الدافع المحدد (SP) هو مقياس لمدى كفاءة الصاروخ أو المحرك في استخدام الوقود. بحكم التعريف ، هذا هو إجمالي الزيادة التي يتم توفيرها لكل وحدة من الطاقة المستهلكة وتعادل في الحجم الدفع المتولد مقسومًا على التدفق الشامل. إذا تم استخدام الكيلوجرامات كوحدة للوقود ، فسيتم قياس الدافع المحدد من حيث السرعة. إذا تم استخدام الوزن بالنيوتن أو الجنيه بدلاً من ذلك ، فسيتم التعبير عن القيمة المحددة من حيث الوقت ، والأكثر شيوعًا بالثواني.
يؤدي ضرب سرعة التدفق بواسطة الجاذبية القياسية إلى تحويل المؤشر الجلايسيمي إلى كتلة.
معادلة تسيولكوفسكي
يتم استخدام الدافع المحدد لمحرك ذي كتلة أكبر بشكل أكثر كفاءة لتوليد الدفع إلى الأمام. وفي حالة استخدام صاروخ ، فإن الأمر يتطلب وقودًا أقل. هو المطلوب من أجل هذه دلتا- v. حسب المعادلةTsiolkovsky ، في الدافع المحدد لمحرك الصاروخ ، يكون المحرك أكثر كفاءة في التسلق والمسافة والسرعة. هذا الأداء أقل أهمية في النماذج التفاعلية. التي تستخدم الأجنحة والهواء الخارجي للاحتراق. وتحمل حمولة أثقل بكثير من الوقود
الدافع المحدد يشمل الحركة المتولدة عن الهواء الخارجي المستخدم للاحتراق والمستنفد بالوقود المستهلك. تستخدم المحركات النفاثة الغلاف الجوي الخارجي لهذا الغرض. وبالتالي فإن لديهم واجهة مستخدم أعلى بكثير من محركات الصواريخ. هذا المفهوم ، من وجهة نظر الكتلة المستهلكة للوقود ، له وحدات قياس المسافة بمرور الوقت. وهي قيمة مصطنعة تسمى "سرعة غاز العادم الفعالة". هذا أعلى من سرعة العادم الفعلية. لأن كتلة الهواء للاحتراق لا تؤخذ في الاعتبار. سرعة العادم الفعلية والفعالة هي نفسها في محركات الصواريخ التي لا تستخدم الهواء أو الماء على سبيل المثال.
اعتبارات عامة
عادة ما يتم قياس كمية الوقود بوحدات الكتلة. إذا تم استخدامه ، فإن الدافع المحدد هو الدافع لكل EM ، والذي ، كما هو موضح في تحليل الحجم ، يحتوي على وحدات سرعة. ولذا تُقاس واجهة المستخدم غالبًا بالأمتار في الثانية. وغالبًا ما يشار إليها على أنها السرعة الفعالة للعادم. ومع ذلك ، إذا تم استخدام الكتلة ، فإن الدافع المحدد للوقود مقسومًا على القوة يتضح أنه وحدة زمنية. ويتم قياس دفعات محددة بالثواني.
هذه هي القاعدة الرئيسية في العالم الحديث ، والمستخدمة على نطاق واسعمعامل ص0(ثابت تسارع الجاذبية على سطح الأرض).
وتجدر الإشارة إلى أن معدل تغير اندفاع الصاروخ (بما في ذلك الوقود) لكل وحدة زمنية يساوي دفعة الدفع المحددة.
تفاصيل
كلما زادت قوة الدفع ، قل الوقود المطلوب لتوليد قوة دفع معينة لفترة زمنية معينة. في هذا الصدد ، يكون السائل أكثر فعالية ، وكلما زادت واجهة المستخدم. ومع ذلك ، لا ينبغي الخلط بين هذا وبين كفاءة الطاقة ، والتي يمكن أن تنخفض مع زيادة الدفع ، لأن الدافع المحدد للمحرك ، والذي يعطي نتائج عالية ، يتطلب الكثير من الطاقة للقيام بذلك.
أيضًا ، من المهم التمييز وعدم الخلط بين السحب ودفعة معينة. يتم إنشاء واجهة المستخدم لكل وحدة وقود مستهلكة. والدفع هو القوة اللحظية أو الذروة التي يتم إنشاؤها بواسطة جهاز معين. في كثير من الحالات ، تنتج أنظمة الدفع النبضي عالية الجودة - تصل بعض التركيبات الأيونية إلى 10000 ثانية - قوة دفع منخفضة.
عند حساب الدفع ، لا يؤخذ في الاعتبار سوى الوقود الذي يتم حمله مع السيارة قبل الاستخدام. لذلك ، بالنسبة لكيميائي الصواريخ ، ستشمل الكتلة كلاً من الدافع والمؤكسد. بالنسبة للمحركات التي تتنفس بالهواء ، يتم أخذ كمية السائل فقط في الاعتبار ، وليس كتلة الهواء التي تمر عبر المحرك.
السحب الجوي وعدم قدرة المصنع على الحفاظ على دفعة محددة عالية بمعدلات حرق عالية هو بالتحديد السبب وراء عدم استخدام كل الوقود بأسرع ما يمكن.
أثقلقد لا يكون المحرك ذو MI الجيد فعالاً في التسلق أو المسافة أو السرعة مثل أداة خفيفة ذات أداء ضعيف
إذا لم يكن الأمر يتعلق بمقاومة الهواء وانخفاض استهلاك الوقود أثناء الرحلة ، فسيكون MI مقياسًا مباشرًا لكفاءة المحرك في تحويل الكتلة إلى دفع أمامي.
دفعة محددة في ثوان
الوحدة الأكثر شيوعًا لدفعة معينة هي Hs. سواء في سياق SI وفي الحالات التي يتم فيها استخدام القيم الإمبراطورية أو التقليدية. ميزة الثواني هي أن وحدة القياس والقيمة العددية هي نفسها لجميع الأنظمة وهي في الأساس عالمية. تسرد جميع الشركات المصنعة تقريبًا أداء محركها في ثوانٍ. ومثل هذا الجهاز مفيد أيضًا في تحديد تفاصيل جهاز الطائرة.
استخدام العدادات في الثانية لإيجاد سرعة العادم الفعالة أمر شائع أيضًا. هذه الكتلة بديهية عند وصف محركات الصواريخ ، على الرغم من أن سرعة العادم الفعالة للأجهزة قد تختلف اختلافًا كبيرًا عن السرعة الفعلية. يحدث هذا على الأرجح بسبب إلقاء الوقود والمؤكسد في البحر بعد تشغيل المضخات التوربينية. بالنسبة للمحركات النفاثة التي تتنفس الهواء ، فإن سرعة العادم الفعالة ليس لها أي معنى مادي. على الرغم من أنه يمكن استخدامه لأغراض المقارنة.
وحدات
القيم المعبر عنها بـ Ns (بالكيلوغرام) ليست غير شائعة وتتساوى عدديًا مع سرعة العادم الفعالة في م / ث (من قانون نيوتن الثاني وقانونهتعريفات).
وحدة مكافئة أخرى هي استهلاك الوقود المحدد. لديها وحدات قياس مثل g (kN s) أو lb / hr. أي من هذه الوحدات يتناسب عكسيا مع دفعة معينة. ويستخدم استهلاك الوقود على نطاق واسع لوصف أداء المحركات النفاثة.
تعريف عام
لجميع المركبات ، يمكن تحديد الدافع المحدد (الدفع لكل وحدة وزن من الوقود على الأرض) في ثوانٍ من خلال المعادلة التالية.
لتوضيح الموقف من المهم توضيح ما يلي:
- F هي القوة القياسية للجاذبية ، والتي يتم تحديدها اسميًا على أنها القوة على سطح الأرض ، في م / ث 2 (أو قدم / ث تربيع).
- g هو معدل تدفق الكتلة بوحدة kg / s ، والذي يبدو سالبًا فيما يتعلق بمعدل تغير كتلة السيارة بمرور الوقت (عند دفع الوقود للخارج).
القياس
وحدة اللغة الإنجليزية ، الجنيه ، أكثر شيوعًا من الوحدات الأخرى. وأيضًا عند تطبيق هذه القيمة في الثانية لمعدل التدفق ، عند التحويل ، يصبح الثابت r 0 غير ضروري. حيث يصبح مكافئًا من حيث الأبعاد للأرطال مقسومًا على g 0.
I sp بالثواني هو الوقت الذي يمكن فيه للجهاز أن يولد دفعة معينة من الدفع لمحرك صاروخي ، مع الأخذ في الاعتبار كمية الوقود التي يساوي وزنها قوة الدفع.
ميزة هذه الصياغة هي أنه يمكن استخدامهاالصواريخ ، حيث يتم نقل كتلة التفاعل بأكملها على متن الطائرة ، وكذلك للطائرات ، حيث يتم أخذ معظم كتلة التفاعل من الغلاف الجوي. كما أنه يعطي نتيجة مستقلة عن الوحدات المستخدمة.
نبضة محددة مثل السرعة (سرعة العادم الفعالة)
بسبب عامل مركزية الأرض g 0 في المعادلة ، يفضل الكثيرون تعريف الدفع الصاروخي (على وجه الخصوص) من حيث الدفع لكل وحدة كتلة من تدفق الوقود. هذه طريقة صالحة بنفس القدر (وفي بعض النواحي أبسط إلى حد ما) لتحديد كفاءة الدفع المحددة للوقود الدافع. إذا نظرنا في خيارات أخرى ، فسيكون الوضع تقريبًا في كل مكان. الصواريخ ذات النبضة المحددة هي ببساطة سرعة العادم الفعالة بالنسبة للجهاز. تتناسب سمتا الدفع المعين مع بعضهما البعض وترتبط على النحو التالي.
لاستخدام الصيغة ، عليك أن تفهم ما يلي:
- أنا - نبضة محددة في ثوان.
- v - دفع ، يقاس بوحدة م / ث. وهو ما يعادل سرعة العادم الفعالة ، مقاسة بـ m / s (أو ft / s ، اعتمادًا على قيمة g).
- g هو معيار الجاذبية ، 9.80665 m / s 2. في الوحدات الإمبراطورية 32.174 قدم / ثانية 2.
تنطبق هذه المعادلة أيضًا على المحركات النفاثة ، ولكن نادرًا ما تستخدم في الممارسة.
لاحظ أنه يتم استخدام أحرف مختلفة في بعض الأحيان. على سبيل المثال ، يعتبر c أيضًا لسرعة العادم. بينما الرمزيمكن استخدام sp منطقيًا لواجهة المستخدم بوحدات N s / kg. لتجنب الالتباس ، من المستحسن الاحتفاظ بها لقيمة معينة ، تقاس بالثواني قبل بدء الوصف.
هذا مرتبط بالدفع أو قوة الحركة للاندفاع المحدد لمحرك الصاروخ ، الصيغة.
هنا m هو استهلاك الوقود الشامل ، وهو معدل الانخفاض في حجم السيارة.
تصغير
يجب أن يحمل الصاروخ كل وقوده الدافع. لذلك ، يجب تسريع كتلة الطعام غير المحترق جنبًا إلى جنب مع الجهاز نفسه. يعد تقليل كمية الوقود اللازمة لتحقيق قوة دفع معينة أمرًا بالغ الأهمية لبناء صواريخ فعالة.
تُظهر صيغة الدافع المحددة لـ Tsiolkovsky أنه بالنسبة للصاروخ الذي يحتوي على كتلة فارغة معينة وكمية معينة من الوقود ، يمكن تحقيق التغيير الكلي في السرعة بما يتناسب مع السرعة الفعالة للعادم.
مركبة فضائية بدون مروحة تتحرك في مدار يحدده مسارها وأي مجال جاذبية. يتم تحقيق الانحرافات عن نمط السرعة المقابل (يسمى Δv) عن طريق دفع كتلة غاز العادم في الاتجاه المعاكس للتغيير المطلوب.
السرعة الفعلية مقابل السرعة الفعالة
هنا تجدر الإشارة إلى أن هذين المفهومين يمكن أن يختلفا بشكل كبير. على سبيل المثال ، عندما يتم إطلاق صاروخ في الغلاف الجوي ، يتسبب ضغط الهواء خارج المحركقوة الكبح. مما يقلل من الدافع المحدد ويتم تقليل سرعة العادم الفعالة ، بينما تظل السرعة الفعلية دون تغيير عمليًا. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي محركات الصواريخ أحيانًا على فوهة منفصلة لغاز التوربينات. يتطلب حساب سرعة العادم الفعالة حساب متوسط تدفقات الكتلتين بالإضافة إلى مراعاة أي ضغط جوي.
زيادة الكفاءة
بالنسبة للمحركات النفاثة التي تتنفس الهواء ، وخاصة المحركات التوربينية المروحية ، تختلف سرعة العادم الفعلية والسرعة الفعالة بعدة أوامر من حيث الحجم. هذا يرجع إلى حقيقة أنه عند استخدام الهواء ككتلة تفاعل ، يتم تحقيق زخم إضافي كبير. هذا يسمح بمطابقة أفضل بين سرعة الهواء وسرعة العادم ، مما يوفر الطاقة والوقود. ويزيد بشكل ملحوظ المكون الفعال مع تقليل السرعة الفعلية
كفاءة الطاقة
بالنسبة للصواريخ والمحركات الشبيهة بالصواريخ مثل النماذج الأيونية ، يشير sp إلى انخفاض كفاءة الطاقة.
في هذه الصيغة ، veهي السرعة النفاثة الفعلية.
ومن ثم فإن القوة المطلوبة تتناسب مع سرعة كل عادم. في السرعات العالية ، يتطلب الأمر قدرًا أكبر من الطاقة لنفس الاتجاه ، مما يؤدي إلى تقليل كفاءة الطاقة بوحدة واحدة.
ومع ذلك ، تعتمد الطاقة الإجمالية للمهمة على إجمالي استخدام الوقود بالإضافة إلى مقدار الطاقة المطلوبة لكل وحدة. لسرعة العادم المنخفضةفيما يتعلق بمهمة دلتا- v ، هناك حاجة إلى كميات هائلة من كتلة التفاعل. في الواقع ، لهذا السبب ، فإن سرعة العادم المنخفضة جدًا ليست فعالة في استخدام الطاقة. لكن اتضح أنه لا يوجد نوع لديه أعلى الدرجات.
متغير
نظريًا ، بالنسبة إلى دلتا- v ، في الفضاء ، من بين جميع قيم سرعة العادم الثابتة ، ve=0.6275 هي الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة لكتلة نهائية معينة. لمعرفة المزيد ، يمكنك عرض الطاقة في جهاز الدفع للمركبة الفضائية.
ومع ذلك ، يمكن أن تكون معدلات العادم المتغيرة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. على سبيل المثال ، إذا تم تسريع صاروخ عند بعض السرعة الابتدائية الموجبة باستخدام سرعة العادم التي تساوي سرعة المنتج ، فلن يتم فقد أي طاقة كمكون حركي لكتلة التفاعل. عندما تصبح ثابتة.
