Ominaisimpulssi
Ominaisimpulssi (usein lyhennettynä Isp ) on tapa kuvata raketin suorituskykyä. Sitä käytetään myös kuvaamaan suihkumoottorin suorituskykyä. Sitä voidaan käyttää erikokoisten rakettien vertailuun. Sen avulla tiedetään, kuinka paljon voimaa tietty moottori tuottaa kutakin polttoainepitoisuutta kohden. Tätä varten on tiedettävä, kuinka paljon polttoainetta moottorissa on. Suuri ominaisimpulssi tarkoittaa, että raketti tarvitsee vähemmän polttoainetta toimiakseen yhtä hyvin. Jos ominaisimpulssi on pienempi, se tarkoittaa, että raketti tarvitsee enemmän polttoainetta toimiakseen yhtä hyvin.
Ominaisimpulssi on hyödyllinen arvo raketti- tai suihkumoottoreiden vertailussa. Sitä käytetään samaan tapaan kuin mailia gallonaa kohti tai litraa 100 kilometriä kohti käytetään autojen vertailussa. Moottori, jonka ominaisimpulssi on suurempi, käyttää polttoainetta paremmin. Tämä tarkoittaa, että samalla polttoainemäärällä raketti kulkee nopeammin sen jälkeen, kun kaikki polttoaine on loppunut.
Suuremman ominaisimpulssin omaava rakettimoottori ei tarkoita, että se olisi "tehokkaampi". Toisin sanoen se ei saa rakettia kiihtymään voimakkaammin. Itse asiassa korkeimman ominaisimpulssin omaavien moottoreiden, kuten ionimoottoreiden, mallit ovat kaikista moottorityypeistä "heikoimmat". Ne kiihdyttävät rakettia hitaasti mutta tasaisesti pitkän ajan kuluessa käyttäen vain pientä polttoainemäärää. Kahden saman polttoainemäärän ja kahden eri moottorin omaavan raketin välisessä kilpailussa tehokkaammalla moottorilla varustettu raketti menee aikaisin johtoon, mutta kun se on polttanut kaiken polttoaineensa loppuun, korkeammalla ominaisimpulssilla varustetulla raketilla on vielä polttoainetta jäljellä ja se jatkaa kiihtymistään. Lopulta se ohittaa vastapuolensa ja voittaa kisan, jos etäisyys on tarpeeksi suuri, jotta se voi käyttää pitkän aikavälin etunsa.
Kuva, joka osoittaa Estes A10-PT -rakettimoottorin aiheuttaman voiman noin yhden sekunnin aikana. Kuvassa on myös tietoja impulssista, polttoaineen määrästä ja ominaisimpulssista.
Mittaukset
Ihmiset löytävät tietyn impulssin numeron kahdella tavalla. Ominaisimpulssi saadaan jakamalla impulssi polttoaineen määrällä. Impulssi mittaa, kuinka paljon voimaa rakettimoottori tuottaa ja kuinka kauan. Moottorilla, joka tuottaa pienen voiman pitkän aikaa, voi joskus olla suurempi impulssi kuin moottorilla, joka tuottaa suuren voiman lyhyen aikaa. Impulssi mitataan newtoneina kertaa sekunnit (N*s).
Ominaisimpulssin määrittämiseen käytetyn polttoaineen määrä voidaan mitata eri tavoin. Joskus se mitataan massana ja joskus painona. Kun polttoaineen määrä mitataan massana, ominaisimpulssi ilmaistaan nopeutena. Tämä ilmaistaan yleensä metreinä sekunnissa. Kun ominaisimpulssi mitataan nopeutena, sillä on toinen nimi. Sitä kutsutaan myös teholliseksi pakokaasunopeudeksi. Toinen tapa mitata polttoaineen määrää on paino. Jos käytetään painoa, ominaisimpulssi ilmoitetaan aikayksikköinä, yleensä sekunteina. Nämä kaksi tapaa ovat molemmat yleisiä. Molemmilla verrataan moottoreiden suorituskykyä.
Kun ominaisimpulssi on suurempi, tarvitaan vähemmän polttoainetta, jotta raketti toimisi tietyllä tasolla. Polttoaine on siis tehokkaampaa, jos ominaisimpulssi on suurempi.
Varo sekoittamasta työntövoimaa ja erityistä impulssia. Työntövoima on vain raketin yhdessä vaiheessa aikaansaama voima. Ominaisimpulssi on voiman mitta, joka perustuu polttoaineen määrään.
Kun ihmiset löytävät spesifisen impulssin, ainoa laskettu polttoaine on raketissa ennen sen laukaisemista. Tämä sisältää polttoaineen ja hapettimen (polttoaineen osa, joka auttaa polttoainetta palamaan). Hapetin on joskus happea tai usein jotain muuta (katso Rakettimoottori#Nesteet, kiinteät aineet ja hybridit).
Esimerkkejä
| Ominaisimpulssi eri tavoilla työntää rakettia. | |||
| Moottori | Tehollinen pakokaasunopeus | Erityisimpulssi | Energia pakokaasukiloa kohti |
| Suihkuturbiinimoottori | 29,000 | 3,000 | ~0.05 |
| Kiinteän polttoaineen raketti | 2,500 | 250 | 3 |
| Nestemäistä polttoainetta käyttävä raketti | 4,400 | 450 | 9.7 |
| Ionipotkuri | 29,000 | 3,000 | 430 |
| Kaksivaiheinen neliruutuinen sähköstaattinen ionipotkurilaite | 210,000 | 21,400 | 22,500 |
| VASIMR | 30,000-120,000 | 3,000-12,000 | 1,400 |
Suihkumoottorit (lentokoneiden moottorit) käyttävät polttoainetta paremmin kuin rakettimoottorit. Tämä johtuu siitä, että kaasut eivät karkaa yhtä nopeasti. Koska kaasut eivät pakene yhtä nopeasti, pakokaasu ei kuljeta pois yhtä paljon energiaa. Tämä tarkoittaa, että suihkumoottori käyttää paljon vähemmän energiaa suihkun työntämiseen. Tämä johtuu myös siitä, että ilma, joka kulkee moottorin läpi suihkukoneen lentäessä ilmassa, auttaa polttoainetta palamaan nopeammin.
Rakettimallit
Ominaisimpulssia käytetään myös kuvaamaan, kuinka hyvin rakettimallin moottorit toimivat. Alla olevassa taulukossa on joitakin Estesin ilmoittamia ominaisimpulssiarvoja useille sen rakettimoottoreille: Estes Industries on suuri, tunnettu yhdysvaltalainen rakettimallien ja rakettien osien myyjä. Mallirakettimoottoreiden ominaisimpulssi on paljon alhaisempi kuin monien muiden rakettimoottoreiden, koska polttoaineena käytetään mustaruutia. Mustaruutia käytetään pienoismallirakettimoottoreissa, koska se maksaa vähemmän.
| Moottori | Kokonaisimpulssi (Ns) | Polttoaineen paino (N) | Ominaisimpulssi (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 |
| Erikoisimpulssit useille Estesin rakettimoottoreille. | |||
Suuremmat rakettimoottorit
Seuraavassa on joitakin esimerkkilukuja suuremmista rakettimoottoreista:
| Moottorin tyyppi | Esimerkkikäyttö | Ominaisimpulssi (s) | Tehollinen pakokaasunopeus (m/s) |
| NK-33 rakettimoottori | Tyhjiö | 331 | 3,240 |
| SSME-rakettimoottori | Avaruussukkulan tyhjiö | 453 | 4,423 |
| Ramjet | Mach 1 | 800 | 7,877 |
| J-58-turbiinimoottori | SR-71 Mach 3,2:lla (märkä) | 1,900 | 18,587 |
| Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 | Concorde Mach 2:n matkalento (kuiva) | 3,012 | 29,553 |
| CF6-80C2B1F-turbiinimoottori | Boeing 747-400 risteily | 5,950 | 58,400 |
| General Electric CF6 -turbiinimoottori | Merenpinnan taso | 11,700 | 115,000 |
| Ominaisimpulssin ja pakokaasun tehollisen nopeuden luvut muutamille suuremmille rakettimoottoreille. | |||
Yksiköt
| Ominaisimpulssi | Ominaisimpulssi | Tehollinen pakokaasunopeus | Polttoaineen ominaiskulutus | |
| SI | =X sekuntia | =9,8066 X N-s/kg | =9,8066 X m/s | =(101,972/X) g/kN-s |
| Englanninkieliset yksiköt | =X sekuntia | =X lbf-s/lb | =32,16 X ft/s | =(3 600/X) lb/lbf-h |
| Englanninkieliset ja SI-yksiköt (metrinen järjestelmä) eri rakettimoottoreiden suorituskykymittauksia varten. | ||||
Yleisin tapa mitata spesifistä impulssia on nykyään sekunnit. Tätä käytetään sekä SI-järjestelmässä (metrijärjestelmässä) että englanninkielisissä yksiköissä. Näin yksiköt ovat kaikkialla samat. Tämä tarkoittaa, että ominaisimpulssia voidaan käyttää moottorin suorituskyvyn vertailuun missä tahansa maassa. Useimmat rakettimoottoreita tai suihkumoottoreita valmistavat yritykset käyttävät sekuntia mainostaakseen tuotteensa suorituskykyä.
Toinen yleinen tapa mitata ominaisimpulssi on metreinä sekunnissa (m/s), jota kutsutaan myös pakokaasun teholliseksi nopeudeksi. Monissa moottoreissa tehollinen pakokaasunopeus on eri kuin nopeus, jolla kaasut todella tulevat ulos suuttimesta.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Suihkumoottori
- Impulssi (fysiikka) - impulssimuutos.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on spesifinen impulssi?
V: Ominaisimpulssi (usein lyhennettynä Isp) on tapa kuvata, kuinka hyvin raketti- tai suihkumoottori toimii. Sitä voidaan käyttää erikokoisten rakettien vertailuun ja sen avulla voidaan mitata, kuinka paljon voimaa moottori tuottaa kutakin polttoainepalaa kohden.
K: Miten ominaisimpulssi mitataan?
V: Ominaisimpulssi mitataan tietämällä, kuinka paljon polttoainetta moottorissa on, ja laskemalla, kuinka paljon voimaa se tuottaa kyseisellä polttoainemäärällä.
K: Mitä suuri ominaisimpulssi tarkoittaa?
V: Suuri ominaisimpulssi tarkoittaa, että raketti tarvitsee vähemmän polttoainetta toimiakseen yhtä hyvin, joten se käyttää polttoainetta tehokkaammin kuin raketti, jonka ominaisimpulssi on pienempi.
K: Miten voimme käyttää ominaisimpulssia moottoreiden vertailuun?
V: Ominaisimpulssia voidaan käyttää samaan tapaan kuin mailia gallonaa kohti tai litraa 100 kilometriä kohti käytetään autojen vertailussa, jolloin raketti- tai suihkumoottoreita voidaan vertailla niiden tehokkuuden perusteella.
K: Tarkoittaako korkeampi ominaisimpulssi sitä, että moottori on "tehokkaampi"?
V: Ei, korkeampi ominaisimpulssi ei välttämättä tarkoita, että moottori on "tehokkaampi". Itse asiassa korkeimman ominaisimpulssin omaavien moottoreiden mallit ovat yleensä kiihtyvyydeltään heikoimmat.
K: Miten kaksi rakettia, joissa on eri moottorit mutta sama polttoainemäärä, kilpailevat toisiaan vastaan?
V: Kahden saman polttoainemäärän ja kahden eri moottorin omaavan raketin välisessä kilpailussa tehokkaammalla moottorilla varustettu raketti menee alkuvaiheessa johtoon, mutta kun se on polttanut kaiken polttoaineensa loppuun, korkeammalla ominaisimpulssilla varustetulla raketilla on vielä polttoainetta jäljellä, ja se jatkaa kiihdyttämistä, kunnes se lopulta ohittaa vastapuolensa, jos etäisyys riittää käyttämään pitkän aikavälin etuaan.
