambio total de velocidad se puede lograr en proporción a la velocidad efectiva del escape.
Una nave espacial sin hélice se mueve en una órbita determinada por su trayectoria y cualquier campo gravitacional. Las desviaciones del patrón de velocidad correspondiente (llamado Δv) se logran empujando la masa de gases de escape en la dirección opuesta al cambio deseado.
Velocidad real versus velocidad efectiva
Aquí vale la pena señalar que estos dos conceptos pueden diferir significativamente. Por ejemplo, cuando se lanza un cohete a la atmósfera, la presión del aire fuera del motor provocafuerza de frenado Lo que reduce el impulso específico y la velocidad de escape efectiva se reduce, mientras que la velocidad real permanece prácticamente sin cambios. Además, a veces los motores de cohetes tienen una boquilla separada para gas de turbina. El cálculo de la velocidad de escape efectiva requiere promediar los dos flujos másicos y tener en cuenta cualquier presión atmosférica.
Aumentar la eficiencia
Para los motores a reacción con respiración de aire, en particular los turboventiladores, la velocidad de escape real y la velocidad efectiva difieren en varios órdenes de magnitud. Esto se debe al hecho de que cuando se usa aire como masa de reacción, se logra un impulso adicional significativo. Esto permite una mejor coincidencia entre la velocidad aerodinámica y la velocidad de escape, lo que ahorra energía y combustible. Y aumenta significativamente el componente efectivo mientras reduce la rapidez real.
Eficiencia energética
Para cohetes y motores similares a cohetes, como los modelos de iones, sp implica una menor eficiencia energética.
En esta fórmula, v e es la velocidad real del chorro.
Por lo tanto, la fuerza requerida es proporcional a cada velocidad de escape. A velocidades más altas, se requiere mucha más potencia para el mismo empuje, lo que resulta en una menor eficiencia energética por unidad.
Sin embargo, la energía total para una misión depende del uso total de combustible y de la cantidad de energía necesaria por unidad. Para baja velocidad de escapecon respecto a la misión delta-v, se necesitan grandes cantidades de masa de reacción. De hecho, por esta razón, una velocidad de escape muy baja no es energéticamente eficiente. Pero resulta que ningún tipo tiene las puntuaciones más altas.
Variable
Teóricamente, para un delta-v dado, en el espacio, entre todos los valores fijos de velocidad de escape, ve=0.6275 es el más eficiente energéticamente para una masa final dada. Para obtener más información, puede ver la energía en el aparato de propulsión de la nave espacial.
Sin embargo, las tasas de escape variables pueden ser aún más eficientes energéticamente. Por ejemplo, si un cohete se acelera a una velocidad inicial positiva usando una velocidad de escape que es igual a la velocidad del producto, no se pierde energía como componente cinético de la masa de reacción. A medida que se vuelve estacionario.
