انگیزه خاص: تعریف مفهوم، ویژگی ها، محاسبه

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

ضربه خاص (SP) معیاری است که نشان می دهد موشک یا موتور چقدر سوخت مصرف می کند. طبق تعریف، این کل موج تحویلی به ازای واحد توان مصرفی است و از نظر اندازه معادل نیروی رانش تولید شده تقسیم بر جریان جرمی است. اگر کیلوگرم به عنوان واحد پیشرانه استفاده شود، ضربه خاص بر حسب سرعت اندازه گیری می شود. اگر به جای آن از یک وزن بر حسب نیوتن یا پوند نیرو استفاده شود، مقدار خاص بر حسب زمان بیان می شود، معمولاً بر حسب ثانیه.

ضرب سرعت جریان در گرانش استاندارد GI را به جرم تبدیل می کند.

معادله تسیولکوفسکی

ضربه خاص یک موتور با جرم بالاتر به طور مؤثرتری برای ایجاد رانش به جلو استفاده می شود. و در صورت استفاده از موشک، سوخت کمتری مورد نیاز است. این اوست که برای این delta-v مورد نیاز است. با توجه به معادلهTsiolkovsky، در ضربه خاص یک موتور موشک، موتور در بالا رفتن، مسافت و سرعت کارآمدتر است. این عملکرد در مدل های راکتیو اهمیت کمتری دارد. که از بال و هوای بیرون برای احتراق استفاده می کنند. و محموله ای را حمل کنید که بسیار سنگین تر از سوخت است.

تکانه خاص شامل حرکتی است که توسط هوای بیرونی که برای احتراق استفاده می شود ایجاد می شود و با سوخت مصرف شده تخلیه می شود. موتورهای جت از فضای بیرون برای این کار استفاده می کنند. و بنابراین رابط کاربری بسیار بالاتری نسبت به موتورهای موشک دارند. این مفهوم از نقطه نظر جرم سوخت مصرفی دارای واحدهای اندازه گیری فاصله در طول زمان است. که یک مقدار مصنوعی به نام "سرعت گاز اگزوز موثر" هستند. این بالاتر از سرعت واقعی اگزوز است. زیرا جرم هوا برای احتراق در نظر گرفته نمی شود. سرعت واقعی و موثر اگزوز در موتورهای موشکی که به عنوان مثال از هوا یا آب استفاده نمی کنند یکسان است.

ملاحظات کلی

مقدار سوخت معمولاً بر حسب واحد جرم اندازه گیری می شود. اگر از آن استفاده شود، آنگاه ضربه خاص، ضربه در هر EM است که، همانطور که با تجزیه و تحلیل اندازه نشان داده شده است، دارای واحد سرعت است. و بنابراین UI اغلب بر حسب متر در ثانیه اندازه گیری می شود. و اغلب به عنوان سرعت موثر اگزوز شناخته می شود. با این حال، اگر از جرم استفاده شود، تکانه ویژه سوخت تقسیم بر نیرو یک واحد زمان است. و بنابراین فشارهای خاص در ثانیه اندازه گیری می شوند.

این قانون است که اصلی ترین قانون در دنیای مدرن است که به طور گسترده با آن استفاده می شودضریب r₀ (ثابت شتاب گرانشی روی سطح زمین).

شایان ذکر است که نرخ تغییر ضربه موشک (شامل سوخت آن) در واحد زمان برابر است با ضربه رانش خاص.

مشخصات

هر چه فشار بیشتر باشد، سوخت کمتری برای ایجاد یک رانش معین برای مدت زمان معینی مورد نیاز است. در این زمینه، مایع موثرتر است، هر چه رابط کاربری آن بیشتر باشد. با این حال، این را نباید با راندمان انرژی اشتباه گرفت، که می تواند با افزایش نیروی رانش کاهش یابد، زیرا ضربه خاص موتور، که نتایج بالایی می دهد، به انرژی زیادی برای انجام این کار نیاز دارد.

همچنین، مهم است که یک کشش را با یک فشار خاص تشخیص دهید و آن را اشتباه نگیرید. رابط کاربری به ازای هر واحد سوخت مصرفی ایجاد می شود. و رانش نیروی لحظه ای یا اوج است که توسط یک وسیله خاص ایجاد می شود. در بسیاری از موارد، سیستم‌های نیروی محرکه ضربه‌ای خاص بسیار بالا - برخی از تاسیسات یونی به 10000 ثانیه می‌رسند - نیروی رانش کم تولید می‌کنند.

هنگام محاسبه فشار، فقط سوختی که قبل از استفاده با خودرو حمل می شود در نظر گرفته می شود. بنابراین، برای یک شیمیدان موشک، جرم هم شامل پیشران و هم اکسیدکننده خواهد بود. برای موتورهای تنفس هوا، فقط مقدار مایع در نظر گرفته می شود، نه جرم هوای عبوری از موتور.

کشش اتمسفر و ناتوانی کارخانه در حفظ تکانه ویژه بالا در سرعت سوختن بالا، دقیقاً دلیل این است که تمام سوخت در سریع ترین زمان ممکن استفاده نمی شود.

سنگین تریک موتور با MI خوب ممکن است به اندازه یک ابزار سبک با عملکرد ضعیف در صعود، مسافت یا سرعت موثر نباشد

اگر مقاومت هوا و کاهش مصرف سوخت در طول پرواز نبود، MI یک معیار مستقیم برای کارایی موتور در تبدیل جرم به نیروی محرکه جلو بود.

تکانه خاص در چند ثانیه

رایج ترین واحد برای یک فشار خاص، Hs است. هم در زمینه SI و هم در مواردی که از مقادیر امپریالیستی یا متعارف استفاده می شود. مزیت ثانیه این است که واحد اندازه گیری و مقدار عددی برای همه سیستم ها یکسان است و اساساً جهانی هستند. تقریباً همه سازندگان عملکرد موتور خود را در چند ثانیه فهرست می کنند. و چنین وسیله ای برای تعیین مشخصات یک وسیله هواپیما نیز مفید است.

استفاده از متر در ثانیه برای یافتن سرعت موثر اگزوز نیز نسبتاً رایج است. این بلوک هنگام توصیف موتورهای موشک بصری است، اگرچه سرعت موثر اگزوز دستگاه ها ممکن است به طور قابل توجهی با سرعت واقعی متفاوت باشد. این به احتمال زیاد به دلیل پرتاب شدن سوخت و اکسید کننده پس از روشن شدن توربوپمپ ها به بیرون است. برای موتورهای جت تنفس هوا، سرعت موثر اگزوز معنای فیزیکی ندارد. اگرچه ممکن است برای مقاصد مقایسه استفاده شود.

واحد

مقادیر بیان شده در N s (به کیلوگرم) غیر معمول نیستند و از نظر عددی برابر با سرعت موثر اگزوز بر حسب متر بر ثانیه (از قانون دوم نیوتن و قانون او هستند).تعاریف).

یکی دیگر از واحدهای معادل مصرف سوخت خاص است. دارای واحدهای اندازه گیری مانند g (kN s) یا lb/hr. هر یک از این واحدها با تکانه خاصی نسبت معکوس دارد. و مصرف سوخت به طور گسترده ای برای توصیف عملکرد موتورهای جت استفاده می شود.

تعریف کلی

برای همه وسایل نقلیه، ضربه خاص (فشار بر واحد وزن سوخت روی زمین) در ثانیه را می توان با معادله زیر تعیین کرد.

برای روشن شدن وضعیت، مهم است که روشن شود:

1. F نیروی گرانش استاندارد است که اسماً به عنوان توان روی سطح زمین، بر حسب m/s 2 (یا فوت/s مربع) بیان می شود.
2. g نرخ جریان جرم بر حسب کیلوگرم بر ثانیه است که با توجه به نرخ تغییر جرم خودرو در طول زمان (هنگامی که سوخت به بیرون رانده می شود) منفی به نظر می رسد.

اندازه گیری

واحد انگلیسی، پوند، بیشتر از واحدهای دیگر استفاده می شود. و همچنین هنگام اعمال این مقدار در ثانیه برای نرخ جریان، هنگام تبدیل، ثابت r 0 غیر ضروری می شود. همانطور که از نظر ابعادی معادل پوند تقسیم بر g 0 می شود.

I sp in seconds زمانی است که دستگاه می تواند با توجه به مقدار پیشرانه ای که وزن آن برابر با رانش است، یک ضربه خاص از رانش موتور موشک ایجاد کند.

مزیت این عبارت این است که می توان از آن استفاده کردراکت ها، که در آن کل جرم واکنش در هواپیما منتقل می شود، و همچنین برای هواپیماها، که در آن بیشتر جرم واکنش از جو گرفته می شود. همچنین، نتیجه ای مستقل از واحدهای استفاده شده به دست می دهد.

ضربه خاص به عنوان سرعت (سرعت موثر اگزوز)

به دلیل ضریب زمین مرکزی g 0 در معادله، بسیاری ترجیح می دهند رانش موشک (به ویژه) را بر حسب رانش در واحد جرم جریان سوخت تعریف کنند. این یک راه به همان اندازه معتبر (و از جهاتی تا حدودی ساده تر) برای تعیین بازده ضربه ای خاص یک پیشرانه است. اگر گزینه های دیگر را در نظر بگیریم، وضعیت تقریباً در همه جا یکسان خواهد بود. موشک های یک ضربه خاص به سادگی سرعت موثر اگزوز نسبت به دستگاه هستند. دو ویژگی یک فشار خاص با یکدیگر متناسب هستند و به شرح زیر مرتبط هستند.

برای استفاده از فرمول، باید بدانید که:

1. I - تکانه خاص در چند ثانیه.
2. v - فشار، بر حسب متر بر ثانیه اندازه‌گیری می‌شود. که برابر با سرعت موثر اگزوز است که بر حسب m/s (یا فوت/ثانیه، بسته به مقدار g) اندازه‌گیری می‌شود.
3. g استاندارد گرانش است، 9.80665 m/s 2. در واحدهای امپراتوری 32.174 فوت بر ثانیه 2.

این معادله برای موتورهای جت نیز صدق می کند، اما به ندرت در عمل استفاده می شود.

توجه داشته باشید که گاهی اوقات از کاراکترهای مختلف استفاده می شود. برای مثال c برای سرعت اگزوز نیز در نظر گرفته می شود. در حالی که نمادsp به طور منطقی می تواند برای UI در واحدهای N s/kg استفاده شود. برای جلوگیری از سردرگمی، بهتر است آن را برای یک مقدار خاص رزرو کنید، که در چند ثانیه قبل از شروع توضیحات اندازه‌گیری می‌شود.

این مربوط به رانش یا نیروی حرکت ضربه خاص موتور موشک، فرمول است.

در اینجا m مقدار مصرف سوخت انبوه است که میزان کاهش در بزرگی وسیله نقلیه است.

به حداقل رساندن

موشک باید تمام پیشران خود را حمل کند. بنابراین، توده مواد غذایی نسوخته باید همراه با خود دستگاه تسریع شود. به حداقل رساندن مقدار سوخت مورد نیاز برای دستیابی به یک رانش معین برای ساخت موشک های کارآمد بسیار مهم است.

فرمول ضربه خاص تسیولکوفسکی نشان می دهد که برای موشکی با جرم خالی معین و مقدار مشخصی سوخت، کل تغییر سرعت را می توان متناسب با سرعت موثر اگزوز به دست آورد.

یک فضاپیمای بدون ملخ در مداری که با مسیر حرکت و هر میدان گرانشی تعیین می شود حرکت می کند. انحراف از الگوی سرعت متناظر (به نام Δv) با فشار دادن توده گاز خروجی در جهت مخالف تغییر مورد نظر به دست می‌آید.

سرعت واقعی در مقابل سرعت موثر

در اینجا شایان ذکر است که این دو مفهوم می توانند تفاوت قابل توجهی داشته باشند. به عنوان مثال، هنگامی که یک موشک در جو پرتاب می شود، فشار هوای خارج از موتور باعث می شودنیروی ترمز که ضربه خاص را کاهش می دهد و سرعت موثر اگزوز کاهش می یابد، در حالی که سرعت واقعی عملاً بدون تغییر باقی می ماند. علاوه بر این، گاهی اوقات موتورهای موشک دارای یک نازل مجزا برای گاز توربین هستند. سپس محاسبه سرعت موثر اگزوز مستلزم میانگین گیری دو جریان جرمی و همچنین در نظر گرفتن هرگونه فشار اتمسفر است.

افزایش کارایی

برای موتورهای جت تنفس هوا، به ویژه توربوفن ها، سرعت واقعی اگزوز و سرعت موثر چندین مرتبه متفاوت است. این به این دلیل است که هنگام استفاده از هوا به عنوان جرم واکنش، حرکت اضافی قابل توجهی حاصل می شود. این امکان تطابق بهتر بین سرعت هوا و سرعت اگزوز را فراهم می کند که باعث صرفه جویی در انرژی و سوخت می شود. و به طور قابل توجهی مؤلفه مؤثر را افزایش می دهد و در عین حال سرعت واقعی را کاهش می دهد.

کارایی انرژی

برای موشک ها و موتورهای موشک مانند مانند مدل های یونی، sp به معنای بهره وری انرژی کمتر است.

در این فرمول، v _e سرعت جت واقعی است.

بنابراین نیروی مورد نیاز متناسب با هر سرعت اگزوز است. در سرعت‌های بالاتر، نیروی بسیار بیشتری برای نیروی رانش یکسان مورد نیاز است که در نتیجه یک واحد بازده انرژی کمتری دارد.

با این حال، کل انرژی برای یک مأموریت به مصرف کل سوخت و همچنین مقدار انرژی مورد نیاز در هر واحد بستگی دارد. برای سرعت اگزوز پاییندر مورد ماموریت delta-v، مقادیر زیادی جرم واکنش مورد نیاز است. در واقع، به همین دلیل، سرعت بسیار پایین اگزوز انرژی کارآمد نیست. اما معلوم شد که هیچ تیپی بالاترین امتیاز را ندارد.

متغیر

از نظر تئوری، برای یک دلتا-v معین، در فضا، از بین تمام مقادیر سرعت اگزوز ثابت، v_e=0.6275 بیشترین بازده انرژی برای یک جرم نهایی معین است. برای کسب اطلاعات بیشتر، می توانید انرژی موجود در دستگاه رانش فضاپیما را مشاهده کنید.

با این حال، نرخ‌های متغیر اگزوز می‌تواند حتی در مصرف انرژی کارآمدتر باشد. به عنوان مثال، اگر یک موشک با سرعت اولیه مثبت با استفاده از سرعت خروجی که برابر با سرعت محصول است شتاب بگیرد، هیچ انرژی به عنوان یک جزء جنبشی جرم واکنش از دست نمی رود. همانطور که ثابت می شود.