AlegsaOnline.com

Ειδική ώθηση

Συγγραφέας: Leandro Alegsa

09-04-3647

Η ειδική ώθηση (συχνά συντομεύεται σε I_sp ) είναι ένας τρόπος για να περιγράψουμε πόσο καλά αποδίδει ένας πύραυλος. Χρησιμοποιείται επίσης για να περιγράψει πόσο καλά αποδίδει ένας κινητήρας τζετ. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση πυραύλων διαφορετικών μεγεθών. Είναι ένας τρόπος για να γνωρίζουμε πόση δύναμη παράγει ένας συγκεκριμένος κινητήρας για κάθε ποσότητα καυσίμου. Για να γίνει αυτό, πρέπει να γνωρίζει κανείς πόσα καύσιμα υπάρχουν στον κινητήρα. Μια υψηλή ειδική ώθηση σημαίνει ότι ένας πύραυλος χρειάζεται λιγότερα καύσιμα για να αποδώσει το ίδιο καλά. Εάν η ειδική ώθηση είναι χαμηλότερη, σημαίνει ότι ο πύραυλος χρειάζεται περισσότερα καύσιμα για να αποδώσει το ίδιο καλά.

Η ειδική ώθηση είναι μια χρήσιμη τιμή για τη σύγκριση των κινητήρων πυραύλων ή τζετ. Χρησιμοποιείται όπως τα μίλια ανά γαλόνι ή τα λίτρα ανά 100 χιλιόμετρα χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση αυτοκινήτων. Ένας κινητήρας με υψηλότερη ειδική ώθηση χρησιμοποιεί καλύτερα το καύσιμο. Αυτό σημαίνει ότι η ίδια ποσότητα καυσίμου αφήνει τον πύραυλο να πάει πιο γρήγορα μετά την εξάντληση όλων των καυσίμων.

Ένας κινητήρας πυραύλου με μεγαλύτερη ειδική ώθηση δεν σημαίνει ότι είναι "ισχυρότερος". Δηλαδή, δεν θα κάνει τον πύραυλο να επιταχύνει περισσότερο. Στην πραγματικότητα, τα σχέδια για κινητήρες με την υψηλότερη ειδική ώθηση, όπως οι κινητήρες ιόντων, είναι τα πιο "αδύναμα" από όλους τους τύπους κινητήρων. Επιταχύνουν τον πύραυλο αργά αλλά σταθερά για μεγάλο χρονικό διάστημα χρησιμοποιώντας μόνο μια μικρή ποσότητα καυσίμου. Σε μια κούρσα μεταξύ δύο πυραύλων με την ίδια ποσότητα καυσίμου και δύο διαφορετικούς κινητήρες, αυτός με τον ισχυρότερο κινητήρα θα πάρει από νωρίς το προβάδισμα, αλλά όταν κάψει όλα τα καύσιμά του, ο πύραυλος με την υψηλότερη ειδική ώθηση θα έχει ακόμα λίγο καύσιμο και θα συνεχίσει να επιταχύνει. Τελικά θα προσπεράσει τον αντίστοιχο και θα κερδίσει τον αγώνα, αν η απόσταση είναι αρκετά μεγάλη ώστε να χρησιμοποιήσει το μακροπρόθεσμο πλεονέκτημά του.

Ένα σχήμα που δείχνει τη δύναμη που αναπτύσσει ένας κινητήρας πυραύλου Estes A10-PT για περίπου 1 δευτερόλεπτο. Υπάρχουν επίσης πληροφορίες σχετικά με την ώθηση, την ποσότητα καυσίμου και την ειδική ώθηση.

Μετρήσεις

Υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους οι άνθρωποι βρίσκουν τον αριθμό για συγκεκριμένη παρόρμηση. Για να βρεθεί η ειδική ώθηση, διαιρείται η ώθηση με την ποσότητα καυσίμου. Η ώθηση είναι μια μέτρηση του πόση δύναμη παράγει ένας πυραυλοκινητήρας και για πόσο χρονικό διάστημα. Ένας κινητήρας που παράγει χαμηλή δύναμη για μεγάλο χρονικό διάστημα μπορεί μερικές φορές να έχει μεγαλύτερη ώθηση από έναν κινητήρα που παράγει υψηλή δύναμη για μικρό χρονικό διάστημα. Η ώθηση μετράται σε Νιούτον επί δευτερόλεπτα (N*s).

Η ποσότητα καυσίμου που χρησιμοποιείται για την εύρεση της ειδικής ώσης μπορεί να μετρηθεί με διάφορους τρόπους. Άλλοτε μετράται σε μάζα και άλλοτε σε βάρος. Όταν η ποσότητα καυσίμου μετράται σε μάζα, η ειδική ώθηση εκφράζεται ως ταχύτητα. Αυτή εκφράζεται συνήθως σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Όταν η ειδική ώση μετράται ως ταχύτητα, έχει άλλη ονομασία. Ονομάζεται επίσης αποτελεσματική ταχύτητα εξάτμισης. Ο άλλος τρόπος μέτρησης της ποσότητας καυσίμου είναι το βάρος. Εάν χρησιμοποιείται το βάρος, η ειδική ώθηση είναι σε μονάδες χρόνου, συνήθως σε δευτερόλεπτα. Και οι δύο αυτοί τρόποι είναι συνηθισμένοι. Και οι δύο συγκρίνουν την απόδοση των κινητήρων.

Όταν η ειδική ώθηση είναι υψηλότερη, απαιτείται λιγότερο καύσιμο για να αποδώσει ο πύραυλος σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο. Έτσι, ένα καύσιμο είναι πιο αποδοτικό αν η ειδική ώθηση είναι υψηλότερη.

Προσέξτε να μην συγχέετε την ώθηση και την ειδική ώθηση. Η ώθηση είναι μόνο η δύναμη που ασκείται από έναν πύραυλο σε μια χρονική στιγμή. Η ειδική ώθηση είναι ένα μέτρο της δύναμης με βάση το πόσο καύσιμο υπάρχει.

Όταν οι άνθρωποι βρίσκουν την ειδική ώθηση, το μόνο καύσιμο που μετράται είναι στον πύραυλο πριν εκτοξευθεί. Αυτό περιλαμβάνει το καύσιμο και τον οξειδωτή (το μέρος του καυσίμου που βοηθάει το καύσιμο να καεί). Ο οξειδωτής είναι μερικές φορές το οξυγόνο, ή συχνά κάτι άλλο (βλέπε κινητήρα πυραύλων#Υγρά, στερεά και υβρίδια).

Παραδείγματα

Ειδική ώθηση των διαφόρων τρόπων ώθησης ενός πυραύλου
Κινητήρας	Αποτελεσματική ταχύτητα εξάτμισης (m/s, kg-m/s/kg)	Ειδική (ες) ώθηση (ες)	Ενέργεια ανά kg καυσαερίων (MJ/kg)
Κινητήρας αεριωθούμενου αεροσκάφους turbofan (ο πραγματικός V είναι ~300)	29,000	3,000	~0.05
Πύραυλος στερεών καυσίμων	2,500	250	3
Πύραυλος υγρών καυσίμων	4,400	450	9.7
Προωθητής ιόντων	29,000	3,000	430
Ηλεκτροστατικός προωθητής ιόντων διπλού σταδίου τεσσάρων πλεγμάτων	210,000	21,400	22,500
VASIMR	30,000-120,000	3,000-12,000	1,400

Οι κινητήρες αεριωθούμενων (αεροπλάνων) χρησιμοποιούν τα καύσιμα καλύτερα από τους πυραυλοκινητήρες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα αέρια δεν διαφεύγουν τόσο γρήγορα. Επειδή δεν διαφεύγουν τόσο γρήγορα, τα καυσαέρια δεν μεταφέρουν τόση ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι ο κινητήρας τζετ χρησιμοποιεί πολύ λιγότερη ενέργεια για να ωθήσει τον αεριωθούμενο κινητήρα. Αυτό συμβαίνει επίσης επειδή ο αέρας που περνάει μέσα από τον κινητήρα καθώς το τζετ πετάει στον αέρα βοηθάει το καύσιμο να καίγεται γρηγορότερα.

Μοντέλο πυραυλικής ενέργειας

Η ειδική ώθηση χρησιμοποιείται επίσης για να περιγράψει πόσο καλά λειτουργούν οι κινητήρες μοντέλων πυραύλων. Στον παρακάτω πίνακα παρατίθενται ορισμένες από τις τιμές που ισχυρίζεται η Estes για την ειδική ώθηση για διάφορους από τους κινητήρες πυραύλων της: Η Estes Industries είναι ένας μεγάλος, γνωστός αμερικανικός πωλητής μοντέλων πυραύλων και εξαρτημάτων πυραύλων. Η ειδική ώθηση για τους κινητήρες μοντέλων πυραύλων είναι πολύ χαμηλότερη από ό,τι για πολλούς άλλους κινητήρες πυραύλων, επειδή χρησιμοποιείται η μαύρη σκόνη ως καύσιμο. Η μαύρη σκόνη χρησιμοποιείται στους κινητήρες πυραύλων μοντέλων επειδή κοστίζει λιγότερο.

Κινητήρας	Συνολική ώθηση (Ns)	Βάρος καυσίμου (N)	Ειδική ώθηση (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
Ειδικές ώσεις για διάφορους κινητήρες πυραύλων Estes.

Μεγαλύτεροι κινητήρες πυραύλων

Ακολουθούν μερικά παραδείγματα αριθμών για μεγαλύτερους πυραυλοκινητήρες:

Τύπος κινητήρα	Παράδειγμα χρήσης	Ειδική ώθηση (s)	Αποτελεσματική ταχύτητα εξάτμισης (m/s)
Κινητήρας πυραύλων NK-33	Κενό	331	3,240
Κινητήρας πυραύλων SSME	Κενό διαστημικού λεωφορείου	453	4,423
Ramjet	Mach 1	800	7,877
Αεριοστρόβιλος J-58	SR-71 στα 3,2 Μαχ (υγρό)	1,900	18,587
Rolls-Royce/Snecma Olympus 593	Πτήση Concorde Mach 2 (Ξηρά)	3,012	29,553
CF6-80C2B1F turbofan	Κρουαζιέρα με Boeing 747-400	5,950	58,400
Στροβιλοανεμιστήρας CF6 της General Electric	Επίπεδο της θάλασσας	11,700	115,000
Αριθμοί ειδικής ώσης και πραγματικής ταχύτητας καυσαερίων για μερικούς μεγαλύτερους πυραυλοκινητήρες.

Μονάδες

	Ειδική ώθηση (κατά βάρος)	Ειδική ώθηση (κατά μάζα)	Αποτελεσματική ταχύτητα εξάτμισης	Ειδική κατανάλωση καυσίμου
SI	=X δευτερόλεπτα	=9,8066 X N-s/kg	=9,8066 X m/s	=(101,972/X) g/kN-s
Αγγλικές μονάδες	=X δευτερόλεπτα	=X lbf-s/lb	=32,16 X ft/s	=(3,600/X) lb/lbf-h
Αγγλικές και SI (μετρικό σύστημα) μονάδες για διάφορες μετρήσεις απόδοσης πυραυλοκινητήρων.

Ο πιο συνηθισμένος τρόπος μέτρησης της ειδικής ώσης σήμερα χρησιμοποιεί τα δευτερόλεπτα. Αυτό χρησιμοποιείται τόσο στον κόσμο του SI (μετρικό σύστημα) όσο και εκεί όπου χρησιμοποιούνται αγγλικές μονάδες. Με αυτόν τον τρόπο οι μονάδες είναι πανομοιότυπες παντού. Αυτό σημαίνει ότι ο ειδικός παλμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση της απόδοσης του κινητήρα σε οποιαδήποτε χώρα. Οι περισσότερες εταιρείες που κατασκευάζουν κινητήρες πυραύλων ή αεριωθούμενων αεροσκαφών χρησιμοποιούν δευτερόλεπτα για να διαφημίσουν την απόδοση του προϊόντος τους.

Ο άλλος συνήθης τρόπος μέτρησης της ειδικής ώσης είναι σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m/s), η οποία ονομάζεται επίσης πραγματική ταχύτητα εξάτμισης. Για πολλούς κινητήρες η πραγματική ταχύτητα εξάτμισης είναι διαφορετική από την ταχύτητα με την οποία τα αέρια βγαίνουν πραγματικά από το ακροφύσιο.

Σχετικές σελίδες

Κινητήρας Jet
Impulse (φυσική) - η μεταβολή της ορμής

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Ερ: Τι είναι η ειδική ώθηση;

A: Η ειδική ώθηση (συχνά συντομεύεται ως Isp) είναι ένας τρόπος για να περιγράψουμε πόσο καλά αποδίδει ένας πύραυλος ή ένας κινητήρας τζετ. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση πυραύλων διαφορετικών μεγεθών και τη μέτρηση της δύναμης που παράγει ένας κινητήρας για κάθε κομμάτι καυσίμου.

Ερ: Πώς μετράται η ειδική ώθηση;

Α: Η ειδική ώθηση μετράται γνωρίζοντας πόση ποσότητα καυσίμου υπάρχει στον κινητήρα και υπολογίζοντας πόση δύναμη παράγει για αυτή την ποσότητα καυσίμου.

Ε: Τι σημαίνει υψηλή ειδική ώθηση;

Α: Υψηλός ειδικός παλμός σημαίνει ότι ένας πύραυλος χρειάζεται λιγότερα καύσιμα για να αποδώσει το ίδιο καλά, οπότε χρησιμοποιεί τα καύσιμα πιο αποτελεσματικά από έναν πύραυλο με χαμηλότερο ειδικό παλμό.

Ε: Πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ειδική ώθηση για να συγκρίνουμε κινητήρες;

Α: Ο ειδικός παλμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπως τα μίλια ανά γαλόνι ή τα λίτρα ανά 100 χιλιόμετρα χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση αυτοκινήτων, επιτρέποντάς μας να συγκρίνουμε πυραυλοκινητήρες ή κινητήρες αεριωθούμενων αεροσκαφών με βάση την αποτελεσματικότητά τους.

Ερ: Σημαίνει η υψηλότερη ειδική ώθηση ότι ένας κινητήρας είναι "ισχυρότερος";

Α: Όχι, η υψηλότερη ειδική ώση δεν σημαίνει απαραίτητα ότι ένας κινητήρας είναι "ισχυρότερος". Στην πραγματικότητα, τα σχέδια για κινητήρες με τους υψηλότερους ειδικούς παλμούς είναι συνήθως τα πιο αδύναμα όσον αφορά την ισχύ επιτάχυνσης.

Ερ: Πώς δύο πύραυλοι με διαφορετικούς κινητήρες αλλά με την ίδια ποσότητα καυσίμου ανταγωνίζονται μεταξύ τους;

Α: Σε έναν αγώνα ανάμεσα σε δύο πυραύλους με την ίδια ποσότητα καυσίμου και δύο διαφορετικούς κινητήρες, αυτός με τον ισχυρότερο κινητήρα θα πάρει νωρίς το προβάδισμα, αλλά όταν κάψει όλα τα καύσιμά του, ο πύραυλος με την υψηλότερη ειδική ώθηση θα έχει ακόμα λίγο καύσιμο και θα συνεχίσει να επιταχύνει μέχρι τελικά να προσπεράσει τον ομόλογό του, αν υπάρχει αρκετή απόσταση για να χρησιμοποιήσει το μακροπρόθεσμο πλεονέκτημά του.