Impulso specifico
L'impulso specifico (spesso abbreviato in Isp) è un modo per descrivere le prestazioni di un razzo. Viene anche usato per descrivere le prestazioni di un motore a reazione. Può essere utilizzato per confrontare razzi di diverse dimensioni. È un modo per sapere quanta forza fa un dato motore per ogni bit di carburante. Per fare questo, bisogna sapere quanto carburante c'è nel motore. Un impulso specifico elevato significa che un razzo ha bisogno di meno carburante per funzionare. Se l'impulso specifico è inferiore, significa che anche il razzo ha bisogno di più carburante per funzionare.
L'impulso specifico è un valore utile per confrontare i motori dei razzi o dei jet. Viene utilizzato in modo simile a miglia per gallone o litri per 100 chilometri per confrontare le auto. Un motore con un impulso specifico più elevato utilizza meglio il carburante. Ciò significa che la stessa quantità di carburante permette al razzo di andare più veloce dopo che tutto il carburante è esaurito.
Un motore a razzo con un impulso specifico più elevato non significa che sia "più potente". Cioè, non farà accelerare il razzo più duramente. Infatti, i progetti per i motori con l'impulso specifico più alto, come i motori a ioni, sono i "più deboli" di tutti i tipi di motori. Essi accelerano il razzo lentamente ma costantemente per un lungo periodo di tempo utilizzando solo una piccola quantità di carburante. In una gara tra due razzi con la stessa quantità di carburante e due motori diversi, quello con il motore più potente avrà un vantaggio iniziale, ma quando brucia tutto il carburante, il razzo con un impulso specifico più elevato avrà ancora un po' di carburante e continuerà ad accelerare. Alla fine supererà la sua controparte e vincerà la gara se la distanza è abbastanza grande da poter utilizzare il suo vantaggio a lungo termine.
Una figura che mostra la forza esercitata da un motore a razzo Estes A10-PT per circa 1 secondo. Ci sono anche informazioni sull'impulso, la quantità di carburante e l'impulso specifico.
Misure
Ci sono due modi in cui le persone trovano il numero per un impulso specifico. Per trovare l'impulso specifico, si divide l'impulso per la quantità di carburante. L'impulso è una misura di quanta forza produce un motore a razzo e per quanto tempo. Un motore che produce una forza bassa per un lungo periodo di tempo può talvolta avere un impulso più alto di un motore che produce una forza alta per un breve periodo di tempo. L'impulso è misurato in Newton volte secondi (N*s).
La quantità di carburante utilizzata per trovare l'impulso specifico può essere misurata in diversi modi. A volte viene misurata in massa e a volte in peso. Quando la quantità di carburante viene misurata in massa, l'impulso specifico viene espresso come velocità. Questa è solitamente espressa in metri al secondo. Quando l'impulso specifico viene misurato come velocità, ha un altro nome. Si chiama anche velocità effettiva di scarico. L'altro modo per misurare la quantità di carburante è il peso. Se si usa il peso, l'impulso specifico è espresso in unità di tempo, di solito in secondi. Questi due modi sono entrambi comuni. Entrambi confrontano le prestazioni dei motori.
Quando l'impulso specifico è più alto, è necessario meno carburante per far funzionare il razzo ad un certo livello. Quindi, un carburante è più efficiente se l'impulso specifico è più alto.
Attenzione a non confondere la spinta e l'impulso specifico. La spinta è solo la forza prodotta da un razzo ad un certo punto nel tempo. L'impulso specifico è una misura della forza basata su quanto carburante c'è.
Quando le persone trovano un impulso specifico, l'unico carburante contato è nel razzo prima che venga sparato. Questo include il combustibile e l'ossidante (la parte del combustibile che aiuta il combustibile a bruciare). L'ossidante è a volte l'ossigeno, o spesso qualcos'altro (vedi Rocket engine#Liquidi, solidi e ibridi).
Esempi
| Impulso specifico di diversi modi di spingere un razzo | |||
| Motore | Velocità effettiva di scarico | Impulso | Energia per kg di scarico |
| Motore a getto turbofan | 29,000 | 3,000 | ~0.05 |
| Razzi a combustibile solido | 2,500 | 250 | 3 |
| Razzi a combustibile liquido | 4,400 | 450 | 9.7 |
| Propulsore ionico | 29,000 | 3,000 | 430 |
| Propulsore elettrostatico a ioni a doppio stadio a quattro griglie | 210,000 | 21,400 | 22,500 |
| VASIMR | 30,000-120,000 | 3,000-12,000 | 1,400 |
I motori a reazione (aerei) usano il carburante meglio dei motori a razzo. Questo perché i gas non fuoriescono così velocemente. Poiché non fuoriescono così velocemente, i gas di scarico non portano via altrettanta energia. Ciò significa che il motore del jet usa molta meno energia per spingere il jet. E' anche perché l'aria che passa attraverso il motore mentre il jet vola nell'aria aiuta il carburante a bruciare più velocemente.
Modelli di missili
L'impulso specifico è anche usato per descrivere come funzionano bene i motori a razzo modello. Nella tabella seguente sono riportati alcuni dei valori dichiarati di Estes per gli impulsi specifici per diversi dei loro motori a razzo: Estes Industries è un grande, ben noto venditore americano di razzi modello e parti di razzi. L'impulso specifico per i motori a razzo modello è molto più basso rispetto a molti altri motori a razzo perché la polvere nera viene utilizzata come combustibile. La polvere nera è utilizzata nei motori a razzo modello perché costa meno.
| Motore | Impulso totale (Ns) | Peso del carburante (N) | Impulso specifico (s) |
| Estes A10-3T | 2.5 | .0370 | 67.49 |
| Estes A8-3 | 2.5 | .0306 | 81.76 |
| Estes B4-2 | 5.0 | .0816 | 61.25 |
| Estes B6-4 | 5.0 | .0612 | 81.76 |
| Estes C6-3 | 10 | .1223 | 81.76 |
| Estes C11-5 | 10 | .1078 | 92.76 |
| Estes D12-3 | 20 | .2443 | 81.86 |
| Estes E9-6 | 30 | .3508 | 85.51 |
| Impulsi specifici per diversi motori a razzo Estes. | |||
Motori a razzo più grandi
Ecco alcuni numeri di esempio per i motori a razzo più grandi:
| Tipo di motore | Esempio di utilizzo | Impulso specifico (s) | Velocità effettiva di scarico (m/s) |
| Motore a razzo NK-33 | Vuoto | 331 | 3,240 |
| Motore a razzo SSME | Vuoto della navetta spaziale | 453 | 4,423 |
| Ramjet | Mach 1 | 800 | 7,877 |
| J-58 turboreattore | SR-71 a Mach 3.2 (bagnato) | 1,900 | 18,587 |
| Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 | Crociera Concorde Mach 2 (a secco) | 3,012 | 29,553 |
| CF6-80C2B1F turbofan | Crociera Boeing 747-400 | 5,950 | 58,400 |
| General Electric CF6 turbofan | Livello del mare | 11,700 | 115,000 |
| Impulso specifico e numeri di velocità di scarico effettivi per alcuni motori a razzo più grandi. | |||
Unità
| Impulso specifico | Impulso specifico | Velocità effettiva di scarico | Consumo specifico di carburante | |
| SI | =X secondi | =9,8066 X N-s/kg | =9.8066 X m/s | =(101,972/X) g/kN-s |
| Unità inglesi | =X secondi | =X lbf-s/lb | =32,16 X ft/s | =(3.600/X) lb/lbf-h |
| Unità inglesi e SI (sistema metrico decimale) per varie misurazioni delle prestazioni dei motori a razzo. | ||||
Il modo più comune per misurare un impulso specifico oggi utilizza i secondi. Questo è usato sia nel mondo SI (sistema metrico decimale) che in quello delle unità inglesi. In questo modo le unità sono identiche ovunque. Ciò significa che l'impulso specifico può essere usato per confrontare le prestazioni del motore in qualsiasi paese. La maggior parte delle aziende che producono motori a razzo o motori a reazione usano i secondi per pubblicizzare le prestazioni dei loro prodotti.
L'altro modo comune per misurare l'impulso specifico è in metri al secondo (m/s), che è anche chiamato velocità effettiva di scarico. Per molti motori la velocità effettiva dei gas di scarico è diversa dalla velocità con cui i gas escono effettivamente dall'ugello.
Pagine correlate
- Motore a reazione
- Impulso (fisica) - il cambiamento di slancio
Domande e risposte
D: Che cos'è l'impulso specifico?
R: L'impulso specifico (spesso abbreviato in Isp) è un modo per descrivere le prestazioni di un razzo o di un motore a reazione. Può essere utilizzato per confrontare razzi di dimensioni diverse e misurare la quantità di forza che un motore produce per ogni bit di carburante.
D: Come si misura l'impulso specifico?
R: L'impulso specifico si misura conoscendo la quantità di carburante presente nel motore e calcolando la forza che produce per quella quantità di carburante.
D: Che cosa significa un impulso specifico elevato?
R: Un impulso specifico elevato significa che un razzo ha bisogno di meno carburante per ottenere le stesse prestazioni, quindi utilizza il carburante in modo più efficiente rispetto a un razzo con un impulso specifico inferiore.
D: Come possiamo utilizzare l'impulso specifico per confrontare i motori?
R: L'impulso specifico può essere utilizzato come le miglia per gallone o i litri per 100 chilometri per confrontare le auto, permettendoci di confrontare i motori a razzo o a reazione in base alla loro efficienza.
D: Avere un impulso specifico più elevato significa che un motore è 'più potente'?
R: No, un impulso specifico più elevato non significa necessariamente che un motore sia 'più potente'. Infatti, i progetti di motori con gli impulsi specifici più elevati sono solitamente i più deboli in termini di potenza di accelerazione.
D: Come fanno due razzi con motori diversi ma con la stessa quantità di carburante a gareggiare l'uno contro l'altro?
R: In una gara tra due razzi con la stessa quantità di carburante e due motori diversi, quello con il motore più potente prenderà un vantaggio iniziale, ma quando brucerà tutto il suo carburante, il razzo con un impulso specifico più elevato avrà ancora del carburante e continuerà ad accelerare fino a superare la sua controparte, se c'è una distanza sufficiente per utilizzare il suo vantaggio a lungo termine.
