L'impulsion spécifique (SP) est une mesure de l'efficacité avec laquelle une fusée ou un moteur utilise du carburant. Par définition, il s'agit de la surtension totale délivrée par unité de puissance consommée et est équivalente en taille à la poussée générée divisée par le débit massique. Si les kilogrammes sont utilisés comme unité de propulseur, l'impulsion spécifique est mesurée en termes de vitesse. Si un poids en newtons ou en livres-force est utilisé à la place, la valeur spécifique est exprimée en termes de temps, le plus souvent en secondes.
Multiplier la vitesse d'écoulement par la gravité standard convertit l'IG en masse.
Équation de Tsiolkovski
L'impulsion spécifique d'un moteur de masse plus élevée est utilisée plus efficacement pour générer une poussée vers l'avant. Et dans le cas où une fusée est utilisée, moins de carburant est nécessaire. C'est lui qu'il faut pour ce delta-v. Selon l'équationTsiolkovsky, dans l'impulsion spécifique d'un moteur-fusée, le moteur est plus efficace en montée, en distance et en vitesse. Cette performance est moins importante dans les modèles réactifs. Qui utilisent les ailes et l'air extérieur pour la combustion. Et transportez une charge utile beaucoup plus lourde que le carburant.
L'impulsion spécifique comprend le mouvement généré par l'air extérieur utilisé pour la combustion et appauvri par le combustible usé. Les moteurs à réaction utilisent l'atmosphère extérieure pour cela. Et par conséquent, ils ont une interface utilisateur beaucoup plus élevée que les moteurs de fusée. Ce concept, du point de vue de la masse de carburant consommée, a des unités de mesure de distance dans le temps. Qui sont une valeur artificielle appelée "vitesse effective des gaz d'échappement". Ceci est supérieur à la vitesse d'échappement réelle. Car la masse d'air pour la combustion n'est pas prise en compte. La vitesse d'échappement réelle et effective est la même dans les moteurs de fusée qui n'utilisent pas d'air ou d'eau par exemple.
Considérations générales
La quantité de carburant est généralement mesurée en unités de masse. S'il est utilisé, alors l'impulsion spécifique est l'impulsion par EM, qui, comme le montre l'analyse de taille, a des unités de vitesse. Et donc l'interface utilisateur est souvent mesurée en mètres par seconde. Et souvent appelé la vitesse effective de l'échappement. Cependant, si la masse est utilisée, l'impulsion spécifique du carburant divisée par la force s'avère être une unité de temps. Ainsi, les poussées spécifiques sont mesurées en secondes.
C'est cette règle qui est la principale dans le monde moderne, largement utilisée aveccoefficient r0 (constante de l'accélération gravitationnelle à la surface de la Terre).
Il convient de noter que le taux de variation de l'impulsion de la fusée (y compris son carburant) par unité de temps est égal à l'impulsion de poussée spécifique.
Spécificités
Plus la poussée est élevée, moins il faut de carburant pour générer une poussée donnée pendant un certain temps. A cet égard, plus le liquide est efficace, plus son UI est grande. Cependant, cela ne doit pas être confondu avec l'efficacité énergétique, qui peut diminuer avec l'augmentation de la poussée, car l'impulsion spécifique du moteur, qui donne des résultats élevés, nécessite beaucoup d'énergie pour ce faire.
Aussi, il est important de distinguer et de ne pas confondre un pull avec un push spécifique. L'interface utilisateur est créée par unité de carburant consommée. Et la poussée est la force instantanée ou maximale générée par un appareil particulier. Dans de nombreux cas, les systèmes de propulsion à très haute impulsion spécifique - certaines installations ioniques atteignent 10 000 secondes - produisent une faible poussée.
Lors du calcul de la poussée, seul le carburant emporté avec le véhicule avant utilisation est pris en compte. Par conséquent, pour un chimiste spécialiste des fusées, la masse comprendra à la fois le propulseur et le comburant. Pour les moteurs aérobies, seule la quantité de liquide est prise en compte, pas la masse d'air traversant le moteur.
La traînée atmosphérique et l'incapacité de la centrale à maintenir une impulsion spécifique élevée à des taux de combustion élevés sont précisément la raison pour laquelle tout le combustible n'est pas utilisé aussi rapidement que possible.
Plus lourdun moteur avec un bon MI peut ne pas être aussi efficace en montée, en distance ou en vitesse qu'un instrument léger avec de mauvaises performances
S'il n'y avait pas la résistance de l'air et la réduction de la consommation de carburant pendant le vol, le MI serait une mesure directe de l'efficacité d'un moteur à convertir la masse en propulsion vers l'avant.
Impulsion spécifique en secondes
L'unité la plus courante pour une poussée particulière est Hs. Tant dans le contexte du SI que dans les cas où des valeurs impériales ou conventionnelles sont utilisées. L'avantage des secondes est que l'unité de mesure et la valeur numérique sont les mêmes pour tous les systèmes et sont essentiellement universelles. Presque tous les fabricants listent les performances de leur moteur en quelques secondes. Et un tel appareil est également utile pour déterminer les spécificités d'un appareil d'avion.
L'utilisation de mètres par seconde pour trouver la vitesse d'échappement effective est également assez courante. Ce bloc est intuitif lors de la description des moteurs de fusée, bien que la vitesse d'échappement effective des appareils puisse différer considérablement de la vitesse réelle. Cela est probablement dû au fait que le carburant et le comburant sont déversés par-dessus bord après la mise en marche des turbopompes. Pour les moteurs à réaction aérobies, la vitesse d'échappement effective n'a aucune signification physique. Bien qu'il puisse être utilisé à des fins de comparaison.
Unités
Les valeurs exprimées en Ns (en kilogrammes) ne sont pas rares et numériquement égales à la vitesse d'échappement effective en m / s (de la deuxième loi de Newton et de sondéfinitions).
Une autre unité équivalente est la consommation spécifique de carburant. Il a des unités de mesure telles que g (kN s) ou lb/h. Chacune de ces unités est inversement proportionnelle à une impulsion spécifique. Et la consommation de carburant est largement utilisée pour décrire les performances des moteurs à réaction.
Définition générale
Pour tous les véhicules, l'impulsion spécifique (poussée par unité de poids de carburant sur Terre) en secondes peut être déterminée par l'équation suivante.
Pour clarifier la situation, il est important de préciser que:
- F est la force de gravité standard, qui est nominalement indiquée comme la puissance à la surface de la Terre, en m/s 2 (ou ft/s au carré).
- g est le débit massique en kg/s, qui apparaît négatif par rapport au taux de variation de la masse du véhicule dans le temps (au fur et à mesure que le carburant est expulsé).
Mesure
L'unité anglaise, la livre, est plus couramment utilisée que les autres unités. Et aussi lors de l'application de cette valeur par seconde pour le débit, lors de la conversion, la constante r 0 devient inutile. Au fur et à mesure qu'il devient dimensionnellement équivalent aux livres divisées par g 0.
I sp en secondes est le temps pendant lequel l'appareil peut générer une impulsion spécifique de poussée d'un moteur-fusée, étant donné une quantité de propulseur dont le poids est égal à la poussée.
L'avantage de cette formulation est qu'elle peut être utilisée pourfusées, où toute la masse de réaction est transportée à bord, ainsi que pour les avions, où la majeure partie de la masse de réaction est prélevée dans l'atmosphère. De plus, cela donne un résultat indépendant des unités utilisées.
Impulsion spécifique comme vitesse (vitesse d'échappement effective)
En raison du facteur géocentrique g 0 dans l'équation, beaucoup préfèrent définir la poussée de la fusée (en particulier) en termes de poussée par unité de masse de débit de carburant. C'est un moyen tout aussi valable (et à certains égards un peu plus simple) de déterminer l'efficacité d'impulsion spécifique d'un propulseur. Si l'on considère d'autres options, la situation sera presque partout la même. Les fusées d'une certaine impulsion spécifique sont simplement la vitesse d'échappement effective par rapport à l'appareil. Les deux attributs d'une poussée particulière sont proportionnels l'un à l'autre et sont liés comme suit.
Pour utiliser la formule, vous devez comprendre que:
- I - impulsion spécifique en secondes.
- v - poussée, mesurée en m/s. Ce qui est égal à la vitesse d'échappement effective, mesurée en m/s (ou ft/s, selon la valeur de g).
- g est la norme de gravité, 9,80665 m/s 2. En unités impériales 32,174 ft/s 2.
Cette équation s'applique également aux moteurs à réaction, mais est rarement utilisée dans la pratique.
Notez que parfois des caractères différents sont utilisés. Par exemple, c est également pris en compte pour la vitesse d'échappement. Alors que le symbolesp peut logiquement être utilisé pour l'UI en unités de N s/kg. Pour éviter toute confusion, il est souhaitable de le réserver à une valeur spécifique, mesurée en secondes avant le début de la description.
Ceci est lié à la poussée ou à la force de mouvement de l'impulsion spécifique du moteur-fusée, la formule.
Ici m est la consommation massique de carburant, qui est le taux de diminution de la grandeur du véhicule.
Minimisation
La fusée doit transporter tout son propulseur. Par conséquent, la masse d'aliments non brûlés doit être accélérée avec l'appareil lui-même. Minimiser la quantité de carburant nécessaire pour atteindre une poussée donnée est essentiel pour construire des fusées efficaces.
La formule d'impulsion spécifique de Tsiolkovsky montre que pour une fusée avec une masse à vide donnée et une certaine quantité de carburant, la variation totale de vitesse peut être obtenue proportionnellement à la vitesse effective de l'échappement.
Un vaisseau spatial sans hélice se déplace sur une orbite déterminée par sa trajectoire et tout champ gravitationnel. Les écarts par rapport au modèle de vitesse correspondant (appelé Δv) sont obtenus en poussant la masse de gaz d'échappement dans la direction opposée au changement souhaité.
Vitesse réelle versus vitesse effective
Ici, il convient de noter que ces deux concepts peuvent différer considérablement. Par exemple, lorsqu'une fusée est lancée dans l'atmosphère, la pression de l'air à l'extérieur du moteur provoqueforce de freinage. Ce qui réduit l'impulsion spécifique et la vitesse d'échappement effective est réduite, tandis que la rapidité réelle reste pratiquement inchangée. De plus, les moteurs-fusées ont parfois une buse séparée pour le gaz de turbine. Le calcul de la vitesse d'échappement effective nécessite alors de faire la moyenne des deux débits massiques ainsi que de prendre en compte toute pression atmosphérique.
Augmenter l'efficacité
Pour les moteurs à réaction à air pulsé, en particulier les turbosoufflantes, la vitesse d'échappement réelle et la vitesse effective diffèrent de plusieurs ordres de grandeur. Cela est dû au fait que lors de l'utilisation de l'air comme masse de réaction, une quantité de mouvement supplémentaire significative est obtenue. Cela permet une meilleure correspondance entre la vitesse anémométrique et la vitesse d'échappement, ce qui permet d'économiser de l'énergie et du carburant. Et augmente considérablement la composante efficace tout en réduisant la rapidité réelle.
Efficacité énergétique
Pour les fusées et les moteurs de type fusée tels que les modèles ioniques, sp implique une efficacité énergétique inférieure.
Dans cette formule, v e est la vitesse réelle du jet.
Par conséquent, la force requise est proportionnelle à chaque vitesse d'échappement. À des vitesses plus élevées, beaucoup plus de puissance est nécessaire pour la même poussée, ce qui réduit l'efficacité énergétique d'une unité.
Cependant, l'énergie totale pour une mission dépend de la consommation totale de carburant ainsi que de la quantité d'énergie requise par unité. Pour une faible vitesse d'échappementen ce qui concerne la mission delta-v, d'énormes quantités de masse de réaction sont nécessaires. En fait, pour cette raison, une vitesse d'échappement très faible n'est pas économe en énergie. Mais il s'avère qu'aucun type n'a les scores les plus élevés.
Variable
Théoriquement, pour un delta-v donné, dans l'espace, parmi toutes les valeurs de vitesse d'échappement fixes, ve=0,6275 est la plus économe en énergie pour une masse finale donnée. Pour en savoir plus, vous pouvez visualiser l'énergie dans l'appareil de propulsion du vaisseau spatial.
Cependant, les taux d'échappement variables peuvent être encore plus éconergétiques. Par exemple, si une fusée est accélérée à une vitesse initiale positive en utilisant une vitesse d'échappement égale à la vitesse du produit, aucune énergie n'est perdue en tant que composante cinétique de la masse de réaction. Comme il devient stationnaire.
