Was ist Gesamtimpuls?

Ich werde die Antwort von @OrganicMarble erweitern , es scheint mir, dass der Link dort zu der Seite auf Richard Nakkas Experimental Rocketry-Website mit dem Titel Determining Total Impulse and Specific Impulse from Static Test Data wirklich hilfreich ist.

Angenommen, Sie haben einen Raketenmotor gebaut und möchten sehen, wie gut er ist, aber Sie haben keine zusätzliche Rakete und keine Startmannschaft, um ihn zu testen. Sie würden einen statischen Test durchführen , dh Sie würden den Motor an einem sicheren Ort montieren und ihn zünden. Was Sie messen können, ist die Kraft, die der Motor erzeugt. Das Diagramm im Link (75% Größe) ist das, was Sie aufzeichnen könnten, indem Sie alle paar Sekunden eine Augapfelschätzung der Kraft aufschreiben:

Angenommen, Sie möchten die Leistung des Motors während dieses Testlaufs mit einer einzigen Zahl charakterisieren. Sie können die Fläche unter der Kurve berechnen, indem Sie jede Kraftmessung mit der Zeit multiplizieren$\Delta t$, die Zeit zwischen den Messungen. Diese Gesamtfläche wird als Gesamtimpuls bezeichnet, hängt jedoch von der Kraftstoffmenge ab, die Sie für Ihren Test verwendet haben. Wenn Sie doppelt so viel Kraftstoff verbrauchen, kann der Gesamtimpuls ungefähr doppelt so hoch sein, aber das bedeutet nicht, dass der Motor besser ist.

Sie können also den Gesamtimpuls durch die Masse des im jeweiligen Test verwendeten Kraftstoffs teilen. Das Ergebnis wird spezifischer Impuls oder Impuls pro Masseneinheit genannt. Es stellt sich heraus, dass der spezifische Impuls die durchschnittliche effektive Geschwindigkeit des Schubs ist. Traditionell dividieren die Menschen das durch die Erdoberflächengravitation$g$(ca. 9,8 m/s^2) und geben das spezifische Gewicht in Einheiten von Sekunden an.

Force (F)                        Newtons                    kg m / s^2
Total Impulse                    Newton seconds             kg m / s
Specific Impulse (Isp or Veff)   Newton seconds per kg         m / s
Specific Impulse (Isp)           Newton seconds per kg / g     s

Hier ist ein nettes Beispiel für ein Kraft-Zeit-Diagramm in einem statischen Test – nett im Sinne eines realistischen Beispiels für einen Test:

Ich möchte die anderen sehr guten Antworten ergänzen.

Wie Sie wissen und wie auf der NASA-Website angegeben , lautet die Definition von Total Impulse

Das ist natürlich die gleiche Gleichung wie der Impuls in der Grundlagenphysik .

Betrachtet man den Schub als über die Zeit nahezu konstant, wie dies bei vielen Missionsprofilen mit Elektroantrieb und einigen sehr langen Verbrennungen chemischer Raketen der Fall ist, kann die Definition auf reduziert werden

wo$m_p$ist die gesamte Treibmittelmasse. Wenn Sie die Tsiolkovsky-Gleichung betrachten und diese neue Definition des spezifischen Impulses ($I_{sp} = I_T/m_p g_0$), wir bekommen

wo die Taylor-Entwicklung von$\ln(1 + x)$wurde im letzten Semester verwendet. Wenn wir das jetzt bedenken$m_p \ll m_f$(Wie im Fall von elektrischen Antriebsmissionen und anderen kleinen Antriebssystemen) können wir die Terme höherer Ordnung fallen lassen und erhalten

Obwohl diese ungefähre Beziehung möglicherweise nicht für eine genaue Schätzung einer Mission geeignet ist$\Delta V$, kann es dazu dienen, eine gewisse Intuition über die physikalische Bedeutung des Gesamtimpulses zu bekommen. Wir können zum Beispiel beobachten, dass wir die Hälfte der Masse des Raumfahrzeugs erhalten, wenn wir die Masse verdoppeln$\Delta V$mit gleichem Gesamtimpuls.

Interessanter, wenn wir schreiben$I_T \approx m_f \Delta V$Es kann festgestellt werden, dass der Gesamtimpuls in enger Beziehung zur erwarteten Änderung des linearen Impulses steht. Das bedeutet, dass der Gesamtimpuls die Impulsgröße angibt, die das Fahrzeug nach Verwendung seines Antriebssystems erhält.

Dies beantwortet den Teil der Frage „Warum ist es wichtig“ und gibt ein paar Beispiele.

Systemfähigkeit

Dies ist nützlich, wenn kein Hinweis auf die Schubkraft oder die zu tragende Nutzlastmasse vorhanden ist. Dies ist eine von vielen Möglichkeiten, Trägerraketen oder einzelne Stufen sehr grob zu vergleichen.

Dieser Artikel enthält die folgende Liste von Beispielen für verschiedene Anwendungen.

High - space launcher propulsion:  50 MNs to 20,000 MNs 

Moderate: 10-50 MNs

Low - missions like for orbit insertion of spacecraft: up to about 15 MNs.

Reaction control systems of spacecraft: up-to to about 1.5 MNs.

Der Artikel enthält noch viel mehr, einschließlich Daten für viele spezifische Beispiele, obwohl er ziemlich veraltet ist, mehrere Seiten lang ist und für den Kontext sorgfältig gelesen werden muss. Daher halte ich es nicht für angebracht, es vollständig einzufügen. Sein hilfreicher Hintergrund.

Lebenslange Fähigkeit

Dies bezieht sich auf die Qualifikationslebensdauer eines Triebwerks/Triebwerks; Dies erkennt an, dass jedes gegebene Triebwerk eine Verschleißlebensdauer hat und nicht nur die Grenze des tatsächlich beförderten Treibmittels. Diese Ansicht ermöglicht einen Vergleich zwischen zwei Triebwerkskandidaten, die unterschiedliche Nennschubniveaus haben könnten, z. B. 2 N und 10 N. Dies kann bei einem Kompromiss hilfreich sein, bei dem es von Interesse ist zu sehen, ob einer der Kandidatenmotoren eine begrenzte Lebensdauer hat.

Dieser Artikel gibt den Gesamtimpuls einer Variante des SPT 100 mit 2,67 - 3 MN an. Dies basiert auf einer Gesamtbetriebszeit von 9-10.000 Stunden und einer Schubkraft von 83 mN.

Der Gesamtimpuls ist die Fläche unter der Schub-Zeit-Kurve.

Beispiele sind also nicht wirklich nützlich. Es ist ziemlich spezifisch für einen bestimmten Start oder ein bestimmtes System. Wenn Sie jedoch einen wollen, Sutton, 4. Auflage, S. 356, gibt den Gesamtimpuls des Minuteman-Raketenmotors der ersten Stufe mit 10.830.000 lb-sec an.

Wenn Sie es durch die Masse des verwendeten Treibmittels teilen, erhalten Sie den spezifischen Impuls, der viel nützlicher ist. Für denselben Motor betrug der spezifische Impuls 214 Sekunden.

Impuls ist definiert als Kraft (dh Schub) mal Zeit. Da die Brenndauer vom mitgeführten Kraftstoff abhängt, macht es keinen Sinn, bei einem Motor oder Antriebssystem vom Gesamtimpuls zu sprechen; Es wird am häufigsten für einen kompletten Launcher oder zumindest eine Stufe oder einen Booster verwendet.

Spezifischer Impuls ist eine Abkürzung für "massenspezifischer Impuls"; das heißt, Impuls pro Masseeinheit, und als solches ist dies die wichtigste Gütezahl für ein Antriebssystem. (Manchmal werden die undurchsichtigeren Metriken "volumenspezifischer Impuls" oder "kostenspezifischer Impuls" angezeigt, wenn die Masse nicht die Hauptbeschränkung ist; dichte Treibmittel wie Kerosin haben einen besseren volumenspezifischen Impuls als Wasserstoff und Feststoffe haben einen besseren kostenspezifischen Impuls als Flüssigkeiten.)