Удельная тяга ракетного двигателя что это

Удельная тяга, или удельный импульс

Одним из основных показателей эффективности ракетного двигателя является удельная тяга, или удельный импульс. Под этими терминами-синонимами понимается одно и то же, но в различной формулировке.

Удельная тяга — это тяга двигателя, отнесенная к секунд­ному весовому расходу рабочего тела

(1.10)

где секундный расход берется, естественно, в условиях, приведенных к поверхности Земли.

Под удельным понимается импульс, который создает двига­тель на один килограмм веса отброшенного рабочего тела. Раз­личие между удельной тягой и удельным импульсом заключается лишь в том, что первая измеряется в , а второй — в . Как в величине, так и в размерности, ничего не меняется. Удельная тяга и удельный импульс измеряются в секун­дах, а терминологическая приверженность определяется лишь сложившимися традициями. В одних коллективах в силу при­вычки пользуются одним термином, в других — другим. В раз­говорном общении размерность «секунда» обычно игнорируется и заменяется словом «единица». Например, можно услышать: «Двигатель дает 315 единиц удельной тяги…» или — «Это позво­ляет повысить удельный импульс на три единицы. ». Согласно выражению (1.5)

(1.11)

Удельная тяга, как видим, определяется в первую очередь скоростью истечения Wa, которая зависит не только от свойств топлива, но и от конструктивных особенностей двигателя. В за­висимости от конструкции двигателя меняются условия сгора­ния топлива и истечения продуктов сгорания. Во всех типах ра­кетных двигателей имеется расход масс на внутренние нужды двигателя, как говорят, — на служебные цели. Например, — рас­ход продуктов разложения перекиси водорода на работу тур­бины и расход сжатого газа при стравливании из емкостей. Естественно, при подсчете удельной тяги этот необходимый, но непроизводительный расход массы должен суммироваться с ос­новным, что несколько снижает значение удельной тяги.

Чем выше удельная тяга, тем более совершенным является двигатель, а каждая дополнительная единица удельной тяги ценится очень высоко, особенно для основных силовых установок космических ракет.

Удельная тяга зависит от высоты полета. Поэтому, когда хотят охарактеризовать эффективность двигателя, то называют обычно его пустотную удельную тягу

где We — эффективная скорость истечения в м/сек.

Значение пустотной удельной тяги современных ракетных двигателей для всех существующих видов химических ракетных топлив лежит в пределах от 250 до 460 единиц.

Государственным Стандартом (ГОСТ 17655—72, Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения) для жидкостных ракетных двигателей в настоящее время введен еще один параметр, характеризующий эффективность, а именно, удельный импульс тяги ЖРДJy. Он отличается от удельного импульса тем, что тяга относится не к весовому, а к массовому секундному расходу

и измеряется не в сек, а в н•с/кг, т. е. в м/с. Удельный импульс тяги ЖРД — это уже знакомая нам эффективная ско­рость истечения, применение которой теперь распространяется и на атмосферный участок полета. Удельный импульс тяги ЖРД связан с удельной тягой очевидным соотношением:

а в числовом выражении:

Многословие термина провоцирует его сокращение, и удельный импульс тяги ЖРД нередко называют удельным импульсом, что влечет за собой смысловое искажение. Выручает, однако, де­сятикратное числовое различие. Если в технической докумен­тации для двигателя на химическом топливе удельный импульс указан в сотнях единиц, значит, речь действительно идет об удельном импульсе, измеряемом в сек; если же — в тысячах, можно не сомневаться, что это — удельный импульс тяги ЖРД, выраженный в м/с.

Источник

Удельная тяга, или удельный импульс

Одним из основных показателей эффективности ракетного двигателя является удельная тяга, или удельный импульс. Под этими терминами-синонимами понимается одно и то же, но в различной формулировке.

Удельная тяга — это тяга двигателя, отнесенная к секунд­ному весовому расходу рабочего тела

(1.10)

где секундный расход берется, естественно, в условиях, приведенных к поверхности Земли.

Под удельным понимается импульс, который создает двига­тель на один килограмм веса отброшенного рабочего тела. Раз­личие между удельной тягой и удельным импульсом заключается лишь в том, что первая измеряется в , а второй — в . Как в величине, так и в размерности, ничего не меняется. Удельная тяга и удельный импульс измеряются в секун­дах, а терминологическая приверженность определяется лишь сложившимися традициями. В одних коллективах в силу при­вычки пользуются одним термином, в других — другим. В раз­говорном общении размерность «секунда» обычно игнорируется и заменяется словом «единица». Например, можно услышать: «Двигатель дает 315 единиц удельной тяги…» или — «Это позво­ляет повысить удельный импульс на три единицы. ». Согласно выражению (1.5)

Читайте также:  Какое масло заливать в двигатель зимой в волгу

(1.11)

Удельная тяга, как видим, определяется в первую очередь скоростью истечения Wa, которая зависит не только от свойств топлива, но и от конструктивных особенностей двигателя. В за­висимости от конструкции двигателя меняются условия сгора­ния топлива и истечения продуктов сгорания. Во всех типах ра­кетных двигателей имеется расход масс на внутренние нужды двигателя, как говорят, — на служебные цели. Например, — рас­ход продуктов разложения перекиси водорода на работу тур­бины и расход сжатого газа при стравливании из емкостей. Естественно, при подсчете удельной тяги этот необходимый, но непроизводительный расход массы должен суммироваться с ос­новным, что несколько снижает значение удельной тяги.

Чем выше удельная тяга, тем более совершенным является двигатель, а каждая дополнительная единица удельной тяги ценится очень высоко, особенно для основных силовых установок космических ракет.

Удельная тяга зависит от высоты полета. Поэтому, когда хотят охарактеризовать эффективность двигателя, то называют обычно его пустотную удельную тягу

где We — эффективная скорость истечения в м/сек.

Значение пустотной удельной тяги современных ракетных двигателей для всех существующих видов химических ракетных топлив лежит в пределах от 250 до 460 единиц.

Государственным Стандартом (ГОСТ 17655—72, Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения) для жидкостных ракетных двигателей в настоящее время введен еще один параметр, характеризующий эффективность, а именно, удельный импульс тяги ЖРДJy. Он отличается от удельного импульса тем, что тяга относится не к весовому, а к массовому секундному расходу

и измеряется не в сек, а в н•с/кг, т. е. в м/с. Удельный импульс тяги ЖРД — это уже знакомая нам эффективная ско­рость истечения, применение которой теперь распространяется и на атмосферный участок полета. Удельный импульс тяги ЖРД связан с удельной тягой очевидным соотношением:

а в числовом выражении:

Многословие термина провоцирует его сокращение, и удельный импульс тяги ЖРД нередко называют удельным импульсом, что влечет за собой смысловое искажение. Выручает, однако, де­сятикратное числовое различие. Если в технической докумен­тации для двигателя на химическом топливе удельный импульс указан в сотнях единиц, значит, речь действительно идет об удельном импульсе, измеряемом в сек; если же — в тысячах, можно не сомневаться, что это — удельный импульс тяги ЖРД, выраженный в м/с.

Источник

Удельный импульс: сортируем ракетные движки по эффективности

Что такое удельный импульс?

Удельный импульс ракетного двигателя — один из основных показателей его эффективности, это отношение создаваемого им импульса к расходу затраченного топлива. Увеличивая удельный импульс, мы увеличиваем массу полезной нагрузки при том же количестве топлива. При недостаточном удельном импульсе ракета будет неэффективна. Особенно влияет на полезную нагрузку удельный импульс верхних ступеней, я слышал (как бы шутка) даже призыв сажать в тюрьму за использование на верхних ступенях любых двигателей, кроме водородных (у них один из лучших возможных показателей). Что влияет на удельный импульс и как его увеличить?

1. Температура газа в камере сгорания. Чем горячее — тем лучше. Температуру можно увеличить подбором наилучшей пары топливо-окислитель.

2. Молекулярная масса газа в камере сгорания. Чем меньше — тем лучше.

3. Давление газа в камере сгорания. Чем выше — тем лучше. Давление в камере сгорания всегда меньше, чем в турбонасосе (иначе топливо не пойдёт). Поэтому для повышения удельного импульса важен хороший турбонасос (создающий давление повыше).

4. Давление газа на выходе из сопла. Чем ниже — тем лучше. Зависит от окружающей среды. В атмосфере удельный импульс всегда меньше, чем в вакууме.

5. Эффективность использования топлива. Когда часть топлива сжигается в турбонасосе и выбрасывается (двигатель открытого типа) — удельный импульс будет снижаться. Наш выбор — двигатель закрытого типа с полным дожиганием компонентов (если мы говорим о жидкостных двигателях).

Чаще всего меры по увеличению удельного импульса приводят к уменьшению тяги, а увеличение тяги — к уменьшению удельного импульса. Поэтому на первых ступенях используют двигатели с высокой тягой и низким удельным импульсом (У двигателя F-1 Первой ступени ракеты Сатурн-5 удельный импульс на уровне моря — 263с, что довольно мало), а на верхних — высокий удельный импульс при низкой тяге.

Посмотрим удельный импульс различных двигателей.

1. Любительские твердотопливные двигатели — 100-130 c.

Любительские двигатели для моделей ракет на сорбитовой карамели — 100 с или несколько выше. Самый высокий параметр, который встречал — 130 с. Если есть ракетомоделисты или их знакомые — напишите в комментарии удельный импульс ваших двигателей — лично мне очень интересно.

Читайте также:  К чему может привести неисправная подушка двигателя

Источник

Ликбез по физике (4). Тяга и удельный импульс ракетных двигателей

Внимательное, вдумчивое прочтение этой статьи поможет разобраться с многими проблемами современной школьной физики а также поможет в решении задач с вертолётами.

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.

Остолопов прошу не беспокоить меня и нормальных читателей тупыми комментами и своим бестолковым блеянием. Тупые комментарии буду просто стирать, а их бестолковых авторов — банить.

Напомню основные принципы обучения, высказанные умными людьми. Аристипп Киренейский: «Детей надо учить тому, что пригодится им, когда они вырастут» . Академик АН СССР Г.С. Ландсберг, главный редактор многократно переиздаваемого «Элементарного учебника физики»: » Преподавание в средней школе, как, впрочем, и всякое иное преподавание, не может быть, конечно, исчерпываю­щим. Однако его необходимо строить таким образом, чтобы в дальнейшем учащийся мог и должен был бы доучиваться, но никогда не был бы вынужден переучиваться . «

Однако, преподавание физики в современной школе осуществляется ВОПРЕКИ этим двум основным принципам обучения. Детям вдалбливают представления о мироустройстве, о физических законах на уровне представлений, ошибок и заблуждений XVII. XVIII веков. Я не хочу сказать, что всё, привнесённое учёными того времени в физику, было целиком и полностью ошибками и заблуждениями, вовсе нет. Взять, к примеру, три закона Ньютона, на которых и выстроена вся праильная физика. Но многие теории требуют немедленного пересмотра — например, пора отказаться от понимания энергии, предложенного Лейбницем * (mgh и mV^2/2)

*Там длинная статья, не для куриных мозгов. В принципе, все обоснования отказа от энергии, придуманной Готтфридом Лейбницем, и соответственно, от закона сохранения этой лейбницевской энергии, уже имеются в других моих статьях на этом канале «Не верь стереотипам». Перечень этих статей можно найти тут .

Как я говорил, мы (человечество) уже двадцать лет тому назад шагнули в новое тысячелетие, в конце XVII — начале XVIII века изобрели паровые двигатели, потом заменили их на более совершенные двигатели внутреннего сгорания, построили сотни миллионов автомобилей, причем в некоторых особо развитых странах, число автомобилей, мощность каждого из которых измеряется десятками и сотнями лошадиных сил, уже сравнивается с числом жителей. Мы покорили небо — самолётами и вертолётами, так что перелёт из одной страны в другую стал более обыденной вещью, чем в XIX веке переезд дворянской семьи на лето из города в поместье. Более того — 60 лет тому назад мы шагнули в космос. Но в школах до сих пор преподают физику на уровне, когда качестве тяги использовали людей, ослов и лошадей.

В школах до сих пор учат, что:

Работа равна: A = F S cosα

Мощность равна : N = A / t

КПД равен = А_полезная / Е_затраченная

Можно ли с помощью этих формул определить работу, совершаемую реактивными ракетными двигателями? Определить их мощность? Определить их КПД? Смотрим на рис. 1. Предположим, что у нас есть две ракеты, одна из которых «стоит на столбе» пламени изрыгаемого реактивным ракетным двигателем, а другая, уже набрав к этом моменту некоторую скорость, продолжает равномерно подниматься вверх.:

Может быть, попросим помощи для решения этой простой задачи у академических дедушек из ОФН РАН, у чиновников из Министерств просвещения, а также высшего образования и науки, у школьных учителей физики, наконец?

Не обижайтесь. Придурков, которые начнут писать тупые посты в стиле «а как же разрабатывали и строили ракеты до этого?» я буду сразу банить.

Что мне нравится у ракетчиков — они будто бы позабыли про все те глупости, которыми их пичкали в школе. Если мы посмотрим на характеристики ракеты-носителя, то там мы не увидим ни мощности двигателей (напомню, что, согласно школьных учебников, мощность — это работа. выполняемая в единицу времени), ни коэффициентов полезного действия, ни тем более «положительной и отрицательной работы», существование которых проповедовали остолопы-теоретики Ландау и Лифшиц, или одной из последних глупостей, изобретенных остолопами-теоретиками — «мощности силы»**

**Если кто знает автора этой беспросветной глупости, автора этой невероятной чуши, кто первым занёс этот вопиющий идиотизм в физику, расскажите мне, пожалуйста.

Давайте посмотрим на ТТХ (тактико-технические характеристики) любой ракеты-носителя. Возьмём, к примеру, «Ангару -1.2ПП»:

Читайте также:  Какая мощность двигателя для лодки пвх

Вы где-нибудь видите среди ТТХ мощность? КПД? Или, боже упаси, «мощность силы»? Нет, мы видим лишь ТЯГУ, которая с успехом заменяет ракетчикам мощность, причем она различная на уровне моря и в вакууме — по причине разницы внешнего давления, видим УДЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС — это показатель эффективности двигателя, что-то вроде КПД и видим ВРЕМЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ, которое помогает рассчитать весь импульс силы, необходимый для вывода космического корабля на орбиту Земли. Ведь поднимает ракету в небо, в космос, не энергия, придуманная 3,5 века тому назад Лейбницем, а импульс силы, на основании второго закона Ньютона, которому, как ни странно, тоже 3,5 века: Δ(mV) = ∫ F(t) dt — это второй закон Ньютона в дифференциальной форме. Масса m и скорость ракеты V, а также тяга маршевых двигателей постоянно меняются — и в этом есть некоторая сложность расчётов космических стартов. На самом деле надо еще учитывать плотность атмосферного воздуха, его сопротивление движению ракеты, даже географическую широту, с которой стартует ракета, но это уже «высший пилотаж», которым мы не будем забивать пока головы — важно понять основы.

Давайте посмотрим ТТХ реактивного ракетного двигателя РД-191, применяемого в первой ступени этой ракеты-носителя.

Давайте сначала остановимся на ТЯГЕ — то есть той самой движущей силе, которая и отправляет ракеты в космос.

Заглянем в гости к барышне Вики — так как в освоении космоса Россия, со времён СССР, впереди планеты всей, то разумеется, русскоязычной Вики доверия в «космических вопросах» больше всего:

И что же мы тут видим?

То есть F = V_eff * dm/dt

Или же, в более понятной форме: F * dt = V_eff * dm из которого и получаем Δ(mV_eff) = ∫ F(t) dt

Второй закон Ньютона РУЛИТ .

То есть — энергия ракетного топлива (пропелланта, состоящего из керосина РГ-1 и жидкого кислорода) тратится на создание требуемой тяги, подъёмной силы в течение определенного времени — то есть на создание импульса силы, который и позволит выполнить ПОЛЕЗНУЮ работу по запуску на орбиту Земли нового спутинка или космического корабля.

А что с энергией имени Лейбница? Где же она? Если сказать честно , то — в полной ж. — взять, к примеру, расчёт этих «лейбницевских энергий» по телеметрии старта ракеты Falcon-9 . Но тем не менее, эту дурь насчёт mgh и mV^2/2 продолжают чуть ли молотком вдалбливать в головёнки несчастных школьников.

Что же такое УДЕЛЬНАЯ ТЯГА, вернее правильно называть эту величину УДЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС двигателя?

Удельный импульс — это как раз и есть показатель ЭФФЕКТИВНОСТИ реактивного ракетного двигателя в чистом виде. Он показывает, сколько пропелланта, т.е. ракетного топлива надо сжечь, чтобы создать единичную движущую силу (1 ньютон или 1 кГс) в течение единицы времени (1 секунда). Вопрос для проверки усвоения: допустим имеются три реактивных двигателя. Один, затрачивая 1 грамм топлива, может создавать движущую силу в 1 Н в течение 1 секунды, другой, затрачивая 1 грамм того же самого топлива, может создавать движущую силу в 2 Н в течение одной секунды, третий — затрачивая 1 грамм того же топлива может создавать движущую силу 0,5 Н в течение 5 секунд. Какой из этих двигателей самый эффективный? Другими словами, какой из этих двигателей имеет самый высокий КПД?

Теперь скажите мне — разве такие объяснения не будут понятны школьникам 10. 11 классов? Или даже в 8 и 9 -ом?

Единственное, что мне не нравится, это измерение УДЕЛЬНОГО ИМПУЛЬСА в секундах. Этим замыливается смысл удельного импульса — обычно это МАССОВЫЙ расход топлива на создание единичного импульса. То есть единица измерения удельного импульса должна быть:

кГс * c / г (полученный импульс движущей силы делим на кол-во израсходованного топлива)

или, в системе Си:

В справочниках, которые мне попадались под руку, речь идёт о МАССОВОМ, а не ВЕСОВОМ удельном расходе топлива. Возможно, для расчётов космических стартов удобнее пользоваться весовым удельным расходом топлива, в этом случае мы получаем единицу измерения весового удельного расхода топлива в системе Си:

H * с / H = с , но, как я уже сказал, в этом случае замыливается физическая суть удельного импульса и я бы рекомендовал даже весовой удельный импульс силы измерять в Н * с / Н . Пускай эта единица измерения и выглядит слегка противоестественно, то в данном случае становится сразу же понятно, что речь идёт о ВЕСОВОМ удельном импульсе движущей силы, а не о времени.

Ликбез, то есть урок закончил. Продолжение следует.

Источник

Adblock
detector