Spezifischer Impuls

Spezifischer Impuls (oft mit Isp abgekürzt) ist eine Möglichkeit zu beschreiben, wie gut eine Rakete funktioniert. Er wird auch verwendet, um zu beschreiben, wie gut ein Düsentriebwerk funktioniert. Er kann verwendet werden, um Raketen verschiedener Größen zu vergleichen. Es ist ein Weg, um zu wissen, wie viel Kraft ein bestimmtes Triebwerk für jedes Bit Treibstoff erzeugt. Dazu muss man wissen, wie viel Treibstoff sich im Triebwerk befindet. Ein hoher spezifischer Impuls bedeutet, dass eine Rakete auch weniger Treibstoff benötigt, um ihre Leistung zu erbringen. Wenn der spezifische Impuls niedriger ist, bedeutet dies, dass die Rakete mehr Treibstoff benötigt, um ebenfalls Leistung zu erbringen.

Der spezifische Impuls ist ein nützlicher Wert zum Vergleich von Raketen- oder Düsentriebwerken. Er wird ähnlich wie Meilen pro Gallone oder Liter pro 100 Kilometer verwendet, um Autos zu vergleichen. Ein Motor mit einem höheren spezifischen Impuls verbraucht Treibstoff besser. Das bedeutet, dass die gleiche Treibstoffmenge die Rakete schneller fliegen lässt, nachdem der gesamte Treibstoff verbraucht ist.

Ein Raketentriebwerk mit einem höheren spezifischen Impuls bedeutet nicht, dass es "leistungsfähiger" ist. Das heißt, es wird die Rakete nicht härter beschleunigen. Tatsächlich sind die Konstruktionen für Triebwerke mit dem höchsten spezifischen Impuls, wie die Ionentriebwerke, die "schwächsten" aller Triebwerkstypen. Sie beschleunigen die Rakete langsam aber stetig über einen langen Zeitraum und verbrauchen dabei nur eine winzige Menge Treibstoff. Bei einem Wettlauf zwischen zwei Raketen mit der gleichen Treibstoffmenge und zwei verschiedenen Triebwerken übernimmt das mit dem stärkeren Triebwerk frühzeitig die Führung, aber wenn es seinen gesamten Treibstoff verbraucht hat, hat die Rakete mit dem höheren spezifischen Impuls noch etwas Treibstoff übrig und beschleunigt weiter. Letztendlich wird sie ihr Gegenstück überholen und das Rennen gewinnen, wenn die Distanz groß genug ist, um ihren langfristigen Vorteil zu nutzen.

Eine Abbildung, die die von einem Estes A10-PT Raketenmotor über etwa 1 Sekunde ausgeübte Kraft zeigt. Es gibt auch Informationen über den Impuls, die Treibstoffmenge und den spezifischen Impuls.

Messungen

Es gibt zwei Möglichkeiten, wie Menschen die Nummer für einen bestimmten Impuls finden können. Um den spezifischen Impuls zu finden, dividiert man den Impuls durch die Menge des Treibstoffs. Der Impuls ist ein Maß dafür, wie viel Kraft ein Raketenmotor ausübt und wie lange er hält. Ein Motor, der lange Zeit eine geringe Kraft ausübt, kann manchmal einen höheren Impuls haben als ein Motor, der kurzzeitig eine hohe Kraft ausübt. Der Impuls wird in Newton mal Sekunden (N*s) gemessen.

Die Kraftstoffmenge, die zum Auffinden eines bestimmten Impulses verwendet wird, kann auf verschiedene Weise gemessen werden. Manchmal wird sie in Masse und manchmal in Gewicht gemessen. Wenn die Kraftstoffmenge in Masse gemessen wird, wird der spezifische Impuls als Geschwindigkeit ausgedrückt. Diese wird normalerweise in Metern pro Sekunde angegeben. Wenn der spezifische Impuls als Geschwindigkeit gemessen wird, hat er einen anderen Namen. Er wird auch als effektive Auslassgeschwindigkeit bezeichnet. Die andere Art, die Kraftstoffmenge zu messen, ist das Gewicht. Wenn Gewicht verwendet wird, wird der spezifische Impuls in Zeiteinheiten, normalerweise in Sekunden, angegeben. Diese beiden Methoden sind beide gebräuchlich. Sie vergleichen beide die Leistung von Motoren.

Wenn der spezifische Impuls höher ist, wird weniger Treibstoff benötigt, um die Rakete auf ein bestimmtes Niveau zu bringen. Ein Treibstoff ist also effizienter, wenn der spezifische Impuls höher ist.

Achten Sie darauf, Schubkraft und spezifischen Impuls nicht zu verwechseln. Der Schub ist nur die Kraft, die eine Rakete zu einem bestimmten Zeitpunkt ausübt. Der spezifische Impuls ist ein Maß für die Kraft, das davon abhängt, wie viel Treibstoff vorhanden ist.

Wenn Menschen einen bestimmten Impuls finden, wird nur der Treibstoff in der Rakete gezählt, bevor sie abgefeuert wird. Dazu gehören der Treibstoff und das Oxidationsmittel (der Teil des Treibstoffs, der zur Verbrennung des Treibstoffs beiträgt). Das Oxidationsmittel ist manchmal Sauerstoff, oft aber auch etwas anderes (siehe Raketentriebwerk#Flüssigkeiten, Feststoffe und Hybride).

Beispiele

Spezifischer Impuls verschiedener Arten, eine Rakete zu schieben
Motor	Effektive Auslassgeschwindigkeit (m/s, kg-m/s/kg)	Spezifische (r) Impuls (e)	Energie pro kg Auspuff (MJ/kg)
Turbofan-Strahltriebwerk (tatsächliches V ist ~300)	29,000	3,000	~0.05
Festbrennstoff-Rakete	2,500	250	3
Flüssigbrennstoff-Rakete	4,400	450	9.7
Ionen-Triebwerk	29,000	3,000	430
Zweistufiger elektrostatischer Ionenantrieb mit vier Gittern	210,000	21,400	22,500
VASIMR	30,000-120,000	3,000-12,000	1,400

Strahltriebwerke (Flugzeuge) verbrauchen Treibstoff besser als Raketentriebwerke. Das liegt daran, dass die Gase nicht so schnell entweichen. Weil sie nicht so schnell entweichen, tragen die Abgase nicht so viel Energie ab. Das bedeutet, dass das Düsentriebwerk viel weniger Energie verbraucht, um den Strahl anzutreiben. Das liegt auch daran, dass die Luft, die durch das Triebwerk strömt, während der Strahl durch die Luft fliegt, dazu beiträgt, dass der Treibstoff schneller verbrennt.

Modellraketen

Spezifische Impulse werden auch verwendet, um zu beschreiben, wie gut Modellraketenmotoren funktionieren. In der folgenden Tabelle sind einige der von Estes angegebenen Werte für spezifische Impulse für mehrere ihrer Raketenmotoren aufgeführt: Estes Industries ist ein großer, bekannter amerikanischer Verkäufer von Modellraketen und Raketenteilen. Der spezifische Impuls für Modellraketenmotoren ist viel geringer als für viele andere Raketenmotoren, weil das Schwarzpulver als Treibstoff verwendet wird. Schwarzpulver wird in Modellraketenmotoren verwendet, weil es weniger kostet.

Motor	Gesamtimpuls (Ns)	Kraftstoff-Gewicht (N)	Spezifischer Impuls (s)
Esten A10-3T	2.5	.0370	67.49
Esten A8-3	2.5	.0306	81.76
Esten B4-2	5.0	.0816	61.25
Esten B6-4	5.0	.0612	81.76
Estes C6-3	10	.1223	81.76
Esten C11-5	10	.1078	92.76
Estes D12-3	20	.2443	81.86
Esten E9-6	30	.3508	85.51
Spezifische Impulse für mehrere Estes-Raketenmotoren.

Größere Raketentriebwerke

Hier sind einige Beispielnummern für größere Raketentriebwerke:

Motortyp	Beispiel Verwendung	Spezifischer Impuls (s)	Effektive Auslassgeschwindigkeit (m/s)
NK-33-Raketentriebwerk	Vakuum	331	3,240
SSME-Raketentriebwerk	Raumtransporter-Vakuum	453	4,423
Staustrahltriebwerk	Mach 1	800	7,877
J-58-Turbostrahltriebwerk	SR-71 bei Mach 3,2 (Nass)	1,900	18,587
Rolls-Royce/Snecma Olympus 593	Concorde Mach 2-Kreuzfahrt (trocken)	3,012	29,553
CF6-80C2B1F-Triebwerk	Boeing 747-400-Kreuzfahrt	5,950	58,400
General Electric CF6-Turbofan	Meereshöhe	11,700	115,000
Spezifische Impuls- und effektive Abgasgeschwindigkeitszahlen für einige größere Raketentriebwerke.

Einheiten

	Spezifischer Impuls (nach Gewicht)	Spezifischer Impuls (nach Masse)	Effektive Ausblasgeschwindigkeit	Spezifischer Kraftstoffverbrauch
SI	=X Sekunden	=9,8066 X N-s/kg	=9,8066 X m/s	=(101,972/X) g/kN-s
Englische Einheiten	=X Sekunden	=X lbf-s/lb	=32,16 X ft/s	=(3,600/X) lb/lbf-h
Englische und SI-Einheiten (metrisches System) für verschiedene Raketenmotor-Leistungsmessungen.

Die heute gebräuchlichste Art, spezifische Impulse zu messen, sind Sekunden. Dies wird sowohl in der SI-Welt (metrisches System) als auch dort verwendet, wo englische Einheiten verwendet werden. Auf diese Weise sind die Einheiten überall identisch. Dies bedeutet, dass der spezifische Impuls zum Vergleich der Motorleistung in jedem Land verwendet werden kann. Die meisten Unternehmen, die Raketen- oder Düsentriebwerke herstellen, verwenden Sekunden, um die Leistung ihrer Produkte zu bewerben.

Die andere gebräuchliche Methode zur Messung des spezifischen Impulses ist die Messung in Metern pro Sekunde (m/s), die auch als effektive Austrittsgeschwindigkeit bezeichnet wird. Bei vielen Motoren unterscheidet sich die effektive Auslassgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit, mit der die Gase tatsächlich aus der Düse austreten.

Fragen und Antworten

F: Was ist ein spezifischer Impuls?

A: Der spezifische Impuls (oft abgekürzt mit Isp) beschreibt die Leistung einer Rakete oder eines Düsentriebwerks. Er kann verwendet werden, um Raketen unterschiedlicher Größe zu vergleichen und die Kraft zu messen, die ein Triebwerk für jedes bisschen Treibstoff aufbringt.

F: Wie wird der spezifische Impuls gemessen?

A: Der spezifische Impuls wird gemessen, indem man weiß, wie viel Treibstoff sich im Triebwerk befindet und berechnet, wie viel Kraft es für diese Menge an Treibstoff erzeugt.

F: Was bedeutet ein hoher spezifischer Impuls?

A: Ein hoher spezifischer Impuls bedeutet, dass eine Rakete weniger Treibstoff benötigt, um die gleiche Leistung zu erbringen, sie nutzt den Treibstoff also effizienter als eine Rakete mit einem niedrigeren spezifischen Impuls.

F: Wie können wir den spezifischen Impuls verwenden, um Triebwerke zu vergleichen?

A: Der spezifische Impuls kann ähnlich wie Meilen pro Gallone oder Liter pro 100 Kilometer verwendet werden, um Autos zu vergleichen. So können wir Raketen- oder Düsentriebwerke auf der Grundlage ihrer Effizienz vergleichen.

F: Bedeutet ein höherer spezifischer Impuls, dass ein Motor "leistungsfähiger" ist?

A: Nein, ein höherer spezifischer Impuls bedeutet nicht unbedingt, dass ein Triebwerk "leistungsfähiger" ist. Tatsächlich sind die Triebwerke mit den höchsten spezifischen Impulsen in der Regel auch die schwächsten in Bezug auf die Beschleunigungsleistung.

F: Wie können zwei Raketen mit unterschiedlichen Triebwerken, aber gleicher Treibstoffmenge gegeneinander antreten?

A: Bei einem Rennen zwischen zwei Raketen mit der gleichen Treibstoffmenge und zwei verschiedenen Triebwerken wird die Rakete mit dem stärkeren Triebwerk früh in Führung gehen. Wenn sie jedoch ihren gesamten Treibstoff verbraucht hat, hat die Rakete mit dem höheren spezifischen Impuls noch etwas Treibstoff übrig und wird weiter beschleunigen, bis sie schließlich ihr Gegenstück überholt, wenn sie genug Abstand hat, um ihren langfristigen Vorteil zu nutzen.