Удельная тяга или удельный импульс

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

Определение: Удельная тяга – это тяга двигателя, отнесённая к секундному весовому расходу рабочего тела:

, (10)

где берётся в условиях, приведённых к поверхности Земли.

Поверим размерность P_y:

.

Определение: Удельный импульс – это импульс, который создаёт ракетный двигатель на 1 кг веса отброшенного рабочего тела:

.

Определим размерность :

.

Как в величине, так и в размерности ничего не меняется.

Удельная тяга (P_y) и удельный импульс ( ) измеряется в секундах. (Говорят “единица ракетного двигателя даёт 315 единиц удельной тяги” или “Это позволит повысить удельный импульс на 3 единицы”).

Согласно выражению (5):

(11)

Видим, что удельная тяга P_y определяется в первую очередь скоростью истечения ω_a, которая зависит не только от свойств топлива, но и от конструктивных особенностей ракетного двигателя. Во всех типах ракетных двигателей имеется расход масс на внутренние нужды (говорят – на служебные цели), то есть для обеспечения собственно работы ракетного двигателя, например расход топлива на работу турбонасосного агрегата (ТНА) и расход газа высокого давления для выдавливания топлива и газов из баков.

Естественно, при подсчёте удельной тяги ( ) этот необходимый, но непроизводительный расход массы должен суммироваться с основным расходом рабочего тела, что несколько уменьшает значение удельной тяги.

Чем выше удельная тяга P_y, тем более совершенным является ракетный двигатель, а каждая дополнительная единица удельной тяги ценится очень высоко, особенно для основных силовых установок космических ракет. Удельная тяга зависит от высоты полёта (см.(11)) и было бы неудобно, называя этот основной параметр ракетного двигателя, каждый раз указывать дополнительно соответствующую высоту полёта h.

Поэтому, когда хотят охарактеризовать эффективность ракетного двигателя, то оперируют его пустотной удельной тягой (p_h = 0):

Учитывая (9): , откуда: ,

. (12)

Таким образом, , где – эффективная скорость [м/с].

Значение пустотной удельной тяги P_yп современных жидкостных ракетных двигателей для всех существующих видов химических ракетных топлив, лежит в пределах 250 – 460 единиц.

В настоящее время введён ещё один параметр, характеризующий эффективность ракетного двигателя, а именно, удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя – I_у. Он отличается от удельного импульса тем, что тяга относится не к весовому (G_сек), а к массовому секундному расходу:

,

и измеряется не в [сек], а в .

Удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя – это уже знакомая нам эффективная скорость истечения (см.(9)), так как

,

применение которой теперь можно распространить и на атмосферный участок полёта ракеты.

Удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя I_у связан с удельной тягой P_y очевидным соотношением:

, откуда находим: , (13)

так как ,то в числовом выражении

.

Многословие термина I_у провоцирует его сокращение, и удельный импульс тяги жидкого ракетного двигателя нередко называют “удельный импульс”. Выручает десятикратное числовое отличие. Если в технической документации для двигателя на химическом топливе удельный импульс указан в сотнях единиц – значит речь идёт действительно об удельном импульсе, измеряемом в [c], если в тысячах – можно не сомневаться – это удельный импульс тяги жидкого ракетного двигателя в [м/с].