Savitasis impulsas

Savitàsis impulsàs arba savitóji traukà (angl. specific impulse, rus. удельный импульс) – dydis, nusakantis reaktyvinio variklio efektyvumą. Įprastai žymimas I_sp, I_s. Kartais abi sąvokos vartojamos kaip sinonimai, nes jos apibrėžia beveik tą patį rodiklį. Savitoji trauka vartojama vidinėje balistikoje, o savitasis impulsas – išorinėje balistikoje. Šiuo dydžiu nusakoma kokią trauką išvysto variklis, ištekant iš jo tam tikram kiekiui darbinės medžiagos. Savitasis impulsas SI sistemoje matuojamas metrais sekundei (m/s) arba sekundėmis. Panašiai, kaip automobilių efektyvumui įvertinti naudojamas kuro sąnaudos (l/100 km), savitasis impulsas naudojamas reaktyvinių variklių našumo palyginimui. Raketoms didesnis savitasis impulsas leidžia sunaudoti mažiau kuro tam pačiam greičio pokyčiui pasiekti, lyginant su mažesniu savituoju impulsu.

Apibrėžimas

Savitasis impulsas – reaktyvinio variklio savybė, nusakoma variklio sukuriamo judesio kiekio ir sukuriamo srauto išeigos santykiu. Teoriškai savitasis impulsas lygus degimo produktų ištekėjimo greičiui, bet dažniausiai jis skiriasi. Todėl savitąjį impulsą taip pat vadina tikruoju (arba ekvivalenčiu, efektyviuoju) ištekėjimo greičiu.

Savitoji trauka – reaktyvinio variklio savybė, lygi variklio sukuriamos traukos jėgos ir sudeginto kuro masės išeigos santykiui. Matuojama metrais sekundei. Taip pat vartojamas traukos jėgos, išreikštos kilogramais išeigos santykis; tuo atveju savitoji trauka matuojama sekundėmis. Perskaičiuojant savitąją trauką iš svorinės savitosios traukos, pastarąją reikia padauginti iš laisvojo kritimo pagreičio (apytiksliai lygaus 9,81 m/s²).

Bendri pastebėjimai

Nereiktų painioti tarpusavyje savitojo impulso ir variklio traukos. Savitasis impulsas yra impulso sukuriamo sunaudojus tam tikrą kiekį kuro, o trauka yra pasirinkto variklio sukuriama jėga. Daugeliu atvejų reaktyviniai varikliai, turintys labai didelį savitąjį impulsą (pvz., joninių variklių I_s ≈ 10000 s) išvysto mažą traukos jėgą.

Variklio našumo pagal I_s nereikia painioti su jo energetiniu našumu, kuris gali netgi mažėti didėjant savitajam impulsui, nes varikliui pasiekti didesnį impulsą taip pat reikalingas ir didesnis energijos kiekis.

Apskaičiuojant savitąjį impulsą, įskaitomas tik kuras, laikomas kartu su skraidančiu aparatu. Į cheminiu kuru varomos raketos kuro masę turi būti įskaityta tiek degalų, tiek oksidatoriaus masė; lėktuvų varikliams tik degalų masė – oro srautas, praėjęs pro variklį neįskaitomas.

Matavimo vienetai

Šiuo metu labiausiai paplitęs savitojo impulso matavimo vienetas yra sekundė. Jis yra naudojamas tiek SI, tiek kitose matavimo vienetų sistemose. Pagrindinis pranašumas, lyginant su m/s, yra tai, kad skaitinė I_s vertė visose pagrindinėse sistemose yra sutampa. Beveik visi variklių gamintojai įvardija variklių našumą sekundėmis. Šis matavimo vienetas taip pat naudingas nurodyti orlaivių variklių našumą.

Raketiniuose varikliuose savitasis impulsas nurodomas m/s. Jis proporcingas efektyviajam dujų ištekėjimo greičiui.

Sąryšiai su kitais variklio rodikliais

Jei savitasis impulsas išreikštas sekundėmis, variklio traukos priklausomybė nuo savitojo impulso ir darbinės medžiagos debito išreiškia lygtimi:

$F_{\text{t}}=I_{\text{s}}\cdot {\dot {m}}\cdot g_{0},$

kur:

$F_{\text{t}}$ – variklio sukuriama traukos jėga, N,

$I_{\text{s}}$ – savitasis impulsas, sekundėmis,

${\dot {m}}$ – iš variklio ištekančio sruto debitas kg/s, (su neigiamu ženklu, nes bendra kuro masė mažėja),

$g_{0}$ – laisvojo kritimo pagreitis, m/s².

Tokios formuluotės privalumas yra galimybė taikyti formulę tiek raketoms, savyje talpinančioms visus degalus, tiek orlaiviams, savyje talpinančius tik degalus ir naudojančius aplinkos orą.

Vaizdas:Specific-impulse-kk-20090105.png

Įvairių reaktyvinių variklių savitasis impulsas

Raketiniuose varikliuose savitasis impulsas apibrėžiamas kaip:

$I_{\rm {s}}={\frac {v_{\rm {e}}}{g_{\rm {0}}}}$,

kur:

I_s savitasis impulsas, sekundėmis,

$v_{\rm {e}}$ vidutinis dujų ištekėjimo iš variklio greitis m/s, lygiagretus išilginei variklio ašiai.

g₀ laisvojo kritimo pagreitis, m/s².

Dėl atmosferos poveikio, savitasis impulsas priklauso nuo aukščio ir būna didžiausias vakuume. Tai yra dėl to, kad ištekėjimo greitis priklauso ne nuo dujų slėgio variklio degimo kameroje, bet nuo slėgių degimo kameroje ir aplinkoje skirtumo. Todėl savitasis impulsas dažnai nurodomas jūros lygyje (angl. literatūroje žymima indeksu 'sl'), arba vakuume (angl. literatūroje dažnai žymima indeksu 'vac').

Pavyzdžiai

Daugkartinio erdvėlaivio „Space Shuttle“ pagrindinio raketinio variklio savitasis impulsas vakuume yra 453 s, kuris tapatus 4440 m/s ištekėjimo greičiui. Orlaivių reaktyviniai turi žymiai didesnį savitąjį impulsą nei raketų varikliai; pvz., jūros lygyje turbosraigtinis reaktyvinis variklis gali turėti savitąjį impulsą, siekiantį 6000 s. Raketa tame pačiame aukštyje gali turėti 200-400 s savitąjį impulsą.

Lentelėje pateikti savitieji impulsai, būdingi įvairių tipų varikliams:

Variklis	Savitasis impulsas
	m/s	s
Turboreaktyvinis variklis	29 000	3 000
Kieto kuro raketinis variklis	2 650	270
Skysto kuro raketinis variklis	4 600	470
Elektrinis raketinis variklis	10 000—100 000	1000 — 10 000
Joninis variklis	30 000	3 000
Plazminis reaktyvinis variklis	290 000	30 000

---