比冲

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比冲(通常缩写为Isp)是衡量反应质量发动机(使用推进剂的火箭或使用燃料的喷气发动机)产生推力的效率的量度。对于反应质量只是它们所携带的燃料的发动机,比冲与有效排气速度完全成正比。具有更高比冲的推进系统更有效地使用推进剂的质量。在火箭的情况下,这意味着给定delta-v所需的推进剂更少,因此连接到发动机的车辆可以更有效地获得高度和速度。在大气环境中,比冲可以包括由发动机以某种方式加速的外部空气质量...

比冲

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比冲(通常缩写为Isp)是衡量反应质量发动机(使用推进剂的火箭或使用燃料的喷气发动机)产生推力的效率的量度。对于反应质量只是它们所携带的燃料的发动机,比冲与有效排气速度完全成正比。具有更高比冲的推进系统更有效地使用推进剂的质量。在火箭的情况下,这意味着给定delta-v所需的推进剂更少,因此连接到发动机的车辆可以更有效地获得高度和速度。在大气环境中,比冲可以包括由发动机以某种方式加速的外部空气质量对冲量的贡献,例如通过内部涡轮风扇或通过燃料燃烧参与加热然后推力膨胀或通过外部螺旋桨。喷气发动机为燃烧和旁通呼吸外部空气,因此比火箭发动机具有更高的比冲。以消耗的推进剂质量表示的比冲具有单位时间的距离,这是一个称为有效排气速度的名义速度。这高于实际排气速度,因为没有考虑燃烧空气的质量。在真空中运行的火箭发动机的实际和有效排气速度是相同的。单位冲量与单位燃料消耗量(SFC)成反比,关系式Isp=1/(go·SFC)对于SFC,单位为kg/(N·s),Isp=3600/SFC对于SFC,单位为lb/(lbf·hr).

一般注意事项

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推进剂的量可以以质量或重量为单位进行测量。如果使用质量,则比冲是每单位质量的冲量,尺寸分析表明具有速度单位,特别是有效排气速度。由于SI系统是基于质量的,这种类型的分析通常以米/秒为单位进行。如果使用基于力的单位系统,冲量除以推进剂重量(重量是力的量度),得到时间单位(秒)。这两个公式的区别在于地球表面的标准重力加速度(g0)。火箭(包括其推进剂)单位时间内的动量变化率等于推力。比冲越高,在给定时间内产生给定推力所需的推进剂就越少,推进剂的效率就越高。这不应与能量效率的物理概念相混淆,能量效率会随着比冲的增加而降低,因为提供高比冲的推进系统需要高能量才能做到这一点。推力和比冲量不应混淆。推力是发动机提供的力,取决于流经发动机的反作用质量。比冲量测量每单位推进剂产生的冲量,与排气速度成正比。推力和比冲与相关发动机的设计和推进剂有关,但这种关系是微不足道的。例如,与RP-1/LO2相比,LH2/LO2双推进剂产生更高的Isp但推力更低,因为废气具有更低的密度和更高的速度(H2O与CO2和H2O)。在许多情况下,具有非常高比冲的推进系统(一些离子推进器达到10,000秒)会产生低推力。计算比冲时,只计算使用前随车携带的推进剂。对于化学火箭,推进剂质量因此将包括燃料和氧化剂。在火箭学中,具有较高比冲的较重发动机在获得高度、距离或速度方面可能不如具有较低比冲的较轻发动机有效,尤其是在后者具有较高推重比的情况下。这是大多数火箭设计具有多级的重要原因。xxx级针对高推力进行了优化,以将具有更高比冲的后期级提升到更高的高度,在那里它们可以更有效地执行。对于吸气式发动机,只计算燃料质量,而不计算通过发动机的空气质量。空气阻力和发动机无法在快速燃烧率下保持高比冲是为什么没有尽可能快地使用所有推进剂的原因。如果不是因为空气阻力和飞行过程中推进剂的减少,比冲将直接衡量发动机在将推进剂重量或质量转化为前进动力方面的有效性。

单位

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比冲最常见的单位是秒,因为无论计算是以SI、英制还是习惯单位进行的,数值都是相同的。几乎所有制造商都以秒为单位引用其发动机性能,该单位也可用于指定飞机发动机性能。使用每秒米数来指定有效排气速度也相当普遍。该单位在描述火箭发动机时很直观,尽管发动机的有效排气速度可能与实际排气速度有很大不同,尤其是在气体发生器循环发动机中。对于吸气式喷气发动机,有效排气速度在物理上没有意义,尽管它可以用于比较目的。米/秒在数值上相当于牛顿-秒/千克(N·s/kg),比冲的SI测量值可以用任一单位互换。本单元强调了比冲的定义为每单位推进剂质量的冲量。比燃料消耗量与比冲量成反比,单位为g/(kN·s)或lb/(lbf·hr)。燃料消耗率广泛用于描述吸气式喷气发动机的性能。

以秒为单位的比冲

比冲,以秒为单位,有效地表示这种推进剂与该发动机配对时,可以在多少秒内将其自身的初始质量加速到1g。它可以加速自身质量的秒数越多,它提供给整个系统的delta-V就越多。换句话说,给定一个特定的发动机和一定量的特定推进剂,比冲量测量该发动机可以施加持续力(推力)多长时间,直到完全燃烧该质量的推进剂。与在发动机中燃烧时施加相同力的一些能量密度较低的推进剂相比,给定质量的能量密度更高的推进剂可以燃烧更长的持续时间。燃烧相同推进剂的不同发动机设计在将推进剂能量转化为有效推力方面可能效率不高。这种配方的优点是它可以用于火箭,其中所有的反应物质都携带在飞机上,也可以用于飞机,其中大部分反应物质来自大气。此外,它给出的结果与使用的单位无关(假设使用的时间单位是秒)。在火箭中,由于大气效应,比冲随高度而变化,在真空中达​​到xxx值。这是因为排气速度不仅仅是燃烧室压力的函数,而是燃烧室内部和外部之间差异的函数。通常给出在海平面(sl)或真空(vac)下运行的值。

比冲作为有效排气速度

由于比冲方程中g0的地心因子,许多人更喜欢另一种定义。火箭的比冲可以用每单位推进剂质量流量的推力来定义。这是定义火箭推进剂有效性的同样有效的(并且在某些方面更简单)的方法。对于火箭来说,以这种方式定义的比冲就是相对于火箭的有效排气速度ve。在实际的火箭喷管中,排气速度在整个出口截面上并不是真正均匀的,这样的速度分布很难准确测量。对于使用一维问题描述的所有计算,假设一个均匀的轴向速度ve。该有效排气速度表示推进剂从火箭运载器中喷出的平均速度或质量当量速度。火箭必须携带所有的推进剂,因此未燃烧的推进剂的质量必须与火箭本身一起加速。最小化实现给定速度变化所需的推进剂质量对于制造有效的火箭至关重要。齐奥尔科夫斯基火箭方程表明,对于具有给定空质量和给定推进剂量的火箭,它可以实现的总速度变化与有效排气速度成正比。没有推进力的航天器遵循由其轨迹和任何引力场确定的轨道。通过在与所需速度变化方向相反的方向上发送排气质量来实现与相应速度模式的偏差(这些称为Δv)。

实际排气速度与有效排气速度

当发动机在大气中运行时,排气速度会因大气压力而降低,从而降低比冲。相对于在真空条件下实现的实际排气速度,这是有效排气速度的降低。在气体发生器循环火箭发动机的情况下,当涡轮泵废气通过单独的喷嘴排出时,存在不止一种废气流。计算有效排气速度需要平均两个质量流量以及考虑任何大气压力。对于吸气式喷气发动机,尤其是涡轮风扇发动机,实际排气速度和有效排气速度相差几个数量级。这是因为通过使用空气作为反应物质可以获得大量的额外动量。这样可以更好地匹配空速和排气速度,从而节省能量/推进剂并极大地提高有效排气速度,同时降低实际排气速度。

比冲的例子

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以时间测量的比冲示例为453秒,这相当于RS-25发动机在真空中运行时的有效排气速度为4.440公里/秒(14,570英尺/秒)。吸气式喷气发动机的比冲通常比火箭大得多。例如,涡扇喷气发动机在海平面上可能具有6,000秒或更多的比冲,而火箭则在200到400秒之间。因此,吸气式发动机的推进剂效率比火箭发动机高得多,因为空气作为反应物质和燃烧氧化剂,不必作为推进剂携带,实际排气速度要低得多,因此动能排出的废气更少,因此喷气发动机使用更少的能量来产生推力。

比冲

虽然吸气式发动机的实际排气速度较低,但喷气发动机的有效排气速度却非常高。这是因为有效排气速度计算假定携带的推进剂提供所有的反作用质量和所有推力。因此,有效排气速度对于吸气式发动机在物理上没有意义;尽管如此,它对于与其他类型的引擎进行比较是有用的。在火箭发动机中试射的化学推进剂的最高比冲为542秒(5.32公里/秒),锂、氟和的三元推进剂。然而,这种组合是不切实际的。锂和氟都具有极强的腐蚀性,锂与空气接触会点燃,氟与大多数燃料接触会点燃,而氢气虽然不是自燃的,但具有爆炸危险。尾气中的氟和氟化氢(HF)毒性很大,会破坏环境,使发射台周围的工作变得困难,并使获得发射许可证变得更加困难。火箭尾气也被电离,这会干扰与火箭的无线电通信。核热火箭发动机与传统火箭发动机的不同之处在于,能量是通过外部核热源而不是燃烧热提供给推进剂的。核火箭通常通过使液态氢气通过运行中的核反应堆来运行。1960年代的测试产生了大约850秒(8,340m/s)的比冲,大约是航天飞机发动机的两倍。各种其他火箭推进方法,例如离子推进器,提供更高的比冲,但推力更低;例如,SMART-1卫星上的霍尔效应推进器具有1,640秒(16.1公里/秒)的比冲,但xxx推力仅为68毫牛(0.015磅力)。目前正在开发的可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)发动机理论上将产生20至300公里/秒(66,000至984,000英尺/秒),xxx推力为5.7N(1.3磅力)。

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词条目录
  1. 比冲
  2. 一般注意事项
  3. 单位
  4. 以秒为单位的比冲
  5. 比冲作为有效排气速度
  6. 实际排气速度与有效排气速度
  7. 比冲的例子

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