¿Qué es el "impulso específico"?

En términos más simples, es solo el empuje producido dividido por el caudal de propulsor. "¿Cuánto empuje obtengo por el propulsor que estoy gastando?"

Por lo tanto, más grande es mejor: obtendrá más empuje con el mismo caudal de propulsor. Números más grandes = motor más eficiente = extraer más empuje de la misma cantidad de propulsor.

Es un parámetro clave para el análisis y es una figura de mérito útil para comparar sistemas. Como "kilometraje de gasolina" para automóviles. No te preocupes por las unidades.

Si desea comprender cómo el valor de 'segundos' se ajusta a la imagen general, existe esta definición bastante artificial (que nadie usa porque es artificial y en su mayoría inútil pero lo suficientemente evocadora).

0)

$I_{sp}$en segundos es igual a la cantidad de tiempo que se debe disparar un cohete para usar una cantidad de propulsor con un peso (medido en una gravedad estándar) igual a su empuje.

Imagine una configuración de prueba: motor de cohete más peso ficticio, de modo que la masa total (motor + peso) sea de 100 kg (kilogramo-fuerza, si desea especificar las unidades).

Conduce una tubería de combustible flexible externa desde un tanque de combustible que almacena 100 kg de combustible + oxidante (igual que el banco de pruebas). Arrancas el motor y mantienes el empuje para que flote, sin subir ni bajar. Mide el tiempo desde que arranca el motor hasta que se gasta todo el combustible, y cuando lo hace, el tiempo es su impulso específico. Cuanto más tiempo, mejor obviamente, más aceleración del combustible.

Obviamente, esta no es una prueba muy práctica, y esta definición no es muy útil: ayuda a imaginar por qué un impulso específico se expresa en segundos y qué significan estos segundos... pero, sinceramente, más allá de "comprender", a nadie le importa.

Lo que realmente importa son otros usos más prácticos del impulso específico:

1)

$I_{sp} = { v_e \over g_0 }$

Esta es una ecuación trivial. Tienes el$g_0$que es la aceleración gravitacional de la tierra, un factor de conversión trivial, una constante - y tienes$v_e$- velocidad de escape, velocidad a la que se expulsa el propulsor del motor. Eso es. La única variable, por lo que puede pensar en un impulso específico como la velocidad de los gases de escape, solo multiplicado por alguna constante por conveniencia. No es una propiedad mágica que dependa de un centenar de factores extraños y oscuros, es solo la velocidad del gas de escape. Solo 'extraño' un poco multiplicándolo por una constante. Realmente simple

2)

$F_\text{thrust} = g_0 \cdot I_\text{sp} \cdot \dot m$

Eso es lo mismo que la primera definición "inútil", solo que más útil. Así es como puede medir prácticamente un impulso específico (medir la velocidad del gas sobrecalentado o construir plataformas de prueba flotantes con tuberías flexibles no es realmente práctico). Nuevamente, "gane por el dinero", cuánto empuje se produce, por flujo de combustible. Cuanto más empuje y menos combustible se use, mejor. Pero puede medir cuánta fuerza ejerce un motor (digamos, cuánto se doblan las vigas de la celda de prueba cuando explota a pleno empuje, si es algo como el F-1 de Apolo, o cuánto gira el peso de torsión ultrapreciso, si es algo así como un propulsor coloidal), y verifique cuánto combustible usa. De esta manera usted puede obtener el impulso específico.

3)

$\Delta v = I_\text{sp} g_0 \ln \frac {m_0} {m_f}$

De esto se trata todo este juego, donde haces un uso práctico de ese impulso específico cuidadosamente determinado.

Delta-v es el kilometraje real de un cohete. El impulso específico tiene que ver con el motor. Pero además del motor, tienes combustible y tienes la carga útil. Esta es la Ecuación del Cohete de Tsiolkovski, y se trata de "dónde puedes ir con tu cohete". Buenos 9 km/s para llegar a LEO. Otros 4 km/s más o menos para escapar de la Tierra y comenzar a viajar por el sistema solar. 3 km/s para capturar en la órbita de Marte. Ese es el presupuesto delta-v, que es la base de cualquier plan de misión. Y con eso tienes la$m_f$, masa seca de su cohete: motor, carga útil científica, telemetría, tanques, paneles, todo lo que no sea combustible. Y$m_0$- masa de lanzamiento. Eso es lo anterior más combustible.

Ese 'ln' juega una mala pasada. Por lo general, su masa de combustible será del orden del 90-95% de la masa de lanzamiento. Es muy poco lo que podemos hacer al respecto, porque necesitamos un buen empuje para superar la gravedad terrestre antes de alcanzar la órbita, y eso lo proporcionan motores químicos que tienen un impulso específico pésimo. Pero luego, en órbita, dejamos caer las etapas de lanzamiento (¡la masa seca baja mucho!) y cambiamos a motores eficientes, como los de iones. Y así, podemos producir el segundo tanto delta-V como para llegar a LEO, pero sin necesidad de transportar cientos de toneladas de combustible. Aquí es donde las buenas reglas ISp.