Specifični impulz (Isp): definicija, pomen in primerjava raketnih motorjev

Specifični impulz (pogosto skrajšan na I_sp) je merilo učinkovitosti rakete. Pove, koliko potiska (sile) proizvede motor za vsako enoto porabljenega goriva in tako omogoča primerjavo različnih raketnih in reaktivnih motorjev ne glede na njihovo velikost. Visok specifični impulz pomeni, da motor porabi manj goriva za dosego iste spremembe hitrosti; nizek specifični impulz pomeni večjo porabo goriva za enak učinek. Čeprav se pogosto uporablja kot »poraba goriva« (podobno kot »milje na galono« ali »litri na 100 km« pri avtomobilih), specifični impulz ni enota razdalje ali časa, ampak merilo učinkovitosti iztisa iz motorja.

Kako se definira in meri

Specifični impulz v praksi običajno zapisujemo v sekundah. Matematično ga lahko izrazimo kot razmerje potiska F in maso goriva, ki jo motor porabi na čas (masni pretok ṁ):

I_sp (s) = F / (ṁ · g0)

kjer je g0 standardno gravitacijsko pospeševanje (≈ 9,80665 m/s²). Če želimo specifični impulz podati v metrih na sekundo, uporabimo učinkovito izpušno hitrost Ve:

Ve = I_sp · g0

Torej: višji I_sp pomeni večjo učinkovito izpušno hitrost in boljšo izrabo goriva.

Praktični primeri vrednosti

Rakete z tekočim kisikom in vodikom (LH2/LOX): približno 430–460 s.
Rakete na naftne pogonske snovi (RP-1/LOX): približno 250–350 s.
Trdni raketni motorji: približno 200–300 s.
Hipergolični pogoni: okoli 280–330 s.
Ionski in električni pogoni: od nekaj sto do več tisoč sekund (na primer nekaj tisoč sekund za mnoge ionske motorje), kar pomeni zelo majhno porabo goriva, a tudi zelo nizek potisk.

Pomen v praksi in kompromisi

Specifični impulz ne pove neposredno, kako »močan« je motor v smislu hitrosti pospeševanja (potiska). Motor z visokim I_sp (na primer ionski motor) porabi zelo malo goriva za daljši čas in ima majhen potisk — pospešuje počasi, vendar dolgo. Motor z velikim potiskom in nižjim I_sp (na primer prvi stopnji kemijske rakete) lahko hitro zagotovi veliko pospeška, vendar porabi veliko goriva.

V konkretnem primeru »tekme« dveh raket z enako začetno količino goriva bo raketa z močnejšim motorjem hitro prevzela vodstvo, a ko porabi gorivo, se njen pospešek konča. Raketa z višjim I_sp, čeprav počasnejša, bo zaradi boljše izrabe goriva še naprej pospeševala in lahko na dolgi razdalji doseže večjo hitrost.

Povezava s Tsiolkovskega enačbo

Specifični impulz neposredno vpliva na potrebno maso goriva za dosego dane spremembe hitrosti Δv, kar opisuje Tsiolkovskega raketna enačba:

Δv = I_sp · g0 · ln(m0/mf)

kjer sta m0 začetna masa (z gorivom) in mf končna masa (brez dela porabljenega goriva). Višji I_sp pomeni manjšo potrebno razmerje m0/mf za isto Δv, torej manj goriva. Na primer, za Δv ≈ 9400 m/s (tipična potreba za vstop v orbito in rezervo) je:

pri I_sp = 450 s: Isp·g0 ≈ 4413 m/s, ln(m0/mf) ≈ 2,13 → m0/mf ≈ 8,4
pri I_sp = 300 s: Isp·g0 ≈ 2942 m/s, ln(m0/mf) ≈ 3,19 → m0/mf ≈ 24,4

Razlika jasno pokaže, kako pomemben je I_sp pri načrtovanju masne razporeditve vesoljskih plovil.

Merjenje in interpretacija

Specifični impulz pogosto izmerimo na testnem stojalu ali ga navedemo kot projektno parameter. Pomembno je razumeti, da gre za merilo učinkovitosti porabe propelenta — ni neposredna mera moči ali hitrosti pospeševanja. Za oblikovanje misij se zato upošteva kombinacija zahtev: potreben Δv, razpoložljiva moč, zahtevani potisk ter masa in zmogljivost pogonskega sistema.

Sklep

Specifični impulz je temeljni pokazatelj učinkovitosti raketnih in reaktivnih motorjev. Višji I_sp pomeni boljšo izrabo goriva in manjšo potrebno maso propelenta za dosego iste spremembe hitrosti, vendar pogosto prihaja z nižjim potiskom in drugimi praktičnimi omejitvami (zahteve po moči, teža sistema, kompleksnost). Zato je izbira pogona kompromis med specifičnim impulzom, potiskom in zahtevami misije.

Slika, ki prikazuje silo raketnega motorja Estes A10-PT v približno eni sekundi. Na voljo so tudi podatki o impulzu, količini goriva in specifičnem impulzu.

Meritve

Ljudje lahko na dva načina najdejo številko za določen impulz. Specifični impulz ugotovimo tako, da impulz delimo s količino goriva. Impulz je merilo za to, koliko sile in kako dolgo deluje raketni motor. Motor, ki dolgo časa ustvarja majhno silo, ima lahko včasih večji impulz kot motor, ki kratek čas ustvarja veliko silo. Impulz se meri v njutonih krat sekunde (N*s).

Količino goriva, ki se porabi za določitev specifičnega impulza, je mogoče izmeriti na različne načine. Včasih se meri v masi, včasih pa v teži. Kadar se količina goriva meri v masi, je specifični impulz izražen kot hitrost. Ta je običajno izražena v metrih na sekundo. Kadar se specifični impulz meri kot hitrost, ima drugo ime. Imenuje se tudi efektivna hitrost izpušnih plinov. Drugi način merjenja količine goriva je masa. Če se uporablja teža, je specifični impulz izražen v časovnih enotah, običajno v sekundah. Oba načina sta pogosta. Oba primerjata zmogljivost motorjev.

Če je specifični impulz večji, je za določeno zmogljivost rakete potrebno manj goriva. Torej je gorivo učinkovitejše, če je specifični impulz večji.

Pazite, da ne zamenjate potiska in specifičnega impulza. Potisk je le sila, ki jo raketa proizvede v nekem trenutku. Specifični impulz je merilo sile glede na količino goriva.

Ko ljudje ugotavljajo specifični impulz, je edino gorivo, ki se šteje, v raketi, preden se izstreli. To vključuje gorivo in oksidator (del goriva, ki pomaga gorivu pri gorenju). Oksidator je včasih kisik, pogosto pa kaj drugega (glejte Raketni motor#Kislinski, trdni in hibridni motorji).

Primeri

Specifični impulz različnih načinov potiskanja rakete
Motor	Efektivna hitrost izpušnih plinov (m/s, kg-m/s/kg)	Specifični impulz (-i)	Energija na kg izpušnih plinov (MJ/kg)
Turboventilatorski reaktivni motor (dejanski V je ~300)	29,000	3,000	~0.05
Raketa na trdo gorivo	2,500	250	3
Raketa na tekoče gorivo	4,400	450	9.7
Ionski potisnik	29,000	3,000	430
Dvostopenjski elektrostatični ionski potisnik s štirimi rešetkami	210,000	21,400	22,500
VASIMR	30,000-120,000	3,000-12,000	1,400

Reaktivni (letalski) motorji bolje porabijo gorivo kot raketni motorji. To je zato, ker plini ne uhajajo tako hitro. Ker ne uhajajo tako hitro, izpušni plini ne oddajajo toliko energije. To pomeni, da reaktivni motor porabi veliko manj energije za potiskanje curka. Tudi zato, ker zrak, ki gre skozi motor, ko reaktivec leti po zraku, pomaga gorivu, da hitreje gori.

Raketni model

Specifični impulz se uporablja tudi za opis delovanja raketnih motorjev za modele. V spodnji preglednici so nekatere Estesove deklarirane vrednosti specifičnih impulzov za več njihovih raketnih motorjev: Estes Industries je velik in znan ameriški prodajalec modelov raket in delov za rakete. Specifični impulz za modelarske raketne motorje je veliko nižji kot za številne druge raketne motorje, ker se kot gorivo uporablja črni prah. Črni prah se uporablja v modelarskih raketnih motorjih, ker je cenejši.

Motor	Skupni impulz (Ns)	Teža goriva (N)	Specifični impulz (s)
Estes A10-3T	2.5	.0370	67.49
Estes A8-3	2.5	.0306	81.76
Estes B4-2	5.0	.0816	61.25
Estes B6-4	5.0	.0612	81.76
Estes C6-3	10	.1223	81.76
Estes C11-5	10	.1078	92.76
Estes D12-3	20	.2443	81.86
Estes E9-6	30	.3508	85.51
Posebni impulzi za več raketnih motorjev Estes.

Večji raketni motorji

Tukaj je nekaj primerov številk za večje raketne motorje:

Vrsta motorja	Primer uporabe	Specifični impulz (s)	Efektivna hitrost izpušnih plinov (m/s)
raketni motor NK-33	Vakuum	331	3,240
Raketni motor SSME	Vakuum v vesoljskem raketoplanu	453	4,423
Ramjet	Mach 1	800	7,877
J-58 turboreakcijski	SR-71 pri hitrosti 3,2 macha (mokro)	1,900	18,587
Rolls-Royce/Snecma Olympus 593	Potovanje z letalom Concorde Mach 2 (suho)	3,012	29,553
turboventilatorski motor CF6-80C2B1F	Potovanje z Boeingom 747-400	5,950	58,400
turboventilatorsko letalo CF6 družbe General Electric	Morska gladina	11,700	115,000
Specifični impulz in efektivna hitrost izpušnih plinov za nekaj večjih raketnih motorjev.

Enote

	Specifični impulz (glede na maso)	Specifični impulz (glede na maso)	Učinkovita hitrost izpušnih plinov	Specifična poraba goriva
SI	=X sekund	=9,8066 X N-s/kg	=9,8066 X m/s	=(101,972/X) g/kN-s
Angleške enote	=X sekund	=X lbf-s/lb	=32,16 X ft/s	=(3,600/X) lb/lbf-h
Angleške enote in enote SI (metrični sistem) za različne meritve zmogljivosti raketnih motorjev.

Danes se za merjenje specifičnega impulza najpogosteje uporabljajo sekunde. To se uporablja tako v svetu SI (metričnega sistema) kot tudi tam, kjer se uporabljajo angleške enote. Tako so enote povsod enake. To pomeni, da se specifični impulz lahko uporablja za primerjavo zmogljivosti motorja v kateri koli državi. Večina podjetij, ki izdelujejo raketne motorje ali reaktivne motorje, uporablja sekunde za oglaševanje zmogljivosti svojih izdelkov.

Drugi pogost način merjenja specifičnega impulza je v metrih na sekundo (m/s), ki se imenuje tudi efektivna hitrost izpušnih plinov. Pri številnih motorjih se efektivna hitrost izpušnih plinov razlikuje od hitrosti, s katero plini dejansko prihajajo iz šobe.

Sorodne strani

Reaktivni motor
Impulz (fizika) - sprememba zagona

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je specifični impulz?

O: Specifični impulz (pogosto skrajšan na Isp) je način za opis, kako dobro deluje raketni ali reaktivni motor. Z njim lahko primerjamo rakete različnih velikosti in izmerimo, kolikšno silo motor proizvede na vsako količino goriva.

V: Kako se meri specifični impulz?

O: Specifični impulz izmerimo tako, da vemo, koliko goriva je v motorju, in izračunamo, kolikšno silo proizvede motor s to količino goriva.

V: Kaj pomeni visok specifični impulz?

O: Visok specifični impulz pomeni, da raketa potrebuje manj goriva, da deluje enako dobro, zato porablja gorivo učinkoviteje kot raketa z nižjim specifičnim impulzom.

V: Kako lahko specifični impulz uporabimo za primerjavo motorjev?

O: Specifični impulz se lahko uporablja podobno kot milje na galono ali litre na 100 kilometrov za primerjavo avtomobilov, kar nam omogoča primerjavo raketnih ali reaktivnih motorjev na podlagi njihove učinkovitosti.

V: Ali višji specifični impulz pomeni, da je motor "močnejši"?

O: Ne, večji specifični impulz ne pomeni nujno, da je motor "močnejši". Pravzaprav so zasnove motorjev z najvišjimi specifičnimi impulzi običajno najšibkejše z vidika pospeševalne moči.

V: Kako lahko dve raketi z različnima motorjema, vendar z enako količino goriva, tekmujeta med seboj?

O: V dirki med dvema raketama z enako količino goriva in dvema različnima motorjema bo raketa z močnejšim motorjem zgodaj prevzela vodstvo, ko pa bo porabila vse gorivo, bo raketi z višjim specifičnim impulzom še vedno ostalo nekaj goriva in bo še naprej pospeševala, dokler ne bo na koncu prehitela svoje nasprotnice, če bo na voljo dovolj razdalje, da bo lahko izkoristila svojo dolgoročno prednost.