Mis on spetsiifiline impulss (Isp) — rakettide ja reaktiivmootorite efektiivsus

Spetsiifiline impulss (sageli lühendatult I_sp) kirjeldab, kui tõhusalt raketi- või reaktiivmootor kasutab kütust. See näitab, kui palju tõukejõudu mootor suudab toota ühe kütuseühiku kohta — lihtsamalt öeldes annab see teavet, kui kaugele või kui kiiresti saab rakett liikuda antud kütusekogusega. Spetsiifiline impulss võimaldab võrrelda eri suuruse ja tüüpi mootorite kütusesäästlikkust sama viisil nagu autode puhul kasutatakse „miili galloni kohta“ või „liitrit 100 kilomeetri kohta“.

Kuidas I_sp arvutatakse ja mida ta mõõdab

Matemaatiliselt määratakse spetsiifiline impulss valemiga:

I_sp = F / (ṁ · g₀)

kus F on tõukejõud (Newtonites), ṁ on massivoolu kiirus (kg/s) ja g₀ on standardne raskuskiirendus (≈9,80665 m/s²). Seetõttu väljendatakse I_sp tavaliselt sekundites. Sellel on ka seos efektiivse heitgaaside kiirusega: v_e = I_sp · g₀, kus v_e on väljapaisatud gaasi efektiivne kiirus (m/s).

Üksused ja tõlgendus

Sekundid: kõige levinum viis spetsiifilise impulsi väljendamiseks — näitab kui kaua üks kütuseühik võiks toota tõukejõudu, mis võrdub selle oma kaaluga.
m/s: kui kasutada v_e (efektiivne lõõgastuse kiirus), saab tulemuse kiiruseühikutes; v_e = I_sp·g₀.

Tüüpilised väärtused

Keemilised raketimootorid (tuletõkke kütused): ~250–450 s (sõltuvalt kütusest ja töötingimustest, vaakum vs merepind).
Hüdrogenitõrjega LOX/LH2 mootorid: kuni ~450 s vaakumis.
Tahked kütusemootorid: tavaliselt ~200–300 s.
Ion- ja elektrimootorid (ionthrusterid, Hall’i tõukejad): tavaliselt sadu kuni mitutuhat sekundit (tüüpiliselt 1 000–10 000 s), ehk väga kõrge I_sp, aga madal tõukejõud.

Mida tähendab kõrge või madal I_sp praktikas

Kõrge I_sp: mootor kasutab kütust efektiivsemalt — sama delta-v (kiiruse muutus) saavutamiseks on vaja vähem kütust. See on eriti oluline pikkadel vahemaadel kosmosesüstikute ja satelliitide manöövrite puhul.
Madal I_sp: mootor annab rohkem tõukejõudu ühe ajaühiku kohta (sõltuvalt disainist), kuid kulutab kütust kiiremini ja on kehvem kütusesäästlikkuse poolest.

Piirangud ja kompromissid

Oluline on mõista, et suurem I_sp ei tähenda automaatselt „võimsamat“ või kiiremini kiirendavat mootorit. Näiteks ioonmootoritel on väga kõrge I_sp, kuid nende hetkeline tõukejõud on väga väike — nad kiirendavad objekti aeglaselt, kuid pidevalt ja säästlikult. Seevastu keemilised raketid annavad suurt algset tõukejõudu (soovitatav lahkumiseks Maa atmosfäärist), kuid nende I_sp on madalam.

Valik sõltub missioonist: stardifaasis ja Maa tõusmisel on tähtis kõrge tõukejõud (thrust), sügavruumis tehtavate pikemate manöövrite puhul loeb pigem kõrge I_sp. Lisaks tuleb arvestada mootori massi, kütuse mahutite massi, energiapakkujate (nagu päikesepaneelid või reaktorid) nõudmisi ja üldist süsteemi keerukust.

Seos raketiteooriaga

I_sp on otseselt seotud Tsiolkovski raketivõrrandiga:

Δv = v_e · ln(m₀/m_f) = I_sp · g₀ · ln(m₀/m_f)

See tähendab, et antud I_sp korral määrab alg- ja lõppmassi (m₀ ja m_f) suhet see, kui palju delta-v saab saavutada. Kõrgema I_sp korral on sama delta-v saavutamiseks vaja vähem kütust (madalam kütusemassi osa kogu massist).

Kokkuvõte

Spetsiifiline impulss (I_sp) on keskne mõõdik rakettide ja reaktiivmootorite kütusetõhususe hindamiseks.
Seda väljendatakse tavaliselt sekundites ja see on seotud effektiivse heitgaaside kiirusega: v_e = I_sp·g₀.
Suurem I_sp tähendab paremat kütusesäästlikkust, kuid ei tähenda alati suuremat hetkekiiendust või võimsust — disainivalikud ja missiooni eesmärgid määravad, milline kombinatsioon I_sp ja tõukejõust on sobiv.

Artikli alguses mainitud näited illustreerivad seda mehhanismi: kõrge I_spiga elektrimootorid kiirendavad aeglasemalt, kuid säästavad kütust, samas kui keemilised raketimootorid annavad suure tõukejõu lühikese aja jooksul ja nõuavad rohkem kütust sama delta-v saavutamiseks. Seetõttu valitakse mootor alati vastavalt missiooni nõudmistele ja kompromissidele.

Joonis, mis näitab Estes A10-PT raketimootori poolt umbes 1 sekundi jooksul tekitatud jõudu. Samuti on esitatud teave impulsi, kütusekoguse ja spetsiifilise impulsi kohta.

Mõõtmised

On kaks võimalust, kuidas inimesed leiavad konkreetse impulsi numbri. Spetsiifilise impulsi leidmiseks jagatakse impulss kütusekogusega. Impulss on mõõtmine, kui palju jõudu rakettmootor annab ja kui kaua. Mootoril, mis teeb pikka aega väikest jõudu, võib mõnikord olla suurem impulss kui mootoril, mis teeb lühikest aega suurt jõudu. Impulssi mõõdetakse njuutonites korda sekundid (N*s).

Spetsiifilise impulsi leidmiseks kasutatud kütusekogust saab mõõta mitmel viisil. Mõnikord mõõdetakse seda massi ja mõnikord kaalu alusel. Kui kütusekogust mõõdetakse massina, siis väljendatakse erimõju kiirusena. See on tavaliselt meetrites sekundis. Kui eriimpulssi mõõdetakse kiirusena, on sellel teine nimetus. Seda nimetatakse ka efektiivseks väljalaskekiiruseks. Teine viis kütusekoguse mõõtmiseks on mass. Kui kasutatakse kaalu, siis on eriimpulss ajaühikutes, tavaliselt sekundites. Need kaks viisi on mõlemad levinud. Mõlemad võrdlevad mootorite jõudlust.

Kui eriimpulss on suurem, on vaja vähem kütust, et raketi jõudlus oleks teatud tasemel. Seega on kütus tõhusam, kui erimulss on suurem.

Olge ettevaatlik, et mitte segi ajada tõukejõudu ja konkreetset impulssi. Tõukejõud on ainult raketi poolt ühel ajahetkel tekitatud jõud. Spetsiifiline impulss on jõud, mis põhineb kütuse kogusel.

Kui inimesed leiavad, et konkreetne impulss on ainus kütus, mida loetakse raketis enne selle käivitamist. See hõlmab kütust ja oksüdeerijat (kütuse osa, mis aitab kütusel põleda). Oksüdeerija on mõnikord hapnik või sageli midagi muud (vt Rakettmootor#Liikide, tahked ained ja hübriidid).

Näited

Konkreetne impulss erinevatel raketi tõukamise viisidel
Mootor	Efektiivne heitgaasi kiirus (m/s, kg-m/s/kg)	Konkreetne (d) impulss (id)	Energia kg heitgaasi kohta (MJ/kg)
turboreaktiivmootor (tegelik V on ~300)	29,000	3,000	~0.05
Tahkekütuse rakett	2,500	250	3
Vedelkütuse rakett	4,400	450	9.7
Ioon-traktor	29,000	3,000	430
Kaheastmeline neljaruuduline elektrostaatiline ioontõukeaparaat	210,000	21,400	22,500
VASIMR	30,000-120,000	3,000-12,000	1,400

Reaktiivmootorid (lennukite mootorid) kasutavad kütust paremini kui rakettmootorid. See on tingitud sellest, et gaasid ei pääse nii kiiresti välja. Kuna nad ei pääse nii kiiresti, ei kanna heitgaas nii palju energiat minema. See tähendab, et reaktiivmootor kasutab reaktiivmootori tõukamiseks palju vähem energiat. See on tingitud ka sellest, et õhk, mis läbib mootorit, kui reaktiivmootor lendab läbi õhu, aitab kütusel kiiremini põleda.

Rakettmudelid

Spetsiifilist impulssi kasutatakse ka selleks, et kirjeldada, kui hästi rakettmudelite mootorid töötavad. Alljärgnevas tabelis on esitatud Estes'i väidetav spetsiifilise impulsi väärtus mitmete nende rakettmootorite puhul: Estes Industries on suur ja tuntud Ameerika Ühendriikide mudelrakettide ja raketiosade müüja. Mudelrakettide mootorite spetsiifiline impulss on palju väiksem kui paljude teiste rakettide mootorite puhul, sest kütusena kasutatakse musta pulbrit. Mustapulbrit kasutatakse mudelrakettide mootorites, sest see on odavam.

Mootor	Koguimpulss (Ns)	Kütuse kaal (N)	Spetsiifiline impulss (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
Spetsiifilised impulsid mitme Estes'i raketimootori jaoks.

Suuremad rakettmootorid

Siin on mõned näidisnumbrid suuremate rakettmootorite kohta:

Mootori tüüp	Näide Kasutamine	Spetsiifiline impulss (s)	Efektiivne heitgaasi kiirus (m/s)
NK-33 rakettmootor	Vaakum	331	3,240
SSME rakettmootor	Kosmosesüstiku vaakum	453	4,423
Ramjet	Mach 1	800	7,877
J-58 turboreaktiivmootor	SR-71 3,2 Machi juures (märg)	1,900	18,587
Rolls-Royce/Snecma Olympus 593	Concorde Mach 2 reisilennuk (kuiv)	3,012	29,553
CF6-80C2B1F turbofan	Boeing 747-400 reisilennuk	5,950	58,400
General Electric CF6 turbofan	Meretase	11,700	115,000
Mõne suurema raketimootori eriline impulss ja efektiivne heitgaasi kiirus.

Üksused

	Spetsiifiline impulss (massi järgi)	Spetsiifiline impulss (massi järgi)	Efektiivne heitgaasi kiirus	Spetsiifiline kütusekulu
SI	=X sekundit	=9,8066 X N-s/kg	=9,8066 X m/s	=(101,972/X) g/kN-s
Inglise keele üksused	=X sekundit	=X lbf-s/lb	=32,16 X ft/s	=(3600/X) lb/lbf-h
Inglise ja SI (metriline süsteem) mõõtühikud erinevate rakettmootorite jõudluse mõõtmiseks.

Kõige tavalisem viis konkreetse impulsi mõõtmiseks on tänapäeval sekundite kasutamine. Seda kasutatakse nii SI-maailmas (metriline süsteem) kui ka seal, kus kasutatakse ingliskeelseid ühikuid. Nii on ühikud kõikjal ühesugused. See tähendab, et spetsiifilist impulssi saab kasutada mootori jõudluse võrdlemiseks igas riigis. Enamik raketi- või reaktiivmootoreid tootvaid ettevõtteid kasutab sekundit, et reklaamida oma toote jõudlust.

Teine levinud viis mõõta spetsiifilist impulssi on meetrites sekundis (m/s), mida nimetatakse ka efektiivseks heitgaasi kiiruseks. Paljude mootorite puhul erineb efektiivne heitgaasi kiirus kiirusest, millega gaasid tegelikult düüsist väljuvad.

Seotud leheküljed

Reaktiivmootor
Impulss (füüsika) - impulsi muutus

Küsimused ja vastused

K: Mis on konkreetne impulss?

V: Spetsiifiline impulss (sageli lühendatult Isp) on viis kirjeldada, kui hästi töötab raketi või reaktiivmootor. Seda saab kasutada eri suurusega rakettide võrdlemiseks ja mootori poolt iga kütusekoguse kohta tehtava jõu mõõtmiseks.

K: Kuidas mõõdetakse spetsiifilist impulssi?

V: Spetsiifilist impulssi mõõdetakse, teades, kui palju kütust mootoris on, ja arvutades, kui palju jõudu see mootor selle kütusekoguse kohta toodab.

K: Mida tähendab kõrge erimulss?

V: Kõrge erimulss tähendab, et rakett vajab sama hästi toimimiseks vähem kütust, seega kasutab ta kütust tõhusamalt kui rakett, mille erimulss on väiksem.

K: Kuidas saame kasutada spetsiifilist impulssi mootorite võrdlemiseks?

V: Spetsiifilist impulssi saab kasutada samamoodi nagu miili galloni kohta või liitrit 100 kilomeetri kohta, mida kasutatakse autode võrdlemiseks, võimaldades meil võrrelda raketi- või reaktiivmootoreid nende tõhususe alusel.

K: Kas suurem eriimpulss tähendab, et mootor on "võimsam"?

V: Ei, suurem eriimpulss ei tähenda tingimata, et mootor on "võimsam". Tegelikult on kõrgeima eriimpulssiga mootorite konstruktsioonid kiirendusvõimsuse poolest tavaliselt kõige nõrgemad.

K: Kuidas võistlevad kaks erineva mootoriga, kuid sama kütusekogusega raketti omavahel?

V: Kahe sama kütusekogusega ja kahe erineva mootoriga raketi vahelises võidusõidus läheb võimsama mootoriga rakett varakult juhtima, kuid kui ta põletab kogu oma kütuse ära, jääb kõrgema spetsiifilise impulssiga raketil veel veidi kütust alles ja ta jätkab kiirendamist, kuni lõpuks oma vastaskandidaadist möödub, kui on piisavalt kaugust, et kasutada oma pikaajalist eelist.