Пламенные и ледяные моторы спутников

[lozga]

В январе в челябинской Точке кипения прошла олимпиада «Астероидная безопасность», в рамках которой спутникостроители и преподаватели Южно-Уральского государственного университета Валерий Богданов и Руслан Пешков прочитали лекцию для школьников о двигателях для космических аппаратов. Этот материал - развернутая обработка лекции и моей беседы с ними

Comments

[nil_0]

"Удельный импульс - мера эффективности двигателя. По определению, это время, в течение которого двигатель может развивать тягу, затратив 1 кг топлива."
Перечитайте фразу.

[ext_3811830]

Я тоже не сразу уловил. Но понял так: двигателю дают сожрать только 1 кг топлива и засекается время его работы. То есть удельный импульс это то, что можно выжать из килограмма топлива этого двигателя. Чем он больше, тем более продолжительное время будет работать двигатель.

[nil_0]

Вы прочитали ровно то, что написано, а написано неправильно.
В простейшем случае - удельный импульс = скорость истечения реактивной струи (тогда он в м/с)
Иногда его делят на ускорение свободного падения (тогда он в секундах).

[ext_3811830]

Ну, да - удельный импульс это скорость истечения реактивной струи в размерности (м/с).
А удельный импульс выраженный в секундах это и есть время в течение которого струя с этой скоростью поглотит 1 кг топлива.
Все верно?

[nil_0]

Нет! Удельный импульс выраженный в секундах - это время, которое груз падает с ускорением свободного падения (g=9,81 м/с^2), чтобы достичь скорости равной скорости истечения.
Удельный импульс в секундах - наследие старых времён, когда силу мерили в "киллограммах силы", тогда g притворялось фундламентальной константой и лезло к кучу формул.

[ext_3811830]

Кажется, понял... Спасибо!

[smoliarm]

Не стоит пытаться (и путаться) - авторская формулировка неверная.

Удельный импульс ракетного двигателя можно ввести несколькими способами.
Один из вариантов определения:
Удельный импульс *Isp* равен ТЯГЕ двигателя, пронормированной (поделённой) на СКОРОСТЬ подачи компонентов топливаТо есть, Isp - это тяга ("килограмм-силы"), которую создаёт ОДИН "килограмм-в-секунду" топлива

[lozga]

Это компромисс. Потому что формулировка "это время, в течение которого двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон, затратив 1 кг топлива." дает удельный импульс в метрах в секунду, и могут возникнуть вопросы, почему так. "Тяга на удельный расход" - непонятно. "скорость истечения на срезе сопла" есть дальше в тексте.

[nil_0]

За такие компромиссы я на экзамене двойки ставлю. Нельзя ради простоты давать грубо неверную формулировку.

[jr0]

Удельный импульс - совершенно очевидный показатель. Это та скорость в расчете, с которой удаляется в нужном направлении рабочее тело. Если импульс в системе сгс, то скорость надо разделить на g, получается с.

p = mv, где p - импульс, v - скорость, m - масса. v и есть удельный импульс. Сложности с секундами из-за того, что в сгс массы нет, только вес.

[rempi]

Вы ничего не путаете? в сгс масса в граммах.

[jr0]

Нет, не путаю. В сгс: г - мера веса и вообще силы. Вместо ньютона в СИ. Там, например, говорят так: тяга 30 т больше веса 22 т почти в полтора раза. В СИ для этого используют несистемные тонна-силы.

Та система построена на непосредственно измеряемых силах, а массу измерить нельзя. Даже в космогонии измеряют ускорения, чтоб оценить массу. Потому-то сгс используется физиками до сих пор, а не СИ. Вместе с ними и инженерами-разработчиками, но не технологами.

В СИ удельный импульс красивее, в м/с (скорость), а не с (время). Это эффективная скорость истечения выхлопа и странно, что она - секунды.

[rempi]

В сгс грамм - мера массы, а сила (и вес) измеряются в динах. 1 дина = см*г/с^2 = 10^-5 H. Возможно вы путаете системы сгс и мкгсс. Как отчасти физик скажу что с сгс практически не сталкивался, СИ давно стала де-факто стандартом везде, кроме совсем экзотичных областей типа теории струн, в которой расстояние и время могут иметь размерность энергии. Есть конечно несистемные единицы типа Дебаев для дипольного момента или обратных сантиметров для энергии, их используют потому что удобно, но пересчитывают в СИ для расчетов.
Про удельный импульс в секундах я с вами согласен. В принципе для импульса в секундах можно придумать физический смысл, как время в течение которого топливо может поддерживать тягу равную своему весу на момент начала работы двигателя, но скорость истечения конечно проще интрепретировать. Особой сакральности в развитии тяги равной весу топлива нет, для ракеты тяга как правило должна быть выше.

[jr0]

Нет, именно сила в граммах. "Тяговооруженность самолета больше единицы" читали? Это грамотная речь. Тяга двигателя и вес самолета - одинаковые единицы. В сгс нет массы, по сути, не используют даже в астрономии

[rempi]

Проблема использования веса вместо массы в том, что вес зависит от ускорения свободного падения, которое в свою очередь меняется от широты местности, высоты над поверхностью Земли, гравитационных аномалий. Также на вес влияет архимедова сила, которая зависит от плотности взвешиваемого вещества и атмосферы. Поэтому основные системы измерений в физике - сгс, мкс, си - были основаны на длине, массе и времени. Масса в отличие от веса определяется количеством вещества, ей наплевать на флуктуации атмосферного давления или географическую широту. Можно изготовить довольно стабильный эталон массы и использовать его для метрологии. Единицы силы и веса вторичны и определяются через массу.
Системы основанные на массе, силе и времени - например мкгсс и foot-pound-second - получили распространение в инженерных расчетах. Но они неудобны для физики, т.к. эталон силы, тем более веса, изготовить проблематично, эти величины придется определять через эталон массы в конечном счете.

[jr0]

Нет, g - удобная часть системы ед., которая дает нам упрощение величин вблизи поверхности Земли, где мы живем. Нет, сгс и МКС основаны не на массе, а на весе, не на заряде, а на силе тока.

Эталон массы теперь определяют, вроде, через число Авогадро. Масса - мера количества, а не силы. Счетная величина. Вес - сила, легко измерить. То же - кулон и ампер.

А вы посмотрите работы физиков. Найдите там СИ.