विशिष्ट आवेग: अवधारणा, विशेषताओं, गणना की परिभाषा

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 05:27

स्पेसिफिक इंपल्स (SP) इस बात का पैमाना है कि कोई रॉकेट या इंजन कितनी कुशलता से ईंधन का उपयोग करता है। परिभाषा के अनुसार, यह खपत की गई बिजली की प्रति यूनिट दिया गया कुल उछाल है और द्रव्यमान प्रवाह से विभाजित उत्पन्न जोर के आकार के बराबर है। यदि किलोग्राम का उपयोग प्रणोदक की इकाई के रूप में किया जाता है, तो विशिष्ट आवेग को वेग के रूप में मापा जाता है। यदि इसके बजाय न्यूटन या पाउंड-बल में वजन का उपयोग किया जाता है, तो विशिष्ट मान समय के संदर्भ में व्यक्त किया जाता है, आमतौर पर सेकंड में।

प्रवाह वेग को मानक गुरुत्व से गुणा करने पर जीआई द्रव्यमान में परिवर्तित हो जाता है।

Tsiolkovsky समीकरण

एक उच्च द्रव्यमान वाले इंजन के विशिष्ट आवेग का अधिक कुशलता से आगे का जोर उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है। और उस स्थिति में जब रॉकेट का उपयोग किया जाता है, कम ईंधन की आवश्यकता होती है। यह वह है जिसे इस डेल्टा-वी की आवश्यकता है। समीकरण के अनुसारTsiolkovsky, एक रॉकेट इंजन के विशिष्ट आवेग में, मोटर चढ़ाई, दूरी और गति में अधिक कुशल है। प्रतिक्रियाशील मॉडल में यह प्रदर्शन कम महत्वपूर्ण है। जो दहन के लिए पंखों और बाहरी हवा का उपयोग करते हैं। और एक पेलोड वहन करें जो ईंधन से बहुत भारी हो।

विशिष्ट आवेग में दहन के लिए उपयोग की जाने वाली बाहरी हवा द्वारा उत्पन्न गति और खर्च किए गए ईंधन द्वारा समाप्त होना शामिल है। जेट इंजन इसके लिए बाहरी वातावरण का इस्तेमाल करते हैं। और इसलिए उनके पास रॉकेट इंजन की तुलना में बहुत अधिक UI है। ईंधन के खपत द्रव्यमान के दृष्टिकोण से इस अवधारणा में समय के साथ दूरी की माप की इकाइयां हैं। जो एक कृत्रिम मूल्य हैं जिन्हें "प्रभावी निकास गैस वेग" कहा जाता है। यह वास्तविक निकास वेग से अधिक है। क्योंकि दहन के लिए हवा के द्रव्यमान को ध्यान में नहीं रखा जाता है। रॉकेट इंजन में वास्तविक और प्रभावी निकास वेग समान होते हैं जो उदाहरण के लिए हवा या पानी का उपयोग नहीं करते हैं।

सामान्य विचार

ईंधन की मात्रा आमतौर पर द्रव्यमान की इकाइयों में मापी जाती है। यदि इसका उपयोग किया जाता है, तो विशिष्ट आवेग प्रति EM आवेग है, जो आकार विश्लेषण द्वारा दिखाया गया है, जिसमें वेग की इकाइयाँ हैं। और इसलिए UI को अक्सर मीटर प्रति सेकंड में मापा जाता है। और अक्सर निकास की प्रभावी गति के रूप में जाना जाता है। हालांकि, यदि द्रव्यमान का उपयोग किया जाता है, तो बल द्वारा विभाजित ईंधन का विशिष्ट आवेग समय की एक इकाई बन जाता है। और इसलिए विशिष्ट पुश सेकंडों में मापे जाते हैं।

यह वह नियम है जो आधुनिक दुनिया में मुख्य है, जिसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता हैगुणांक r₀ (पृथ्वी की सतह पर गुरुत्वाकर्षण त्वरण का स्थिरांक)।

यह ध्यान देने योग्य है कि रॉकेट के आवेग (उसके ईंधन सहित) के प्रति यूनिट समय में परिवर्तन की दर विशिष्ट जोर आवेग के बराबर है।

विशिष्टता

धक्का जितना अधिक होगा, एक निश्चित समय के लिए दिए गए थ्रस्ट को उत्पन्न करने के लिए कम ईंधन की आवश्यकता होगी। इस संबंध में, तरल अधिक प्रभावी है, इसका यूआई जितना अधिक होगा। हालांकि, इसे ऊर्जा दक्षता के साथ भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए, जो बढ़ते हुए जोर के साथ घट सकता है, क्योंकि इंजन के विशिष्ट आवेग, जो उच्च परिणाम देता है, को ऐसा करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

इसके अलावा, एक विशिष्ट धक्का के साथ पुल को अलग करना और भ्रमित नहीं करना महत्वपूर्ण है। UI खपत किए गए ईंधन की प्रति यूनिट बनाया जाता है। और जोर तात्कालिक या चरम बल है जो किसी विशेष उपकरण द्वारा उत्पन्न होता है। कई मामलों में, बहुत उच्च विशिष्ट आवेग प्रणोदन प्रणालियाँ - कुछ आयन संस्थापन 10,000 सेकंड तक पहुँचते हैं - कम थ्रस्ट उत्पन्न करते हैं।

पुश की गणना करते समय, उपयोग से पहले वाहन के साथ ले जाने वाले ईंधन को ही ध्यान में रखा जाता है। इसलिए, एक रॉकेट केमिस्ट के लिए, द्रव्यमान में प्रणोदक और ऑक्सीडाइज़र दोनों शामिल होंगे। हवा से चलने वाले इंजनों के लिए, केवल तरल की मात्रा को ध्यान में रखा जाता है, न कि इंजन से गुजरने वाली हवा के द्रव्यमान को।

वायुमंडलीय खिंचाव और उच्च जलने की दर पर उच्च विशिष्ट आवेग को बनाए रखने में संयंत्र की अक्षमता ठीक यही कारण है कि सभी ईंधन का जल्द से जल्द उपयोग नहीं किया जा रहा है।

भारीअच्छे MI वाली मोटर चढ़ाई, दूरी या गति में उतनी प्रभावी नहीं हो सकती जितनी कि खराब प्रदर्शन वाले हल्के उपकरण

अगर यह हवा के प्रतिरोध और उड़ान के दौरान कम ईंधन की खपत के लिए नहीं था, तो एमआई द्रव्यमान को आगे के प्रणोदन में परिवर्तित करने में इंजन की दक्षता का एक सीधा उपाय होगा।

सेकंड में विशिष्ट आवेग

किसी विशेष पुश के लिए सबसे सामान्य इकाई Hs है। दोनों एसआई के संदर्भ में और उन मामलों में जहां शाही या पारंपरिक मूल्यों का उपयोग किया जाता है। सेकंड का लाभ यह है कि माप की इकाई और संख्यात्मक मान सभी प्रणालियों के लिए समान हैं और अनिवार्य रूप से सार्वभौमिक हैं। लगभग सभी निर्माता सेकंडों में अपने इंजन के प्रदर्शन को सूचीबद्ध करते हैं। और इस तरह का एक उपकरण एक विमान उपकरण की बारीकियों को निर्धारित करने के लिए भी उपयोगी होता है।

प्रभावी निकास वेग का पता लगाने के लिए मीटर प्रति सेकंड का उपयोग करना भी काफी सामान्य है। रॉकेट इंजन का वर्णन करते समय यह ब्लॉक सहज है, हालांकि उपकरणों का प्रभावी निकास वेग वास्तविक एक से काफी भिन्न हो सकता है। यह सबसे अधिक संभावना है कि टर्बोपंप चालू होने के बाद ईंधन और ऑक्सीडाइज़र को पानी में फेंक दिया जाता है। वायु-श्वास जेट इंजन के लिए, प्रभावी निकास वेग का कोई भौतिक अर्थ नहीं है। हालांकि इसका उपयोग तुलना उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है।

इकाइयाँ

Ns (किलोग्राम में) में व्यक्त मान असामान्य नहीं हैं और संख्यात्मक रूप से m / s में प्रभावी निकास वेग के बराबर हैं (न्यूटन के दूसरे नियम और उनकेपरिभाषाएँ)।

एक और समकक्ष इकाई विशिष्ट ईंधन खपत है। इसमें माप की इकाइयाँ हैं जैसे कि g (kN s) या lb/hr। इनमें से कोई भी इकाई विशिष्ट आवेग के व्युत्क्रमानुपाती होती है। और जेट इंजन के प्रदर्शन का वर्णन करने के लिए ईंधन की खपत का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

सामान्य परिभाषा

सभी वाहनों के लिए, सेकंड में विशिष्ट आवेग (पृथ्वी पर ईंधन के प्रति यूनिट वजन) को निम्नलिखित समीकरण द्वारा निर्धारित किया जा सकता है।

स्थिति स्पष्ट करने के लिए यह स्पष्ट करना जरूरी है कि:

1. F गुरुत्वाकर्षण का मानक बल है, जिसे नाममात्र रूप से पृथ्वी की सतह पर शक्ति के रूप में कहा जाता है, m/s 2 (या ft/s वर्ग) में।
2. g द्रव्यमान प्रवाह दर kg/s में है, जो समय के साथ वाहन के द्रव्यमान में परिवर्तन की दर के संबंध में नकारात्मक दिखाई देता है (जैसे ईंधन को बाहर धकेला जाता है)।

माप

अंग्रेज़ी इकाई, पाउंड, का उपयोग आमतौर पर अन्य इकाइयों की तुलना में अधिक किया जाता है। और यह भी प्रवाह दर के लिए प्रति सेकंड इस मान को लागू करते समय, परिवर्तित करते समय, निरंतर r 0 अनावश्यक हो जाता है। जैसा कि यह आयामी रूप से पाउंड के बराबर हो जाता है जिसे जी 0 से विभाजित किया जाता है।

मैं सेकंड में एसपी वह समय है जिसके लिए डिवाइस एक रॉकेट इंजन के थ्रस्ट का एक विशिष्ट आवेग उत्पन्न कर सकता है, जिसमें प्रणोदक की मात्रा दी जाती है जिसका वजन थ्रस्ट के बराबर होता है।

इस शब्द का लाभ यह है कि इसका उपयोग किया जा सकता हैरॉकेट, जहां पूरे प्रतिक्रिया द्रव्यमान को बोर्ड पर ले जाया जाता है, साथ ही विमान के लिए, जहां अधिकांश प्रतिक्रिया द्रव्यमान वायुमंडल से लिया जाता है। साथ ही, यह एक ऐसा परिणाम देता है जो उपयोग की गई इकाइयों से स्वतंत्र होता है।

वेग के रूप में विशिष्ट आवेग (प्रभावी निकास वेग)

समीकरण में भूकेंद्रीय कारक जी 0 के कारण, कई ईंधन प्रवाह के प्रति इकाई द्रव्यमान के संदर्भ में रॉकेट जोर (विशेष रूप से) को परिभाषित करना पसंद करते हैं। यह एक प्रणोदक की विशिष्ट आवेग दक्षता निर्धारित करने का एक समान रूप से मान्य (और कुछ मायनों में कुछ सरल) तरीका है। यदि हम अन्य विकल्पों पर विचार करें तो स्थिति लगभग हर जगह समान होगी। एक निश्चित विशिष्ट आवेग के रॉकेट डिवाइस के सापेक्ष केवल प्रभावी निकास वेग होते हैं। एक विशेष धक्का के दो गुण एक दूसरे के समानुपाती होते हैं और इस प्रकार संबंधित होते हैं।

सूत्र का उपयोग करने के लिए, आपको यह समझने की आवश्यकता है कि:

1. मैं - सेकंड में विशिष्ट आवेग।
2. v - धक्का, m/s में मापा जाता है। जो प्रभावी निकास वेग के बराबर है, जिसे m/s (या ft/s, g के मान के आधार पर) में मापा जाता है।
3. g गुरुत्वाकर्षण का मानक है, 9.80665 m/s 2. शाही इकाइयों में 32.174 ft/s 2.

यह समीकरण जेट इंजन पर भी लागू होता है, लेकिन व्यवहार में शायद ही कभी इसका उपयोग किया जाता है।

ध्यान दें कि कभी-कभी अलग-अलग वर्णों का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, c को निकास वेग के लिए भी माना जाता है। जबकि प्रतीकSP तार्किक रूप से UI के लिए N s/kg की इकाइयों में उपयोग किया जा सकता है। भ्रम से बचने के लिए, इसे एक विशिष्ट मान के लिए आरक्षित करना वांछनीय है, जिसे विवरण के शुरू होने से पहले सेकंड में मापा जाता है।

यह रॉकेट इंजन के विशिष्ट आवेग, सूत्र के जोर या गति के बल से संबंधित है।

यहाँ m बड़े पैमाने पर ईंधन की खपत है, जो वाहन के परिमाण में कमी की दर है।

न्यूनीकरण

रॉकेट को अपने सभी प्रणोदक ले जाने चाहिए। इसलिए, बिना जले हुए भोजन के द्रव्यमान को उपकरण के साथ ही त्वरित किया जाना चाहिए। किसी दिए गए जोर को प्राप्त करने के लिए आवश्यक ईंधन की मात्रा को कम करना कुशल रॉकेट बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

Tsiolkovsky के विशिष्ट आवेग सूत्र से पता चलता है कि किसी दिए गए खाली द्रव्यमान और एक निश्चित मात्रा में ईंधन वाले रॉकेट के लिए, निकास की प्रभावी गति के अनुपात में वेग में कुल परिवर्तन प्राप्त किया जा सकता है।

बिना प्रोपेलर के एक अंतरिक्ष यान अपने प्रक्षेपवक्र और किसी भी गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र द्वारा निर्धारित कक्षा में चलता है। वांछित परिवर्तन की विपरीत दिशा में निकास गैस द्रव्यमान को धक्का देकर संबंधित वेग पैटर्न (जिसे Δv कहा जाता है) से विचलन प्राप्त किया जाता है।

वास्तविक गति बनाम प्रभावी गति

यहां यह ध्यान देने योग्य है कि ये दोनों अवधारणाएं काफी भिन्न हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, जब कोई रॉकेट वायुमंडल में प्रक्षेपित किया जाता है, तो इंजन के बाहर वायुदाब उत्पन्न होता हैब्रेक लगाना बल। जो विशिष्ट आवेग को कम करता है और प्रभावी निकास वेग कम हो जाता है, जबकि वास्तविक गति व्यावहारिक रूप से अपरिवर्तित रहती है। इसके अलावा, कभी-कभी रॉकेट इंजन में टरबाइन गैस के लिए एक अलग नोजल होता है। प्रभावी निकास वेग की गणना के लिए दो द्रव्यमान प्रवाहों के औसत के साथ-साथ किसी भी वायुमंडलीय दबाव को ध्यान में रखना आवश्यक है।

दक्षता बढ़ाएँ

हवा से चलने वाले जेट इंजनों के लिए, विशेष रूप से टर्बोफैन में, वास्तविक निकास गति और प्रभावी गति परिमाण के कई आदेशों से भिन्न होती है। यह इस तथ्य के कारण है कि प्रतिक्रिया द्रव्यमान के रूप में हवा का उपयोग करते समय, एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त गति प्राप्त की जाती है। यह एयरस्पीड और एग्जॉस्ट वेलोसिटी के बीच बेहतर मेल की अनुमति देता है, जिससे ऊर्जा और ईंधन की बचत होती है। और वास्तविक तेज़ी को कम करते हुए प्रभावी घटक को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।

ऊर्जा दक्षता

रॉकेट और रॉकेट जैसे इंजन जैसे आयन मॉडल के लिए, sp का मतलब कम ऊर्जा दक्षता है।

इस सूत्र में, v _e वास्तविक जेट वेग है।

इसलिए आवश्यक बल प्रत्येक निकास वेग के समानुपाती होता है। उच्च गति पर, समान थ्रस्ट के लिए बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप एक इकाई द्वारा कम ऊर्जा दक्षता प्राप्त होती है।

हालांकि, एक मिशन के लिए कुल ऊर्जा कुल ईंधन उपयोग पर निर्भर करती है और साथ ही प्रति यूनिट कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। कम निकास गति के लिएडेल्टा-वी मिशन के संबंध में, भारी मात्रा में प्रतिक्रिया द्रव्यमान की आवश्यकता होती है। वास्तव में, इस कारण से, बहुत कम निकास वेग ऊर्जा कुशल नहीं है। लेकिन यह पता चला है कि किसी भी प्रकार के उच्चतम स्कोर नहीं हैं।

चर

सैद्धांतिक रूप से, किसी दिए गए डेल्टा-वी के लिए, अंतरिक्ष में, सभी निश्चित निकास वेग मानों के बीच, v_e=0.6275 किसी दिए गए अंतिम द्रव्यमान के लिए सबसे अधिक ऊर्जा कुशल है। अधिक जानने के लिए, आप अंतरिक्ष यान के प्रणोदन उपकरण में ऊर्जा देख सकते हैं।

हालांकि, परिवर्तनीय निकास दरें और भी अधिक ऊर्जा कुशल हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, यदि किसी रॉकेट को उत्पाद के वेग के बराबर निकास वेग का उपयोग करके कुछ सकारात्मक प्रारंभिक वेग से त्वरित किया जाता है, तो प्रतिक्रिया द्रव्यमान के गतिज घटक के रूप में कोई ऊर्जा नहीं खोती है। जैसे ही यह स्थिर हो जाता है।