Specifik impuls

Specifik impuls (ofta förkortat till I_sp ) är ett sätt att beskriva hur bra en raket fungerar. Det används också för att beskriva hur bra en jetmotor fungerar. Den kan användas för att jämföra raketer av olika storlek. Det är ett sätt att veta hur mycket kraft en viss motor ger för varje bit bränsle. För att göra detta måste man veta hur mycket bränsle som finns i motorn. En hög specifik impuls innebär att en raket behöver mindre bränsle för att prestera lika bra. Om den specifika impulsen är lägre betyder det att raketen behöver mer bränsle för att fungera lika bra.

Specifik impuls är ett användbart värde för att jämföra raket- och jetmotorer. Det används ungefär som miles per gallon eller liter per 100 kilometer används för att jämföra bilar. En motor med högre specifik impuls använder bränslet bättre. Det innebär att samma mängd bränsle gör att raketen går snabbare när allt bränsle är slut.

En raketmotor med högre specifik impuls betyder inte att den är "kraftfullare". Det vill säga, den får inte raketen att accelerera hårdare. Faktum är att konstruktioner för motorer med den högsta specifika impulsen, som jonmotorer, är de "svagaste" av alla typer av motorer. De accelererar raketen långsamt men stadigt under en lång tidsperiod med hjälp av endast en liten mängd bränsle. I en tävling mellan två raketer med samma mängd bränsle och två olika motorer kommer den med den kraftfullare motorn att ta en tidig ledning, men när den bränner ner allt bränsle kommer raketen med högre specifik impuls fortfarande att ha lite bränsle kvar och fortsätta att accelerera. Så småningom kommer den att köra om sin motpart och vinna loppet om avståndet är tillräckligt stort för att den ska kunna utnyttja sin långsiktiga fördel.

En figur som visar kraften från en Estes A10-PT raketmotor under cirka 1 sekund. Det finns också information om impuls, bränslemängd och specifik impuls.

Mätningar

Det finns två sätt att hitta numret för en specifik impuls. För att hitta den specifika impulsen dividerar man impulsen med mängden bränsle. Impuls är ett mått på hur mycket kraft en raketmotor ger upphov till och hur länge. En motor som ger en låg kraft under lång tid kan ibland ha en högre impuls än en motor som ger en hög kraft under kort tid. Impuls mäts i Newton gånger sekunder (N*s).

Den mängd bränsle som används för att hitta den specifika impulsen kan mätas på olika sätt. Ibland mäts det i massa och ibland i vikt. När bränslemängden mäts i massa uttrycks den specifika impulsen som en hastighet. Denna anges vanligtvis i meter per sekund. När den specifika impulsen mäts som en hastighet har den ett annat namn. Den kallas också effektiv avgashastighet. Det andra sättet att mäta mängden bränsle är vikt. Om vikt används är den specifika impulsen uttryckt i tidsenheter, vanligen i sekunder. Dessa två sätt är båda vanliga. Båda jämför motorernas prestanda.

När den specifika impulsen är högre behövs mindre bränsle för att få raketen att prestera på en viss nivå. Ett bränsle är alltså effektivare om den specifika impulsen är högre.

Var försiktig så att du inte blandar ihop drivkraft och specifik impuls. Skjutkraft är bara den kraft som en raket ger upphov till vid en viss tidpunkt. Specifik impuls är ett mått på kraften baserat på hur mycket bränsle det finns.

När människor hittar specifika impulser är det enda bränsle som räknas in i raketen innan den avfyras. Detta inkluderar bränslet och oxidationsmedlet (den del av bränslet som hjälper bränslet att brinna). Oxidationsmedlet är ibland syre, eller ofta något annat (se Raketmotor#Vätskor, fasta ämnen och hybrider).

Exempel

Specifik impuls för olika sätt att skjuta en raket
Motor	Effektiv avgashastighet (m/s, kg-m/s/kg)	Specifik (a) impuls (er)	Energi per kg avgaser (MJ/kg)
Turbofan-jetmotor (V är ~300 i verkligheten).	29,000	3,000	~0.05
Raket med fast bränsle	2,500	250	3
Raket med flytande bränsle	4,400	450	9.7
Jonpropeller	29,000	3,000	430
Elektrostatisk jonpropeller med två steg och fyra rutnät	210,000	21,400	22,500
VASIMR	30,000-120,000	3,000-12,000	1,400

Jetmotorer (flygplan) använder bränsle bättre än raketmotorer. Detta beror på att gaserna inte flyter ut lika snabbt. Eftersom gaserna inte flyter ut lika snabbt, transporterar avgaserna inte lika mycket energi. Detta innebär att jetmotorn använder mycket mindre energi för att driva på strålen. Det beror också på att luften som går genom motorn när jetplanet flyger genom luften hjälper bränslet att brinna snabbare.

Modellraketer

Specifik impuls används också för att beskriva hur väl modellraketer fungerar. I tabellen nedan finns några av Estes angivna värden för specifik impuls för flera av deras raketmotorer: Estes Industries är en stor och välkänd amerikansk försäljare av modellraketer och raketdelar. Den specifika impulsen för modellraketmotorer är mycket lägre än för många andra raketmotorer eftersom svartkrut används som bränsle. Svartkrut används i modellraketer eftersom det kostar mindre.

Motor	Total impuls (Ns)	Bränslevikt (N)	Specifik impuls (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
Specifika impulser för flera Estes raketmotorer.

Större raketmotorer

Här är några exempel på siffror för större raketmotorer:

Motortyp	Exempel på användning	Specifik impuls (s)	Effektiv avgashastighet (m/s)
NK-33 raketmotor	Vakuum	331	3,240
SSME-raketmotor	Rymdfärjans vakuum	453	4,423
Ramjet	Mach 1	800	7,877
J-58 turbojet	SR-71 vid Mach 3,2 (våt)	1,900	18,587
Rolls-Royce/Snecma Olympus 593	Concorde Mach 2-kryssning (torr)	3,012	29,553
CF6-80C2B1F turbofläktmotor	Boeing 747-400 kryssning	5,950	58,400
General Electric CF6 turbofläktmotor	Havsnivå	11,700	115,000
Specifik impuls och effektiv avgashastighet för några större raketmotorer.

Enheter

	Specifik impuls (i vikt)	Specifik impuls (i massa)	Effektiv avgashastighet	Specifik bränsleförbrukning
SI	=X sekunder	=9,8066 X N-s/kg	=9,8066 X m/s	=(101,972/X) g/kN-s
Engelska enheter	=X sekunder	=X lbf-s/lb	=32,16 X ft/s	=(3 600/X) lb/lbf-h
Engelska och SI-enheter (metriskt system) för olika mätningar av raketmotorns prestanda.

Det vanligaste sättet att mäta specifik impuls idag är att använda sekunder. Detta används både i SI-världen (det metriska systemet) och i engelska enheter. På så sätt är enheterna identiska överallt. Detta innebär att specifik impuls kan användas för att jämföra motorprestanda i alla länder. De flesta företag som tillverkar raketmotorer eller jetmotorer använder sekunder för att marknadsföra sina produkters prestanda.

Det andra vanliga sättet att mäta specifik impuls är i meter per sekund (m/s), vilket också kallas effektiv avgashastighet. För många motorer skiljer sig den effektiva avgashastigheten från den hastighet som gaserna faktiskt kommer ut ur munstycket.

Relaterade sidor

Jetmotor
Impuls (fysik) - förändring av drivkraft

Frågor och svar

F: Vad är specifik impuls?

S: Specifik impuls (ofta förkortat till Isp) är ett sätt att beskriva hur väl en raket eller en jetmotor fungerar. Den kan användas för att jämföra raketer av olika storlek och för att mäta hur mycket kraft en motor ger för varje bit bränsle.

F: Hur mäts den specifika impulsen?

S: Specifik impuls mäts genom att veta hur mycket bränsle som finns i motorn och beräkna hur mycket kraft den producerar för den mängden bränsle.

F: Vad innebär en hög specifik impuls?

S: En hög specifik impuls innebär att en raket behöver mindre bränsle för att prestera lika bra, så den använder bränslet mer effektivt än en raket med lägre specifik impuls.

F: Hur kan vi använda specifik impuls för att jämföra motorer?

S: Specifik impuls kan användas ungefär som miles per gallon eller liter per 100 kilometer används för att jämföra bilar, vilket gör att vi kan jämföra raket- eller jetmotorer utifrån deras effektivitet.

F: Betyder en högre specifik impuls att en motor är "kraftfullare"?

S: Nej, en högre specifik impuls innebär inte nödvändigtvis att en motor är "kraftigare". Faktum är att konstruktioner för motorer med den högsta specifika impulsen vanligtvis är de svagaste när det gäller accelerationskraft.

F: Hur kan två raketer med olika motorer men med samma mängd bränsle tävla mot varandra?

S: I en tävling mellan två raketer med samma mängd bränsle och två olika motorer kommer den med den kraftfullare motorn att ta en tidig ledning, men när den bränner ner allt sitt bränsle kommer raketen med högre specifik impuls fortfarande att ha lite bränsle kvar och kommer att fortsätta att accelerera tills den till slut går om sin motpart om det finns tillräckligt långt avstånd för att den ska kunna utnyttja sin långsiktiga fördel.