Īpatnējais impulss: definīcija, mērīšana un nozīme raķešu efektivitātē

Uzzini, kas ir īpatnējais impulss, kā to mērī un kā tas ietekmē raķešu efektivitāti — salīdzinājumi, piemēri un praktiska nozīme.

Autors: Leandro Alegsa

15-10-2025 12:18

Īpatnējais impulss (bieži saīsināts līdz I_sp) ir rādītājs, kas apraksta, cik efektīvi darbojas raķete vai cits reaktīvā dzinēja veids. Vienkāršā izpratnē tas norāda, cik lielu spēku (pārvietojuma spēju) dzinējs spēj nodrošināt uz katru patērētā degvielas vienību. Jo augstāks īpatnējais impulss, jo efektīvāk tiek izmantota degviela — tātad ar mazāku degvielas daudzumu var iegūt lielāku galīgo ātrumu vai lielāku lidojuma attālumu.

Definīcija un vienības

Fizikāli īpatnējo impulsu visbiežāk definē kā radītā vilkme (thrust) attiecībā pret degvielas masas plūsmas svaru. Tipiskā formula ir:

I_sp = F / (ṁ · g₀),

kur F ir vilkme (N), ṁ — degvielas masas plūsma (kg/s), un g₀ = 9.80665 m/s² ir standarta gravitācijas paātrinājums. Šī definīcija dod I_sp mērvienībā sekundes, kas ir visizplatītākā vienība praktiskajā lietošanā. Bieži arī lieto saistīto lielumu — efektīvo izpūtes ātrumu c (m/s), kas ir saistīts ar īpatnējo impulsu ar sakarību:

c = I_sp · g₀.

Tātad īpatnējā impulsa vērtību sekundēs var pārvērst par efektīvo izpūtes ātrumu metros sekundē un otrādi. Dažkārt tiek izmantota arī N·s/kg vienība, kas numeriski sakrīt ar izpūtes ātrumu (m/s).

Mērīšana

Īpatnējais impulss tiek noteikts, mērījot vilkmi un degvielas masas plūsmu. Biežākās mērīšanas metodes:

Vilkmes mērīšana ar slodzes stendu (thrust stand) vai J-stendu, kamēr fiksē propellanta plūsmas ātrumu caur plūsmas mērītāju.
Degvielas masas zuduma noteikšana, izmērot tvertnes masu pirms un pēc testu laika perioda.
Vakuma vs. atmosfēras apstākļi: īpatnējais impulss atšķiras vakuma un jūras līmeņa apstākļos, jo apkārtējā spiediena ietekmē izplūdes plūsma rada citādu neto vilkmi. Tāpēc raķešu dzinējiem parasti norāda gan I_sp(vac) — vakuma vērtību, gan I_sp(sl) — jūras līmeņa vērtību.

Nozīme raķešu efektivitātē un Tsiolkovska vienādojums

Īpatnējā impulsa loma ir tieša Tsiolkovska (raķetes) vienādojumā:

Δv = c · ln(m₀/m_f) = I_sp · g₀ · ln(m₀/m_f),

kur Δv ir īpatnējais ātruma pieaugums (delta-v), m₀ sākotnējā masa, un m_f galīgā masa pēc degvielas izlietojuma. No vienādojuma redzams, ka, pie nemainīgas masas frakcijas, lielāks I_sp dod lielāku iespēju sasniegt augstāku Δv — tātad plašākas misijas vai zemāku nepieciešamo degvielas masu.

Piemēri un tipiskās vērtības

Dažu dzinēju tehniskās īpatnējā impulsa izplatītākās apmēra:

Cietais kurināmais (solid rocket): aptuveni 200–300 s.
Kerosiīna (RP-1) un šķidra skābekļa (LOX) krustojumi: aptuveni 300–350 s.
Šķidrais ūdeņradis (LH2) un LOX: ap 400–460 s (vakumā augstāks).
Kodolvadošie / termoķīmiskie dzinēji (teorētiski/nodaļēji realizēti): var sasniegt 600–1000 s vai vairāk atkarībā no tehnoloģijas.
Elektriskie / jonu dzinēji: ļoti augsts I_sp, parasti no ~1000 s līdz vairākiem tūkstošiem sekundžu (atkarībā no tipa — Hall efekta, gradiālitela utt.).

Piemēri: tipisks kerosīna/LOX pirmā pakāpe ir aptuveni 330 s vakumā, kamēr tāda augstas efektivitātes šķidrā ūdeņraža dzinēja vakuma I_sp var būt ~450 s. Jonu dzinēji var sasniegt I_sp pāri tūkstošiem sekundžu, taču tiem parasti ir ļoti zems vilkmes blīvums.

Praktiskas sekas un kompromisi

Augsts I_sp ne vienmēr nozīmē "jaudīgāks" dzinējs. Ir svarīgi atšķirt efektivitāti (I_sp) no momentānas jaudas vai vilkmes. Raksturīgi kompromisi:

Dzinēji ar ļoti augstu I_sp (piem., elektriskie/jonu) parasti nodrošina ļoti zemu vilkmi, bet var darboties ilgi, efektīvi izmantojot maz degvielas. Tie ir lieliski orbitālām izmaiņām vai starpplanētu vilcieniem, bet neder, ja nepieciešams liels sākotnējais pacēlums.
Kemiskie dzinēji nodrošina lielu vilkmi (svarīgi pacelšanai no zemes) dažkārt pie zemāka I_sp. Tāpēc palaišanas līmeņu pirmās pakāpes parasti izmanto vilkmei optimizētus dzinējus, bet augstākajām pakāpēm — efektivitātes uzlabošanai tvertnes un dzinēji ar augstāku I_sp.
Augstāks I_sp var prasīt sarežģītākas konstrukcijas, jaunas tehnoloģijas (piem., turbopumpji, kriogēniskie uzglabāšanas nosacījumi vai enerģijas avoti elektriskajiem dzinējiem), kas palielina sistēmas masu, izmaksas vai risku.

Kopsavilkums

Īpatnējais impulss ir būtisks rādītājs raķešu un reaktīvo dzinēju salīdzināšanai — tas nosaka, cik efektīvi dzinējs izmanto degvielu. Mērīts parasti sekundēs (un saistīts ar efektīvo izpūtes ātrumu metros sekundē), I_sp ir tieši saistīts ar raķetes spēju sasniegt nepieciešamo Δv. Tomēr praktiskos risinājumos jāņem vērā arī vilkme, masa, sistēmas sarežģītība un misijas prasības: augsts īpatnējais impulss ir vērtība, bet ne vienīgais kritērijs dzinēja vai raķetes dizainā.

Attēls, kas parāda Estes A10-PT raķešu dzinēja radīto spēku aptuveni 1 sekundes laikā. Ir arī informācija par impulsu, degvielas daudzumu un īpatnējo impulsu.

Mērījumi

Ir divi veidi, kā cilvēki atrod konkrēta impulsa numuru. Lai noteiktu īpatnējo impulsu, impulsu dala ar degvielas daudzumu. Impulss ir mērvienība, kas nosaka, cik lielu spēku rada raķetes motors un cik ilgi tas darbojas. Dažkārt dzinējam, kas ilgstoši rada mazu spēku, var būt lielāks impulss nekā dzinējam, kas īslaicīgi rada lielu spēku. Impulsu mēra ņūtonos reiz sekundēs (N*s).

Lai noteiktu īpatnējo impulsu, izmantotās degvielas daudzumu var izmērīt dažādos veidos. Dažreiz to mēra masā, dažreiz - svarā. Ja degvielas daudzumu mēra masā, īpatnējo impulsu izsaka kā ātrumu. Parasti to mēra metros sekundē. Ja īpatnējo impulsu mēra kā ātrumu, tam ir cits nosaukums. To sauc arī par efektīvo izplūdes ātrumu. Otrs veids, kā izmērīt degvielas daudzumu, ir masa. Ja izmanto svaru, īpatnējais impulss ir izteikts laika vienībās, parasti sekundēs. Abi šie veidi ir izplatīti. Ar abiem tiek salīdzināta dzinēju veiktspēja.

Ja īpatnējais impulss ir lielāks, ir nepieciešams mazāk degvielas, lai raķete sasniegtu noteiktu līmeni. Tātad degviela ir efektīvāka, ja īpatnējais impulss ir lielāks.

Uzmanieties nejaukt vilkmi un īpašo impulsu. Vilkme ir tikai spēks, ko raķete rada vienā laika brīdī. Īpatnējais impulss ir spēka mērvienība, pamatojoties uz degvielas daudzumu.

Kad cilvēki atrod specifisko impulsu, vienīgā degviela, kas tiek skaitīta, ir raķetē, pirms tā tiek palaista. Tas ietver degvielu un oksidētāju (degvielas daļu, kas palīdz degt degvielai). Oksidētājs dažreiz ir skābeklis, bet bieži vien kaut kas cits (sk. Raķešu dzinējs#šķidrumi, cietvielas un hibrīdi).

Piemēri

Dažādu raķetes stumšanas veidu īpatnējais impulss
Dzinējs	Efektīvais izplūdes gāzu ātrums (m/s, kg-m/s/kg)	Īpašais impulss (-i)	Enerģija uz kg izplūdes gāzu (MJ/kg)
Turboventilatora reaktīvais dzinējs (faktiskais V ir ~300)	29,000	3,000	~0.05
Cietās degvielas raķete	2,500	250	3
Šķidrās degvielas raķete	4,400	450	9.7
Jonu dzineklis	29,000	3,000	430
Divpakāpju četru režģu elektrostatiskais jonu dzineklis	210,000	21,400	22,500
VASIMR	30,000-120,000	3,000-12,000	1,400

Reaktīvie (lidmašīnu) dzinēji izmanto degvielu labāk nekā raķešu dzinēji. Tas ir tāpēc, ka gāzes neizplūst tik ātri. Tā kā tās neizplūst tik ātri, izplūdes gāzes neizvada tik daudz enerģijas. Tas nozīmē, ka reaktīvais dzinējs patērē daudz mazāk enerģijas, lai virzītu reaktīvo dzinēju. Tas ir arī tāpēc, ka gaiss, kas izplūst caur dzinēju, reaktīvajam dzinējam lidojot gaisā, palīdz degvielai sadegt ātrāk.

Raķešu modelēšana

Īpatnējo impulsu izmanto arī, lai aprakstītu, cik labi darbojas raķešu modeļu dzinēji. Tālāk tabulā ir norādītas dažas Estes norādītās īpatnējā impulsa vērtības vairākiem to raķešu dzinējiem: Estes Industries ir liels, labi zināms amerikāņu raķešu modeļu un raķešu detaļu pārdevējs. Raķešu modeļu dzinēju īpatnējais impulss ir daudz zemāks nekā daudziem citiem raķešu dzinējiem, jo kā degviela tiek izmantots melnais pulveris. Melno pulveri izmanto modeļu raķešu dzinējos, jo tas maksā lētāk.

Dzinējs	Kopējais impulss (Ns)	Degvielas svars (N)	Īpatnējais impulss (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
Īpaši impulsi vairākiem Estes raķešu dzinējiem.

Lielāki raķešu dzinēji

Šeit ir daži lielāku raķešu dzinēju piemēri:

Dzinēja tips	Lietošanas piemērs	Īpatnējais impulss (s)	Efektīvais izplūdes ātrums (m/s)
NK-33 raķešu dzinējs	Vakuums	331	3,240
SSME raķešu dzinējs	Kosmosa kuģīša vakuums	453	4,423
Ramjet	Maš 1	800	7,877
J-58 turboreaktīvais lidaparāts	SR-71 pie 3,2 maha (slapjš)	1,900	18,587
Rolls-Royce/Snecma Olympus 593	Concorde 2 Maha kreisēšanas lidojums (sausais)	3,012	29,553
CF6-80C2B1F turboreaktīvais ventilators	Boeing 747-400 izbrauciens	5,950	58,400
General Electric CF6 turboventilators	Jūras līmenis	11,700	115,000
Dažu lielāku raķešu dzinēju īpatnējais impulss un efektīvais izplūdes ātrums.

Vienības

	Īpatnējais impulss (pēc svara)	Īpatnējais impulss (pēc masas)	Efektīvais izplūdes ātrums	Īpatnējais degvielas patēriņš
SI	=X sekundes	=9,8066 X N-s/kg	=9,8066 X m/s	=(101,972/X) g/kN-s
Angļu valodas vienības	=X sekundes	=X lbf-s/lb	=32,16 X ft/s	=(3,600/X) lb/lbf-h
Angļu un SI (metriskā sistēma) vienības dažādiem raķešu dzinēju veiktspējas mērījumiem.

Mūsdienās visizplatītākais specifiskā impulsa mērīšanas veids ir sekundes. To izmanto gan SI (metriskās sistēmas) pasaulē, gan arī tur, kur tiek izmantotas angļu vienības. Šādā veidā vienības visur ir vienādas. Tas nozīmē, ka īpatnējo impulsu var izmantot, lai salīdzinātu dzinēja veiktspēju jebkurā valstī. Lielākā daļa uzņēmumu, kas ražo raķešu dzinējus vai reaktīvos dzinējus, izmanto sekundes, lai reklamētu sava produkta veiktspēju.

Cits izplatīts veids, kā mērīt īpatnējo impulsu, ir metros sekundē (m/s), ko sauc arī par efektīvo izplūdes ātrumu. Daudziem dzinējiem efektīvais izplūdes ātrums atšķiras no ātruma, ar kādu gāzes faktiski izplūst no sprauslas.

Saistītās lapas

Reaktīvais dzinējs
Impulss (fizika) - impulsa izmaiņas

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir specifisks impulss?

A: Īpatnējais impulss (bieži saīsināti Isp) ir veids, kā aprakstīt, cik labi darbojas raķešu vai reaktīvo dzinēju dzinēji. To var izmantot, lai salīdzinātu dažāda lieluma raķetes un izmērītu spēka daudzumu, ko dzinējs izdara ar katru degvielas devu.

J: Kā mēra īpatnējo impulsu?

A: Īpatnējo impulsu mēra, zinot, cik daudz degvielas ir dzinējā, un aprēķinot, cik lielu spēku tas rada, izmantojot šo degvielas daudzumu.

J: Ko nozīmē augsts īpatnējais impulss?

A: Augsts īpatnējais impulss nozīmē, ka raķetei nepieciešams mazāk degvielas, lai tā darbotos tikpat labi, tāpēc tā izmanto degvielu efektīvāk nekā raķete ar zemāku īpatnējo impulsu.

J: Kā mēs varam izmantot īpatnējo impulsu, lai salīdzinātu dzinējus?

A: Īpatnējo impulsu var izmantot līdzīgi kā automobiļu salīdzināšanai izmanto jūdzes uz galonu vai litrus uz 100 kilometriem, ļaujot mums salīdzināt raķešu vai reaktīvos dzinējus, pamatojoties uz to efektivitāti.

J: Vai lielāks īpatnējais impulss nozīmē, ka dzinējs ir "jaudīgāks"?

A: Nē, lielāks īpatnējais impulss ne vienmēr nozīmē, ka dzinējs ir "jaudīgāks". Patiesībā dzinēju ar visaugstāko īpatnējo impulsu konstrukcijas parasti ir visvājākās paātrinājuma jaudas ziņā.

J: Kā divas raķetes ar dažādiem dzinējiem, bet vienādu degvielas daudzumu sacenšas savā starpā?

A: Sacensībās starp divām raķetēm ar vienādu degvielas daudzumu un diviem dažādiem dzinējiem, tā, kurai ir jaudīgāks dzinējs, sākumā izvirzīsies vadībā, bet, kad tā sadedzinās visu degvielu, raķetei ar augstāku īpatnējo impulsu vēl paliks nedaudz degvielas un tā turpinās paātrināties, līdz galu galā apsteigs savu kolēģi, ja būs pietiekams attālums, lai tā varētu izmantot savas ilgtermiņa priekšrocības.

Meklēt