النبضة النوعية

الموسوعة الحرة

الدفع النوعي (يُختصر عادةً بـ I sp ) هو كمية فيزيائية تُعرَّف بأنها نسبة التغير في كمية الحركة ( الدفع ) إلى الكتلة المستخدمة، وعادةً ما تكون كتلة الوقود. ويُقاس عادةً بوحدة متر في الثانية ( وحدة من النظام الدولي للوحدات ) أو قدم في الثانية ( وحدة من النظام الإمبراطوري ). وهو يُعادل قوة الدفع ( قوة تُقاس بالنيوتن أو الرطل ) لكل وحدة معدل تدفق الكتلة (كجم/ثانية أو رطل/ثانية).

يُستخدم هذا المقياس لقياس كفاءة المحرك، مثل محرك الصاروخ أو المحرك النفاث ، في توليد قوة الدفع من الوقود . Isp هي سرعة العادم الفعالة المستخدمة في معادلة تسيولكوفسكي للصواريخ ، والتي تحسب مقدار التغير في سرعة المركبة بكمية معينة من الوقود.

الدفع النوعي المعياري هو نسبة الدفع النوعي إلى تسارع الجاذبية الأرضية القياسي ، g (بوحدة م/ث² أو قدم/ث² ) . يُقاس بالثواني، وهو نفس الرقم في كل من النظام الدولي للوحدات والوحدات الإمبراطورية. يمكن فهمه على أنه الزمن اللازم لإنتاج كيلوغرام واحد من الوقود قوة دفع مقدارها كيلوغرام واحد ، وهو ما يعادل الزمن اللازم لإنتاج رطل واحد من الوقود قوة دفع مقدارها رطل واحد .

ملخص

تُحرّك محركات رد الفعل، مثل الصواريخ والمحركات النفاثة، المركبة عن طريق طرد كتلة في اتجاه واحد، مما يدفع المركبة في الاتجاه المعاكس وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة . تُسمى هذه الكتلة المطرودة كتلة رد الفعل . ويمكن للمحرك أن يدفع بقوة أكبر إذا طرد كتلة رد الفعل بسرعة عادم أعلى.vهـ{\displaystyle v_{e}}أو يطرد الكتلة بمعدل أسرع،دمدت{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}}.

بافتراض أن المحرك يطرد الكتلة بسرعة عادم ثابتةvهـ{\displaystyle v_{\text{e}}}، والدافع هو تي=vهـدمدت.{\displaystyle T=v_{\text{e}}{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}.}

إذا تم حساب التكامل الزمني لهذه القيمة، فإن النتيجة هي التغير الكلي في الزخم. وبقسمة الناتج على الكتلة، يتضح أن الدفع النوعي يساوي سرعة العادم. عمليًا، يكون الدفع النوعي عادةً أقل من سرعة العادم الفعلية بسبب أوجه القصور في الصاروخ، وبالتالي فهو يمثل سرعة عادم "فعّالة".

الدفع النوعيأناsp{\displaystyle I_{\text{sp}}}يتم تعريفها بوحدات السرعة بواسطةتيمتوسط=أناspدمدت،{\displaystyle T_{\text{avg}}=I_{\text{sp}}{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}},}أينتيمتوسط{\displaystyle T_{\text{avg}}}هو متوسط ​​قوة الدفع.

أنواع المحركات

يختلف المعنى العملي لهذا القياس باختلاف أنواع المحركات. تستهلك محركات السيارات الوقود الموجود بداخلها، وتستنشق الهواء المحيط لحرق الوقود، وتدفع الأرض تحتها. لا توجد كتلة ناتجة عن التفاعل. في هذه الحالة، يمثل Isp كمية الحركة لكل وحدة وقود محترقة.

أما محركات الصواريخ الكيميائية، على النقيض من ذلك، فهي تحمل معها الوقود والمؤكسد وكتلة التفاعل، لذا فإن I sp هو الزخم لكل كتلة تفاعل.

تقع محركات الطائرات في المنتصف، إذ أنها تدفع الهواء فقط عبر المحرك. جزء من كتلة رد الفعل هذه محمول معها، وجزء آخر يُستنشق من الهواء. لذلك، يمكن اعتبار "الدفع النوعي" إما "لكل وحدة كتلة رد فعل"، كما هو الحال في الصواريخ، أو "لكل وحدة وقود محترقة"، كما هو الحال في السيارات. الخيار الأخير هو الأكثر شيوعًا. وبسبب هذه الاختلافات، لا يمكن مقارنة الدفع النوعي مباشرةً بين أنواع المحركات المختلفة.

يمكن اعتبار الدفع النوعي مقياسًا للكفاءة. في السيارات والطائرات، يرتبط عادةً بكفاءة استهلاك الوقود، أي المسافة المقطوعة لكل وحدة كتلة أو حجم من الوقود. في مجال الصواريخ، يرتبط بالتغير في السرعة (دلتا- v) الممكن تحقيقه ، [ 1 ] [ 2 ] وهي الطريقة المعتادة لقياس التغيرات بين المدارات، عبر معادلة تسيولكوفسكي الصاروخية.Δv=أناspln⁡م0مو،{\displaystyle \Delta v=I_{\text{sp}}\ln {\frac {m_{0}}{m_{\text{f}}}},} أينأناsp{\displaystyle I_{\text{sp}}}هي الدفعة النوعية المقاسة بوحدات السرعة، وم0،مو{\displaystyle m_{0},m_{\text{f}}}هما الكتلتان الابتدائية والنهائية للصاروخ. الفرق بينهمام0{\displaystyle m_{0}}ومو{\displaystyle m_{\text{f}}}هي كتلة التفاعل التي تم طردها.

أنظمة الدفع

روكيتس

في أي محرك صاروخي كيميائي ، تعتمد كفاءة نقل الزخم بشكل كبير على فعالية الفوهة . تُعد الفوهة الوسيلة الأساسية لتحويل طاقة المواد المتفاعلة (مثل الطاقة الحرارية أو طاقة الضغط) إلى تدفق زخم يتحرك في نفس الاتجاه. يؤثر شكل الفوهة وفعاليتها بشكل كبير على إجمالي نقل الزخم من كتلة التفاعل إلى الصاروخ.

تؤثر كفاءة تحويل الطاقة المدخلة إلى طاقة المتفاعلات أيضًا على الدفع النوعي (Isp ) ، سواءً كانت طاقة حرارية في محركات الاحتراق الداخلي أو طاقة كهربائية في محركات الأيونات . وتحدد هذه الكفاءة مقدار التغير في السرعة (دلتا-v) الذي يمكن أن يحققه الصاروخ بكمية وقود محددة. ويُعدّ تحسين التوازن بين كمية الوقود والدفع النوعي أحد التحديات الهندسية الأساسية في مجال الصواريخ.

على الرغم من أن الدفع النوعي يُقاس بوحدات السرعة، إلا أنه نادرًا ما يُطابق السرعة الفيزيائية الفعلية. في الصواريخ الكيميائية وصواريخ الغاز البارد، يؤثر شكل الفوهة تأثيرًا كبيرًا على تحويل الطاقة إلى زخم. توجد مصادر أخرى للخسائر وعدم الكفاءة، مثل تفاصيل الاحتراق الكيميائي في هذه المحركات. سرعة العادم الفيزيائية أعلى من "سرعة العادم الفعالة"، وهي "سرعة" الدفع النوعي. الزخم المتبادل والكتلة المستخدمة لتوليده قياسات فيزيائية حقيقية. عادةً، تعمل فوهات الصواريخ بكفاءة أكبر عند انخفاض الضغط المحيط، كما هو الحال في الفضاء مقارنةً بالغلاف الجوي. تُوصف المحركات عادةً بدفع نوعي عند مستوى سطح البحر ، ودفع نوعي في الفراغ ، وهو أعلى. مع ذلك، لا تستخدم محركات الأيونات فوهة، على الرغم من وجود مصادر أخرى للخسائر تجعل الزخم المنقول أقل من سرعة العادم الفيزيائية لكتلة التفاعل.

من الشائع التعبير عن الدفع النوعي كحاصل ضرب رقمين: السرعة المميزةج*{\displaystyle c^{*}}، والذي يلخص أداء غرفة الاحتراق في كمية بوحدات السرعة، ومعامل الدفعجF{\displaystyle C_{F}}وهي كمية لا بُعدية تلخص أداء الفوهة. عامل إضافي منز0{\displaystyle g_{0}}هذا تحويل للوحدات. أناsp=ج*⋅جFز0.{\displaystyle I_{\text{sp}}={\frac {c^{*}\cdot C_{F}}{g_{0}}}.}

وحدات الثواني

في علم الصواريخ ، غالبًا ما يتم الإبلاغ عن الدفع النوعي بالثواني بدلاً من سرعة العادم الفعالة للمحرك (م/ث)، وذلك عن طريق القسمة على الجاذبية القياسيةز0{\displaystyle g_{0}}: أناsp=vهـز0=Fم˙⋅ز0.{\displaystyle I_{\text{sp}}={\frac {v_{e}}{g_{0}}}={\frac {F}{{\dot {m}}\cdot g_{0}}}.} يُعدّ هذا الأمر ملائمًا عند استخدام وحدات قوة الجاذبية ( كجم/ث أو رطل/ث )، حيث يُعبّر I <sub>sp</sub> حينها عن مقدار الدفع لكل وحدة تدفق للوقود (كجم/ث أو رطل/ث). كما أن تمثيل الدفع النوعي بوحدات الزمن يتميز بميزة عدم التمييز بين الوحدات الإمبراطورية ووحدات النظام الدولي للوحدات. أناsp[s]=(F[kgf]م˙[كجم/ثانية])=(F[lbf]م˙[رطل/ثانية]).{\displaystyle I_{\text{sp}}{\text{[s]}}={\Bigl (}{\frac {F{\text{[kgf]}}}{{\dot {m}}{\text{[kg/s]}}}}{\Bigr )}={\Bigl (}{\frac {F{\text{[lbf]}}}{{\dot {m}}{\text{[lb/s]}}}}{\Bigr )}.}

فيزيائيًا، يُقاس معدل الدفع (I sp) بالثواني، وهو المدة التي يستطيع فيها محرك الصاروخ توليد قوة دفع، بكمية من الوقود الدافعة وزنها (تحت تأثير تسارع الجاذبية الأرضية g₀ ) يساوي قوة دفع المحرك. وهو المدة التي يستطيع فيها المحرك إنتاج قوة دفع مقدارها 1 كجم (أو 1 رطل) من 1 كجم (أو 1 رطل) من الوقود الدافعة.    

سيارات

على الرغم من أن صناعة السيارات نادرًا ما تستخدم الدفع النوعي عمليًا، إلا أنه يمكن تعريف هذا المقياس، وهو يُشكّل مقارنة جيدة مع أنواع المحركات الأخرى. تتنفس محركات السيارات الهواء الخارجي لاحتراق الوقود، وتتفاعل (عبر العجلات) مع الأرض. الطريقة الوحيدة ذات المعنى لتفسير "الدفع النوعي" هي "قوة الدفع لكل وحدة تدفق وقود"، مع ضرورة تحديد ما إذا كانت القوة تُقاس عند عمود المرفق أو عند العجلات، نظرًا لوجود فاقد في نقل الحركة. يتوافق هذا المقياس مع كفاءة استهلاك الوقود .

الطائرات

في سياق الديناميكا الهوائية، ثمة أوجه تشابه بين محركات الطائرات والسيارات والصواريخ. فمثل السيارات، تتنفس محركات الطائرات الهواء الخارجي، لكنها على عكس السيارات، تتفاعل فقط مع السوائل المتدفقة عبر المحرك (بما في ذلك المراوح عند الحاجة). توجد عدة طرق لتفسير "الدفع النوعي": كقوة دفع لكل تدفق وقود، أو كقوة دفع لكل تدفق هواء، أو كقوة دفع لكل "تدفق توربيني" (أي باستثناء الهواء المار عبر المروحة/المروحة الجانبية). ولأن كمية الهواء المتنفس ليست تكلفة مباشرة، مع وجود هامش هندسي واسع لتحديد كمية الهواء المتنفس، فإن الصناعة عادةً ما تختار تفسير "قوة الدفع لكل تدفق وقود" مع التركيز على كفاءة التكلفة. في هذا التفسير، تكون أرقام الدفع النوعي الناتجة أعلى بكثير من محركات الصواريخ، على الرغم من اختلاف هذه المقارنة تمامًا - فالأولى تتضمن كتلة رد فعل والأخرى لا تتضمنها. وهذا يوضح ميزة محرك الطائرة على الصاروخ لعدم حاجته إلى حمل الهواء الذي يستخدمه.

كما هو الحال مع جميع أنواع المحركات، توجد العديد من الخيارات الهندسية والمفاضلات التي تؤثر على الدفع النوعي. وتُعد مقاومة الهواء غير الخطية وعدم قدرة المحرك على الحفاظ على دفع نوعي عالٍ عند معدل احتراق سريع من العوامل المحددة لمعدل استهلاك الوقود.

كما هو الحال مع محركات الصواريخ، فإن تفسير الدفع النوعي على أنه "سرعة" لا يتطابق فعلياً مع سرعة العادم الفعلية. ولأن التفسير المعتاد يستثني جزءاً كبيراً من كتلة التفاعل، فإن السرعة الفعلية للمتفاعلات في اتجاه التدفق تكون أقل بكثير من سرعة العادم الفعالة المُستنتجة من الدفع النوعي .

اعتبارات عامة

لا ينبغي الخلط بين الدفع النوعي وكفاءة الطاقة ، التي قد تنخفض مع زيادة الدفع النوعي، لأن أنظمة الدفع التي توفر دفعًا نوعيًا عاليًا تتطلب طاقة عالية للقيام بذلك. [ 3 ]

لا ينبغي الخلط بين الدفع النوعي والدفع الكلي . الدفع هو القوة التي يوفرها المحرك وتعتمد على تدفق كتلة الوقود الدافعة عبره. يقيس الدفع النوعي الدفع لكل وحدة تدفق كتلة من الوقود الدافعة. يرتبط الدفع والدفع النوعي بتصميم المحرك وأنواع الوقود الدافعة المستخدمة، إلا أن هذه العلاقة غير مباشرة: ففي معظم الحالات، يُعدّ كل من الدفع العالي والدفع النوعي العالي هدفين هندسيين متعارضين. على سبيل المثال، ينتج الوقود الثنائي LH₂/LO₂ دفعًا نوعيًا أعلى ( بسبب ارتفاع الطاقة الكيميائية وانخفاض الكتلة الجزيئية للعادم) ولكنه ينتج دفعًا أقل من RP-1 / LO₂ (بسبب ارتفاع الكثافة وتدفق الوقود الدافعة). في كثير من الحالات، تنتج أنظمة الدفع ذات الدفع النوعي العالي جدًا - حيث تصل بعض محركات الدفع الأيونية إلى دفع نوعي أفضل بمقدار 25-35 مرة من المحركات الكيميائية - دفعًا منخفضًا نسبيًا. [ 4 ]

عند حساب الدفع النوعي، يُحتسب فقط الوقود المحمول مع المركبة قبل الاستخدام، وفقًا للتفسير القياسي. يتوافق هذا الاستخدام بشكل أفضل مع تكلفة تشغيل المركبة. بالنسبة للصاروخ الكيميائي، على عكس الطائرة أو السيارة، تشمل كتلة الوقود كلاً من الوقود والمؤكسد . بالنسبة لأي مركبة، لا يُعد تحسين الدفع النوعي مرادفًا لتحسين الأداء الكلي أو التكلفة الكلية. في مجال الصواريخ، قد لا يكون المحرك الأثقل ذو الدفع النوعي الأعلى بنفس فعالية المحرك الأخف ذي الدفع النوعي الأقل في اكتساب الارتفاع أو المسافة أو السرعة، خاصةً إذا كان المحرك الأخير يتمتع بنسبة دفع إلى وزن أعلى . هذا سبب رئيسي لتصميم معظم الصواريخ بمراحل متعددة. يمكن تحسين المرحلة الأولى للحصول على دفع عالٍ لمقاومة مقاومة الجاذبية ومقاومة الهواء بفعالية، بينما يمكن تحسين المراحل اللاحقة التي تعمل في المدار وفي الفراغ بسهولة أكبر للحصول على دفع نوعي أعلى، خاصةً للمدارات ذات التغير الكبير في السرعة (دلتا-في).

وحدات كمية الوقود الدافع

يمكن تحديد كمية الوقود الدافع إما بوحدات الكتلة أو الوزن . عند استخدام الكتلة، يُعرَّف الدفع النوعي بأنه الدفع لكل وحدة كتلة، والذي يُظهر التحليل البُعدي أنه يُعادل وحدات السرعة؛ ويُطلق على هذا التفسير عادةً اسم سرعة العادم الفعالة . أما عند استخدام نظام وحدات قائم على القوة، فيُقسَّم الدفع على وزن الوقود الدافع (الوزن هو مقياس للقوة)، مما ينتج عنه وحدات زمنية. تكمن مشكلة الوزن، كمقياس للكمية، في اعتماده على التسارع المُطبَّق على الوقود الدافع، وهو تسارع اعتباطي لا علاقة له بتصميم المحرك. تاريخيًا، كانت الجاذبية القياسية هي المرجع للتحويل بين الوزن والكتلة. ولكن مع تطور التكنولوجيا إلى الحد الذي يسمح لنا بقياس تغير جاذبية الأرض عبر سطحها، وحيث يمكن أن تُسبب هذه الاختلافات تباينات في المشاريع الهندسية العملية (ناهيك عن المشاريع العلمية على الأجرام السماوية الأخرى)، يركز العلم والهندسة الحديثان على الكتلة كمقياس للكمية، وذلك لإزالة الاعتماد على التسارع. إن قياس الدفع النوعي بواسطة كتلة الوقود يعطي نفس المعنى بالنسبة للسيارة على مستوى سطح البحر، أو الطائرة على ارتفاع التحليق، أو طائرة الهليكوبتر على سطح المريخ .

بغض النظر عن اختيار الكتلة أو الوزن، فإن ناتج قسمة "السرعة" أو "الزمن" لا يتطابق عادةً مع السرعة أو الزمن الفعليين. فبسبب الخسائر المختلفة في المحركات الحقيقية، تختلف سرعة العادم الفعلية عن "سرعة" الدفع النوعي ( ولا يوجد تعريف منطقي لـ"سرعة العادم الفعلية" في السيارات). بل إن الدفع النوعي هو ببساطة: زخم فيزيائي ناتج عن كمية فيزيائية من الوقود (سواء كانت كتلة أو وزنًا).

الوحدات

قياسات أداء محركات الصواريخ المكافئة المختلفة، بوحدات النظام الدولي للوحدات ووحدات النظام الأمريكي التقليدية
النبضة النوعيةسرعة العادم الفعالةاستهلاك الوقود المحدد
حسب الوزن*بالكتلة
SI= x s= 9.80665 × نيوتن.ثانية /كجم= 9.80665 × م /ث= 101,972/ x g/(kN·s)
الوحدات الأمريكية المعتادة= x s= x رطل·ثانية/رطل= 32.17405 × قدم /ثانية= 3600/ x رطل/(رطل قوة·ساعة)
* كما هو مذكور أدناه، فإن x s· g 0 سيكون صحيحًا من الناحية الفيزيائية

تُعدّ الثانية الوحدة الأكثر شيوعًا لقياس الدفع النوعي، إذ تكون القيم متطابقة بغض النظر عن استخدام وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) أو الوحدات الإمبراطورية أو الوحدات الأمريكية التقليدية في الحسابات . ويُشير جميع المصنّعين تقريبًا إلى أداء محركاتهم بالثواني، كما تُعدّ هذه الوحدة مفيدة أيضًا لتحديد أداء محركات الطائرات. [ 5 ]

يُعدّ استخدام المتر في الثانية لتحديد سرعة العادم الفعّالة شائعًا إلى حدٍّ ما. هذه الوحدة بديهية عند وصف محركات الصواريخ، على الرغم من أن سرعة العادم الفعّالة لهذه المحركات قد تختلف اختلافًا كبيرًا عن سرعة العادم الفعلية، لا سيما في محركات دورة توليد الغاز . أما بالنسبة لمحركات الطائرات النفاثة التي تعمل بالهواء ، فإن سرعة العادم الفعّالة لا تأخذ في الحسبان كتلة الهواء المستخدم (حيث يُسحب الهواء من البيئة المحيطة)، مع ذلك، يمكن استخدامها لأغراض المقارنة. [ 6 ]

تُعادل الأمتار في الثانية عدديًا نيوتن-ثانية لكل كيلوغرام (نيوتن·ثانية/كيلوغرام)، ويمكن كتابة قياسات النظام الدولي للوحدات للدفع النوعي بدلالة أيٍّ من هاتين الوحدتين بشكل تبادلي. تُبرز هذه الوحدة تعريف الدفع النوعي بأنه الدفع لكل وحدة كتلة من الوقود.

يتناسب استهلاك الوقود النوعي عكسياً مع الدفع النوعي، ووحداته هي غرام/(كيلو نيوتن·ثانية) أو رطل/(رطل قوة·ساعة). ويُستخدم استهلاك الوقود النوعي على نطاق واسع لوصف أداء محركات الطائرات النفاثة التي تعمل بالهواء. [ 7 ]

الدفع النوعي بالثواني

يمكن تعريف الدفع النوعي، الذي يُقاس بالثواني، بأنه عدد الثواني التي يستطيع فيها كيلوغرام واحد من الوقود توليد كيلوغرام واحد من قوة الدفع. أو بتعبير أدق، عدد الثواني التي يستطيع فيها وقود معين، عند اقترانه بمحرك معين، تسريع كتلته الابتدائية بمقدار 1  غرام. وكلما زادت مدة قدرة الوقود على تسريع كتلته، زادت قيمة دلتا-في التي يوفرها للنظام ككل.

بمعنى آخر، عند استخدام محرك معين وكتلة محددة من الوقود، يقيس الدفع النوعي المدة التي يمكن للمحرك خلالها توليد قوة دفع مستمرة حتى احتراق كتلة الوقود بالكامل. ويمكن لكتلة معينة من وقود ذي كثافة طاقة أعلى أن تحترق لفترة أطول من وقود ذي كثافة طاقة أقل مصمم لتوليد نفس القوة أثناء احتراقه في المحرك. وقد لا تكون تصميمات المحركات المختلفة التي تحرق نفس الوقود متساوية الكفاءة في توجيه طاقة الوقود إلى قوة دفع فعالة.

بالنسبة لجميع المركبات، يمكن تعريف الدفع النوعي (الدفع لكل وحدة وزن على الأرض من الوقود) بالثواني من خلال المعادلة التالية: [ 8 ]

I sp بالثواني هو مقدار الوقت الذي يمكن لمحرك الصاروخ أن يولد فيه قوة دفع، مع الأخذ في الاعتبار كمية الوقود الدافعة التي يساوي وزنها قوة دفع المحرك.

تكمن ميزة هذه الصيغة في إمكانية استخدامها في الصواريخ، حيث تُحمل كتلة التفاعل بالكامل على متنها، وكذلك في الطائرات، حيث تُستمد معظم كتلة التفاعل من الغلاف الجوي. إضافةً إلى ذلك، فإن إعطاء النتيجة كوحدة زمنية يُسهّل مقارنة النتائج بين الحسابات التي تستخدم وحدات النظام الدولي للوحدات (SI)، أو الوحدات الإمبراطورية، أو الوحدات الأمريكية التقليدية، أو أي نظام وحدات آخر.

الدفع النوعي لمحركات الطائرات النفاثة المختلفة (SSME هو المحرك الرئيسي لمكوك الفضاء )

تحويل الوحدات الإمبراطورية

تُستخدم وحدة الباوند الإنجليزية للكتلة بشكل أكثر شيوعًا من وحدة السلاج، وعند استخدام الباوند في الثانية لحساب معدل تدفق الكتلة، يكون من الأنسب التعبير عن الجاذبية القياسية بوحدة باوند قوة لكل باوند كتلة. لاحظ أن هذا يعادل 32.17405 قدم/ثانية مربعة ، ولكنه مُعبَّر عنه بوحدات أكثر ملاءمة. وهذا يُعطي:

Fالدفع=أناsp⋅م˙⋅(1لبولبم).{\displaystyle F_{\text{thrust}}=I_{\text{sp}}\cdot {\dot {m}}\cdot \left(1\mathrm {\frac {lbf}{lbm}} \right).}

علم الصواريخ

في علم الصواريخ، الكتلة الوحيدة المتفاعلة هي الوقود الدافع، لذا تُحسب الدفعة النوعية باستخدام طريقة بديلة، تُعطي نتائج بوحدات ثانية. تُعرَّف الدفعة النوعية بأنها قوة الدفع المتكاملة على مدى الزمن لكل وحدة وزن من الوقود الدافع على الأرض: [ 9 ]

أناsp=vهـز0،{\displaystyle I_{\text{sp}}={\frac {v_{\text{e}}}{g_{0}}},}

أين

  • أناsp{\displaystyle I_{\text{sp}}}هي الدفعة النوعية المقاسة بالثواني،
  • vهـ{\displaystyle v_{\text{e}}}هي متوسط ​​سرعة العادم على طول محور المحرك (بالمتر/ثانية أو القدم/ثانية)،
  • ز0{\displaystyle g_{0}}هي الجاذبية القياسية (بوحدة م/ث² أو قدم/ث² ) .

في الصواريخ، وبسبب تأثيرات الغلاف الجوي، يتغير الدفع النوعي مع الارتفاع، ليصل إلى أقصى قيمة له في الفراغ. ويعود ذلك إلى أن سرعة العادم لا تعتمد فقط على ضغط غرفة الاحتراق، بل تعتمد على الفرق بين الضغط داخل غرفة الاحتراق وخارجها . وعادةً ما تُعطى القيم للتشغيل عند مستوى سطح البحر (sl) أو في الفراغ (vac).

الدفع النوعي كسرعة عادم فعالة

بسبب عامل مركزية الأرض g₀ في معادلة الدفع النوعي، يفضل الكثيرون تعريفًا بديلًا. يمكن تعريف الدفع النوعي للصاروخ بدلالة قوة الدفع لكل وحدة تدفق كتلة من الوقود. هذه طريقة صحيحة بنفس القدر (وأبسط نوعًا ما في بعض النواحي) لتعريف فعالية وقود الصاروخ. بالنسبة للصاروخ، فإن الدفع النوعي المُعرَّف بهذه الطريقة هو ببساطة سرعة العادم الفعالة بالنسبة للصاروخ، vₑ . " في فوهات الصواريخ الفعلية، لا تكون سرعة العادم منتظمة تمامًا على كامل المقطع العرضي للخروج، ويصعب قياس هذه السرعات بدقة. يُفترض وجود سرعة محورية منتظمة، vₑ ، لجميع الحسابات التي تستخدم وصفًا أحادي البعد للمسألة. تمثل سرعة العادم الفعالة هذه متوسط ​​سرعة أو سرعة مكافئة للكتلة التي يُقذف بها الوقود من مركبة الصاروخ." [ 10 ] يتناسب التعريفان للدفع النوعي مع بعضهما البعض، ويرتبطان ببعضهما البعض من خلال: vهـ=ز0⋅أناsp،{\displaystyle v_{\text{e}}=g_{0}\cdot I_{\text{sp}},} أين

  • أناsp{\displaystyle I_{\text{sp}}}هي الدفعة النوعية بالثواني،
  • vهـ{\displaystyle v_{\text{e}}}هي الدفعة النوعية المقاسة بوحدة م/ث ، وهي نفسها سرعة العادم الفعالة المقاسة بوحدة م/ث (أو قدم/ث إذا كانت قيمة g بوحدة قدم/ث² ) .
  • ز0{\displaystyle g_{0}}الجاذبية القياسية هي 9.80665 م/ث 2 (في وحدات الولايات المتحدة المعتادة 32.174 قدم/ث 2 ).

هذه المعادلة صالحة أيضًا لمحركات الطائرات النفاثة التي تتنفس الهواء، ولكن نادرًا ما يتم استخدامها عمليًا.

(لاحظ أنه يتم استخدام رموز مختلفة أحيانًا؛ على سبيل المثال، يُستخدم الرمز c أحيانًا للدلالة على سرعة العادم. بينما الرمزأناsp{\displaystyle I_{\text{sp}}}قد يُستخدم منطقياً للدفع النوعي بوحدات (نيوتن·ثانية 3 )/(متر·كيلوجرام)؛ ولتجنب الالتباس، من المستحسن حصر هذا للدفع النوعي المقاس بالثواني.

وهي مرتبطة بقوة الدفع ، أو القوة الأمامية المؤثرة على الصاروخ، من خلال المعادلة: [ 11 ]Fالدفع=vهـ⋅م˙،{\displaystyle F_{\text{thrust}}=v_{\text{e}}\cdot {\dot {m}},} أينم˙{\displaystyle {\dot {m}}}معدل تدفق كتلة الوقود الدافعة، وهو معدل انخفاض كتلة المركبة.

يجب أن يحمل الصاروخ كل وقوده معه، لذا يجب تسريع كتلة الوقود غير المحترق مع الصاروخ نفسه. يُعدّ تقليل كتلة الوقود اللازمة لتحقيق تغيير مُحدد في السرعة أمرًا بالغ الأهمية لبناء صواريخ فعّالة. تُبيّن معادلة تسيولكوفسكي للصواريخ أنه بالنسبة لصاروخ ذي كتلة فارغة مُحددة وكمية مُحددة من الوقود، فإن إجمالي التغيير في السرعة الذي يُمكن أن يُحققه يتناسب طرديًا مع سرعة العادم الفعّالة.

تتبع المركبة الفضائية غير المزودة بنظام دفع مدارًا محددًا بمسارها وأي مجال جاذبية. ويتم تحقيق الانحرافات عن نمط السرعة المقابل (والتي تسمى Δv ) عن طريق توجيه كتلة العادم في الاتجاه المعاكس لاتجاه تغير السرعة المطلوب.

سرعة العادم الفعلية مقابل سرعة العادم الفعالة

عند تشغيل محرك في الغلاف الجوي، تنخفض سرعة العادم بفعل الضغط الجوي، مما يقلل بدوره من الدفع النوعي. وهذا انخفاض في سرعة العادم الفعّالة، مقارنةً بسرعة العادم الفعلية التي يتم تحقيقها في ظروف الفراغ. في حالة محركات الصواريخ ذات دورة مولد الغاز ، يوجد أكثر من تيار واحد لغاز العادم حيث يخرج غاز عادم المضخة التوربينية عبر فوهة منفصلة. يتطلب حساب سرعة العادم الفعّالة حساب متوسط ​​تدفقَي الكتلة، بالإضافة إلى مراعاة أي ضغط جوي. [ 12 ]

في محركات الطائرات النفاثة التي تعمل بالهواء، وخاصةً المحركات التوربينية المروحية ، يختلف معدل تدفق العادم الفعلي عن معدل تدفق العادم الفعال اختلافًا كبيرًا. ويعود ذلك لعدة أسباب. أولًا، يُكتسب قدر كبير من الزخم الإضافي باستخدام الهواء ككتلة تفاعل، بحيث تكون كتلة نواتج الاحتراق في العادم أكبر من كتلة الوقود المحترق. ثانيًا، تمتص الغازات الخاملة في الغلاف الجوي الحرارة الناتجة عن الاحتراق، وتوفر من خلال التمدد الناتج قوة دفع إضافية. أخيرًا، في المحركات التوربينية المروحية وغيرها من التصاميم، تتولد قوة دفع أكبر من خلال دفع الهواء الداخل الذي لا يتعرض للاحتراق مباشرةً. كل هذه العوامل مجتمعة تسمح بتطابق أفضل بين سرعة الهواء وسرعة العادم، مما يوفر الطاقة/الوقود ويزيد بشكل كبير من معدل تدفق العادم الفعال مع تقليل معدل تدفق العادم الفعلي . [ 13 ] مرة أخرى، هذا لأن كتلة الهواء لا يتم حسابها في حساب الدفع النوعي، وبالتالي يتم إسناد كل زخم الدفع إلى كتلة مكون الوقود في العادم، وإغفال كتلة التفاعل والغاز الخامل وتأثير المراوح المدفوعة على كفاءة المحرك الإجمالية من الاعتبار.

في جوهر الأمر، لا يقتصر زخم عادم المحرك على الوقود فحسب، بل يشمل عوامل أخرى كثيرة، إلا أن حساب الدفع النوعي يتجاهل كل شيء عدا الوقود. ورغم أن سرعة العادم الفعالة لمحرك يعمل بالهواء تبدو غير منطقية في سياق سرعة العادم الفعلية، إلا أنها تظل مفيدة لمقارنة كفاءة استهلاك الوقود المطلقة لمحركات مختلفة.

الدفع النوعي للكثافة

يُعدّ الدفع النوعي للكثافة ، والذي يُشار إليه أحيانًا باسم دفع الكثافة ويُختصر عادةً إلى I s d، مقياسًا ذا صلة، وهو حاصل ضرب متوسط ​​الكثافة النوعية لمزيج وقود معين في الدفع النوعي. [ 14 ] ورغم أنه أقل أهمية من الدفع النوعي، إلا أنه يُعدّ مقياسًا مهمًا في تصميم مركبات الإطلاق، إذ أن انخفاض الدفع النوعي يعني الحاجة إلى خزانات أكبر لتخزين الوقود، مما يؤثر سلبًا على نسبة كتلة مركبة الإطلاق . [ 15 ]

استهلاك الوقود المحدد

النبضة النوعية تتناسب عكسيًا مع استهلاك الوقود النوعي (SFC) من خلال العلاقة I sp = 1/( g o ·SFC) لـ SFC بالكيلوجرام/(نيوتن·ثانية) و I sp = 3600/SFC لـ SFC بالرطل/(رطل·ساعة).

أمثلة

محركات الصواريخ في الفراغ
نموذجيكتبأول تشغيلطلبTSFC1 sp (بالوزن)I sp (بالكتلة)
رطل/رطل قوة·ساعةجم/كيلو نيوتن·ثانيةsآنسة
أفيو بي 80الوقود الصلب2006المرحلة الأولى من فيغا133602802700
أفيو زيفيرو 23الوقود الصلب2006المرحلة الثانية من فيغا12.52354.7287.52819
أفيو زيفيرو 9Aالوقود الصلب2008المرحلة الثالثة من فيغا12.20345.4295.22895
ميرلين 1Dالوقود السائل2013فالكون 9123303103000
RD-843الوقود السائل2012المرحلة العليا من فيغا11.41323.2315.53094
كوزنيتسوف إن كيه-33الوقود السائلسبعينيات القرن العشرينإن-1 إف ، سويوز-2-1 في المرحلة 110.9308331 [ 16 ]3250
إن بي أو إنيرغوماش آر دي-171 إمالوقود السائل1985زينيت-2M ، -3SL ، -3SLB ، -3F المرحلة 110.73033373300
LE-7Aالتبريد العميق2001المرحلة الأولى من H-IIA و H-IIB8.222334384300
سنيكما إتش إم-7 بيالتبريد العميق1979المرحلة العليا من صاروخ أريان 2 ، 3 ، 4 ، 58.097229.4444.64360
LE-5B-2التبريد العميق2009المرحلة العليا H-IIA ، H-IIB8.052284474380
أيروجيت روكيتداين آر إس-25التبريد العميق1981مكوك الفضاء ، المرحلة الأولى من نظام الإطلاق الفضائي7.95225453 [ 17 ]4440
أيروجيت روكيتداين RL-10B-2التبريد العميق1998دلتا 3 ، دلتا 4 ، المرحلة العليا من نظام SLS7.734219.1465.54565
نيرفا إن آر إكس إيه 6الطاقة النووية1967869
محركات نفاثة مع إعادة تسخين ، ثابتة، مستوى سطح البحر
نموذجيكتبأول تشغيلطلبTSFC1 sp (بالوزن)I sp (بالكتلة)
رطل/رطل قوة·ساعةجم/كيلو نيوتن·ثانيةsآنسة
توربو-يونيون RB.199مروحة توربينيةإعصار2.5 [ 18 ]70.8144014120
جنرال الكتريك F101-GE-102مروحة توربينيةسبعينيات القرن العشرينB-1B2.4670146014400
تومانسكي آر-25-300محرك نفاث توربينيميج-21 بيس2.206 [ 18 ]62.5163216000
GE J85-GE-21محرك نفاث توربينيF-5E/F2.13 [ 18 ]60.3169016570
GE F110-GE-132مروحة توربينيةإف-16 إي/إف2.09 [ 18 ]59.2172216890
هانيويل/آي تيك F125مروحة توربينيةإف-سي كيه-12.06 [ 18 ]58.4174817140
سنيكما M53-P2مروحة توربينيةميراج 2000 سي/دي/إن2.05 [ 18 ]58.1175617220
سنيكما أتار 09 سيمحرك نفاث توربينيميراج 32.03 [ 18 ]57.5177017400
سنيكما أتار 09K-50محرك نفاث توربينيميراج 4 ، 50 ، F11.991 [ 18 ]56.4180817730
GE J79-GE-15محرك نفاث توربينيF-4E/EJ/F/G ، RF-4E1.96555.7183217970
ساتورن AL-31Fمروحة توربينيةسو-27/بي/كيه1.96 [ 19 ]55.5183718010
GE F110-GE-129مروحة توربينيةإف-16 سي/دي، إف-15 إي إكس1.9 [ 18 ]53.8189518580
سولوفييف D-30F6مروحة توربينيةميغ-31 ، إس-37/ سو-471.863 [ 18 ]52.8193218950
ليولكا AL-21F-3محرك نفاث توربينيسو-17 ، سو-221.86 [ 18 ]52.7193518980
كليموف آر دي-33مروحة توربينية1974ميغ-291.8552.4194619080
ساتورن AL-41F-1Sمروحة توربينيةسو-35 إس/تي-10 بي إم1.81951.5197919410
فولفو RM12مروحة توربينية1978غريبن أ/ب/ج/د1.78 [ 18 ]50.4202219830
غي F404-GE-402مروحة توربينيةF/A-18C/D1.74 [ 18 ]49207020300
كوزنيتسوف إن كيه-32مروحة توربينية1980Tu-144LL ، Tu-1601.748210021000
سنيكما M88-2مروحة توربينية1989رافال1.66347.11216521230
يوروجيت EJ200مروحة توربينية1991يوروفايتر1.66–1.7347–49 [ 20 ]2080–217020400–21300
محركات نفاثة جافة ، ثابتة، مستوى سطح البحر
نموذجيكتبأول تشغيلطلبTSFC1 sp (بالوزن)I sp (بالكتلة)
رطل/رطل قوة·ساعةجم/كيلو نيوتن·ثانيةsآنسة
GE J85-GE-21محرك نفاث توربينيF-5E/F1.24 [ 18 ]35.1290028500
سنيكما أتار 09 سيمحرك نفاث توربينيميراج 31.01 [ 18 ]28.6356035000
سنيكما أتار 09K-50محرك نفاث توربينيميراج 4 ، 50 ، F10.981 [ 18 ]27.8367036000
سنيكما أتار 08K-50محرك نفاث توربينيسوبر إيتندارد0.971 [ 18 ]27.5371036400
تومانسكي آر-25-300محرك نفاث توربينيميج-21 بيس0.961 [ 18 ]27.2375036700
ليولكا AL-21F-3محرك نفاث توربينيسو-17 ، سو-220.8624.4419041100
GE J79-GE-15محرك نفاث توربينيF-4E/EJ/F/G ، RF-4E0.8524.1424041500
سنيكما M53-P2مروحة توربينيةميراج 2000 سي/دي/إن0.85 [ 18 ]24.1424041500
فولفو RM12مروحة توربينية1978غريبن أ/ب/ج/د0.824 [ 18 ]23.3437042800
RR Turbomeca Adourمروحة توربينية1999تعديل جاكوار0.8123440044000
هانيويل/آي تيك F124مروحة توربينية1979L-159 ، X-450.81 [ 18 ]22.9444043600
هانيويل/آي تيك F125مروحة توربينيةإف-سي كيه-10.8 [ 18 ]22.7450044100
PW J52-P-408محرك نفاث توربينيA-4M/N ، TA-4KU ، EA-6B0.7922.4456044700
ساتورن AL-41F-1Sمروحة توربينيةسو-35 إس/تي-10 بي إم0.7922.4456044700
سنيكما M88-2مروحة توربينية1989رافال0.78222.14460045100
كليموف آر دي-33مروحة توربينية1974ميغ-290.7721.8468045800
RR Pegasus 11-61مروحة توربينيةAV-8B+0.7621.5474046500
يوروجيت EJ200مروحة توربينية1991يوروفايتر0.74–0.8121–23 [ 20 ]4400–490044000–48000
GE F414-GE-400مروحة توربينية1993F/A-18E/F0.724 [ 21 ]20.5497048800
كوزنيتسوف إن كيه-32مروحة توربينية1980Tu-144LL ، Tu-1600.72-0.7320-214900–500048000–49000
سولوفييف D-30F6مروحة توربينيةميغ-31 ، إس-37/ سو-470.716 [ 18 ]20.3503049300
سنيكما لارزاكمروحة توربينية1972ألفا جيت0.71620.3503049300
IHI F3مروحة توربينية1981كاواساكي تي-40.719.8514050400
ساتورن AL-31Fمروحة توربينيةسو-27 /ب/ك0.666-0.78 [ 19 ] [ 21 ]18.9–22.14620–541045300–53000
RR Spey RB.168مروحة توربينيةAMX0.66 [ 18 ]18.7545053500
GE F110-GE-129مروحة توربينيةإف-16 سي/دي، إف-150.64 [ 21 ]18560055000
GE F110-GE-132مروحة توربينيةإف-16 إي/إف0.64 [ 21 ]18560055000
توربو-يونيون RB.199مروحة توربينيةإعصار ECR0.637 [ 18 ]18.0565055400
PW F119-PW-100مروحة توربينية1992إف-220.61 [ 21 ]17.3590057900
توربو-يونيون RB.199مروحة توربينيةإعصار0.598 [ 18 ]16.9602059000
جنرال الكتريك F101-GE-102مروحة توربينيةسبعينيات القرن العشرينB-1B0.56215.9641062800
PW TF33-P-3مروحة توربينيةB-52H، NB-52H0.52 [ 18 ]14.7692067900
RR AE 3007Hمروحة توربينيةRQ-4 ، MQ-4C0.39 [ 18 ]11.0920091000
GE F118-GE-100مروحة توربينيةثمانينيات القرن العشرينب-20.375 [ 18 ]10.6960094000
GE F118-GE-101مروحة توربينيةثمانينيات القرن العشرينيو-2 إس0.375 [ 18 ]10.6960094000
جنرال إلكتريك CF6-50C2مروحة توربينيةA300 ، DC- 10-300.371 [ 18 ]10.5970095000
غي TF34-GE-100مروحة توربينيةA-100.37 [ 18 ]10.5970095000
CFM CFM56-2B1مروحة توربينيةسي-135 ، آر سي-1350.36 [ 22 ]101000098000
بروجرس دي-18 تيمروحة توربينية1980أن-124 ، أن-2250.3459.810400102000
PW F117-PW-100مروحة توربينيةسي-170.34 [ 23 ]9.610600104000
PW PW2040مروحة توربينيةبوينغ 7570.33 [ 23 ]9.310900107000
CFM CFM56-3C1مروحة توربينية737 كلاسيك0.339.311000110000
جنرال الكتريك CF6-80C2مروحة توربينية744 ، 767 ، MD-11 ، A300 / 310 ، C-5M0.307-0.3448.7–9.710500–11700103000–115000
EA GP7270مروحة توربينيةA380 -8610.299 [ 21 ]8.512000118000
GE GE90-85Bمروحة توربينية777-200 /200ER/3000.298 [ 21 ]8.4412080118500
GE GE90-94Bمروحة توربينية777-200 /200ER/3000.2974 [ 21 ]8.4212100118700
RR Trent 970-84مروحة توربينية2003A380 -8410.295 [ 21 ]8.3612200119700
جنرال إلكتريك جينكس-1B70مروحة توربينية787-80.2845 [ 21 ]8.0612650124100
RR Trent 1000Cمروحة توربينية2006787-90.273 [ 21 ]7.713200129000
محركات نفاثة ، رحلات بحرية
نموذجيكتبأول تشغيلطلبTSFC1 sp (بالوزن)I sp (بالكتلة)
رطل/رطل قوة·ساعةجم/كيلو نيوتن·ثانيةsآنسة
رام جيتماخ 14.51308007800
J-58محرك نفاث توربيني1958SR-71 بسرعة 3.2 ماخ (إعادة تسخين)1.9 [ 18 ]53.8189518580
RR/Snecma Olympusمحرك نفاث توربيني1966كونكورد بسرعة ماخ 21.195 [ 24 ]33.8301029500
PW JT8D-9مروحة توربينية737 الأصلي0.8 [ 25 ]22.7450044100
هانيويل ALF502R-5GTFBAe 1460.72 [ 23 ]20.4500049000
سولوفييف دي-30 كيه بي-2مروحة توربينيةIl-76 ، Il-780.71520.3503049400
سولوفييف D-30KU-154مروحة توربينيةTu-154M0.70520.0511050100
RR Tay RB.183مروحة توربينية1984فوكر 70 ، فوكر 1000.6919.5522051200
GE CF34-3مروحة توربينية1982تشالنجر ، CRJ100/2000.6919.5522051200
GE CF34-8Eمروحة توربينيةE170/1750.6819.3529051900
هانيويل TFE731-60GTFفالكون 9000.679 [ 26 ]19.2530052000
CFM CFM56-2C1مروحة توربينيةدي سي-8 سوبر 700.671 [ 23 ]19.0537052600
GE CF34-8Cمروحة توربينيةCRJ700/900/10000.67-0.6819-195300–540052000–53000
CFM CFM56-3C1مروحة توربينية737 كلاسيك0.66718.9540052900
CFM CFM56-2A2مروحة توربينية1974E-3 ، E-60.66 [ 22 ]18.7545053500
RR BR725مروحة توربينية2008G650/ER0.65718.6548053700
CFM CFM56-2B1مروحة توربينيةسي-135 ، آر سي-1350.65 [ 22 ]18.4554054300
GE CF34-10Aمروحة توربينيةARJ210.6518.4554054300
CFE CFE738-1-1Bمروحة توربينية1990فالكون 20000.645 [ 23 ]18.3558054700
RR BR710مروحة توربينية1995جي. في / جي 550 ، غلوبال إكسبريس0.6418560055000
GE CF34-10Eمروحة توربينيةE190/1950.6418560055000
جنرال إلكتريك CF6-50C2مروحة توربينيةA300 B2/B4/C4/F4، DC-10 -300.63 [ 23 ]17.8571056000
باور جيت سام 146مروحة توربينيةسوبرجيت إل آر0.62917.8572056100
CFM CFM56-7B24مروحة توربينية737 NG0.627 [ 23 ]17.8574056300
RR BR715مروحة توربينية19977170.6217.6581056900
GE CF6-80C2-B1Fمروحة توربينية747-4000.605 [ 24 ]17.1595058400
CFM CFM56-5A1مروحة توربينيةA3200.59616.9604059200
Aviadvigatel PS-90A1مروحة توربينيةإليوشن 96-4000.59516.9605059300
PW PW2040مروحة توربينية757 -2000.582 [ 23 ]16.5619060700
PW PW4098مروحة توربينية777-3000.581 [ 23 ]16.5620060800
GE CF6-80C2-B2مروحة توربينية7670.576 [ 23 ]16.3625061300
IAE V2525-D5مروحة توربينيةMD-900.574 [ 27 ]16.3627061500
IAE V2533-A5مروحة توربينيةA321-2310.574 [ 27 ]16.3627061500
قطار RR Trent 700مروحة توربينية1992A3300.562 [ 28 ]15.9641062800
قطار RR Trent 800مروحة توربينية1993777-200/200ER/3000.560 [ 28 ]15.9643063000
بروجرس دي-18 تيمروحة توربينية1980أن-124 ، أن-2250.54615.5659064700
CFM CFM56-5B4مروحة توربينيةA320-2140.54515.4661064800
CFM CFM56-5C2مروحة توربينيةA340-2110.54515.4661064800
RR Trent 500مروحة توربينية1999A340-500/6000.542 [ 28 ]15.4664065100
CFM LEAP-1Bمروحة توربينية2014737 ماكس0.53-0.5615-166400–680063000–67000
Aviadvigatel PD-14مروحة توربينية2014MC-21-3100.52614.9684067100
قطار RR Trent 900مروحة توربينية2003A3800.522 [ 28 ]14.8690067600
GE GE90-85Bمروحة توربينية777-200/200ER0.52 [ 23 ] [ 29 ]14.7692067900
جنرال إلكتريك جينكس-1B76مروحة توربينية2006787-100.512 [ 25 ]14.5703069000
PW PW1400GGTFMC-210.51 [ 30 ]14.4710069000
CFM LEAP-1Cمروحة توربينية2013C9190.5114.4710069000
CFM LEAP-1Aمروحة توربينية2013عائلة طائرات A320neo0.51 [ 30 ]14.4710069000
RR Trent 7000مروحة توربينية2015A330neo0.506 [ أ ]14.3711069800
قطار RR Trent 1000مروحة توربينية20067870.506 [ ب ]14.3711069800
RR Trent XWB-97مروحة توربينية2014A350-10000.478 [ ج ]13.5753073900
PW 1127GGTF2012A320neo0.463 [ 25 ]13.1778076300
الدفع النوعي لتقنيات الدفع المختلفة
محركسرعة العادم الفعالة (م/ث)الدفع النوعي (s)الطاقة النوعية للعادم (ميغا جول/كيلوغرام)
محرك نفاث توربيني مروحي ( السرعة الفعلية تبلغ حوالي 300  متر/ثانية)290003000حوالي 0.05
معزز الصاروخ الصلب لمكوك الفضاء25002503
الأكسجين السائل – الهيدروجين السائل44004509.7
محرك أيوني كهرساكن من نوع زينون NSTAR [ 31 ]20,000 – 30,0001950 – 3100
محرك أيوني من الزينون الكهروستاتيكي من الجيل التالي40,0001320 – 4170
تنبؤات VASIMR [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]30,000–120,0003000–120001400
دافع أيوني كهرساكن DS4G [ 35 ]210,0002140022,500
صاروخ ضوئي مثالي [ د ]299,792,45830,570,00089,875,517,874

مثال على الدفع النوعي المقاس بالزمن هو 453  ثانية، وهو ما يعادل سرعة عادم فعالة تبلغ 4.440 كم/ث (14570 قدم/ث) لمحركات RS-25 عند تشغيلها في الفراغ. [ 36 ] عادةً ما يكون للمحرك النفاث الذي يتنفس الهواء دفع نوعي أكبر بكثير من الصاروخ؛ فعلى سبيل المثال، قد يكون للمحرك النفاث التوربيني المروحي دفع نوعي يبلغ 6000 ثانية أو أكثر عند مستوى سطح البحر، بينما يتراوح الدفع النوعي للصاروخ بين 200 و400 ثانية. [ 37 ]    

لذا، يُعدّ المحرك الذي يتنفس الهواء أكثر كفاءة في استخدام الوقود من محرك الصاروخ، لأن الهواء يعمل ككتلة تفاعل ومؤكسد للاحتراق، فلا يُنقل كوقود. كما أن سرعة العادم الفعلية أقل بكثير، وبالتالي تكون الطاقة الحركية التي يحملها العادم أقل، مما يجعل المحرك النفاث يستهلك طاقة أقل بكثير لتوليد الدفع. [ 38 ] في حين أن سرعة العادم الفعلية أقل في المحركات التي تتنفس الهواء، فإن سرعة العادم الفعّالة عالية جدًا في المحركات النفاثة. ويعود ذلك إلى أن حساب سرعة العادم الفعّالة يفترض أن الوقود المحمول يوفر كتلة التفاعل والدفع بالكامل. لذا، فإن سرعة العادم الفعّالة ليست ذات معنى فيزيائي في المحركات التي تتنفس الهواء؛ ومع ذلك، فهي مفيدة للمقارنة مع أنواع المحركات الأخرى. [ 39 ]

بلغت أعلى قيمة للدفع النوعي لوقود كيميائي تم اختباره في محرك صاروخي 542 ثانية (5.32 كم/ث) باستخدام وقود ثلاثي من الليثيوم والفلور والهيدروجين . مع ذلك، يُعدّ هذا المزيج غير عملي. فالليثيوم والفلور كلاهما شديد التآكل، ويشتعل الليثيوم عند ملامسته للهواء ، ويشتعل الفلور عند ملامسته لمعظم أنواع الوقود، أما الهيدروجين، فرغم أنه ليس شديد الاشتعال، إلا أنه يُشكّل خطرًا انفجاريًا. كما أن الفلور وفلوريد الهيدروجين (HF) الموجودين في العادم شديدا السمية، مما يُلحق الضرر بالبيئة، ويُصعّب العمل حول منصة الإطلاق، ويُزيد من صعوبة الحصول على ترخيص إطلاق. بالإضافة إلى ذلك، فإن عادم الصاروخ مُتأين، مما قد يُعيق الاتصال اللاسلكي مع الصاروخ. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] 

تختلف محركات الصواريخ النووية الحرارية عن محركات الصواريخ التقليدية في أن الطاقة تُزوَّد للوقود الدافع من مصدر حراري نووي خارجي بدلاً من حرارة الاحتراق . [ 43 ] ويعمل الصاروخ النووي عادةً بتمرير غاز الهيدروجين السائل عبر مفاعل نووي قيد التشغيل. وقد أسفرت الاختبارات التي أُجريت في ستينيات القرن الماضي عن دفعات نوعية تبلغ حوالي 850 ثانية (8340  م/ث)، أي ما يقارب ضعف دفعات محركات مكوك الفضاء. [ 44 ]

تُوفر طرق دفع الصواريخ الأخرى، مثل محركات الدفع الأيونية ، دافعًا نوعيًا أعلى بكثير، ولكن بقوة دفع أقل بكثير؛ فعلى سبيل المثال، يتميز محرك الدفع بتأثير هول في القمر الصناعي SMART-1 بدافع نوعي يبلغ 1640 ثانية (16.1 كم/ث)، ولكن بقوة دفع قصوى تبلغ 68 ملي نيوتن فقط (0.015 رطل) . [ 45 ] أما محرك الصاروخ المغناطيسي البلازمي ذو الدافع النوعي المتغير (VASIMR)، قيد التطوير حاليًا، فسيُنتج نظريًا سرعة تتراوح بين 20 و300 كم/ث (66000 إلى 984000 قدم/ث) ، وقوة دفع قصوى تبلغ 5.7 نيوتن (1.3 رطل) . [ 46 ]        

انظر أيضاً

ملحوظات

مراجع

  1. ↑ "ما هو الدافع النوعي؟" . مجموعة الاستدلال النوعي. مؤرشف من الأصل في 4 يوليو 2016. تم الاطلاع عليه في 22 ديسمبر 2009 .
  2. ↑ هاتشينسون، لي (14 أبريل 2013). "محرك صاروخي جديد من طراز F-1B يُحسّن تصميمًا من عصر أبولو بقوة دفع تبلغ 1.8 مليون رطل" . آرس تكنيكا . تاريخ الاسترجاع: 15 أبريل 2013. يُطلق على مقياس فعالية وقود الصاروخ اسم الدفع النوعي (يُختصر بـ "ISP" - أو بشكل أدق Isp)... " يصف الدفع النوعي الكتلي فعالية التفاعل الكيميائي في توليد الدفع، ويمكن تصوره بسهولة على أنه مقدار قوة الدفع الناتجة عن كل رطل (كتلة) من الوقود ومؤكسد الوقود المحترق في وحدة زمنية. وهو أشبه بمقياس الأميال لكل جالون (mpg) للصواريخ." 
  3. ↑ "مسبار بين النجوم يعمل بالليزر (عرض تقديمي)" . مؤرشف من الأصل في 2 أكتوبر 2013. تم الاطلاع عليه في 16 نوفمبر 2013 .
  4. ↑ "نظرة عامة على المهمة" . exploreMarsnow . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 ديسمبر 2009 .
  5. ↑ "الدفعة النوعية" . www.grc.nasa.gov .
  6. ↑ "ما هو الدفع النوعي؟" . www.qrg.northwestern.edu .
  7. ↑ "الاستهلاك النوعي للوقود" . www.grc.nasa.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 مايو 2021 .
  8. ^ عناصر الدفع الصاروخي، الطبعة السابعة بقلم جورج ب. ساتون، أوسكار بيبلارز
  9. ↑ بنسون، توم (11 يوليو 2008). "الدفع النوعي" . ناسا . تم الاسترجاع في 22 ديسمبر 2009 .
  10. ^ جورج ب. ساتون وأوسكار بيبلارز (2016). عناصر الدفع الصاروخي . جون وايلي وأولاده. ص. 27. رقم ISBN  978-1-118-75388-0.
  11. ↑ توماس أ. وارد (2010). أنظمة دفع الطائرات . جون وايلي وأولاده. ص 68. ISBN  978-0-470-82497-9.
  12. ↑ "معادلات دفع الصواريخ" . www.grc.nasa.gov . مؤرشف من الأصل في 9 نوفمبر 2024. تم الاطلاع عليه في 11 ديسمبر 2024 .
  13. ↑ هارادا، ماسانوري؛ مورياي، هيديكي (23 يناير 2023). بحث حول نقل الحرارة بكفاءة لأنظمة الدفع الكهربائي التي تعمل بالهواء . المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. doi : 10.2514/6.2023-0450 . ISBN 978-1-62410-699-6.
  14. ↑ "الاندفاع النوعي للكثافة" . القاموس الحر . تم الاسترجاع في 20 سبتمبر 2022 .
  15. ↑ "وقود الصواريخ" . braeunig.us . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 سبتمبر 2022 .
  16. ↑ "NK33" . موسوعة رواد الفضاء.
  17. ↑ "SSME" . موسوعة رواد الفضاء.
  18. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ ٨ ٩ ١٠ ١١ ١٢ ١٣ ١٤ ١٥ ١٦ ١٧ ١٨ ١٩ ٢٠ ٢١ ٢٢ ٢٣ ٢٤ ٢٥ ٢٦ ٢٧ ٢٨ ٢٩ ٣٠ ٣١ ٣٢ ٣٣ ناثان ماير (٢١ مارس ٢٠٠٥). "مواصفات المحركات النفاثة/التوربينية المروحية العسكرية" . مؤرشف من الأصل في ١١ فبراير ٢٠٢١.
  19. 1 2 "فلاكر" . مجلة AIR الدولية . 23 مارس 2017.
  20. 1 2 "المحرك التوربيني EJ200" (PDF) . محركات إم تي يو ايرو. أبريل 2016.
  21. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 كوتاس، أنجيلوس ت.؛ بوزوديس، ميخائيل ن.؛ ماداس، مايكل أ. "تقييم كفاءة محرك الطائرات التوربيني المروحي: نهج متكامل باستخدام تحليل مغلف البيانات الشبكي ثنائي المرحلة VSBM" (ملف PDF) . doi : 10.1016/j.omega.2019.102167 .
  22. 1 2 3 إيلودي رو (2007). "محركات التوربوفان والتوربينات النفاثة: دليل قاعدة البيانات" (ملف PDF) . ص 126. ISBN  9782952938013.
  23. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ناثان ماير (3 أبريل 2005). "مواصفات المحركات النفاثة/التوربينية المروحية المدنية" . مؤرشف من الأصل في 17 أغسطس 2021.
  24. 1 2 إيلان كرو. "بيانات عن محركات التوربوفان الكبيرة" . تصميم الطائرات: التركيب والتحليل . جامعة ستانفورد. مؤرشف من الأصل في 11 يناير 2017.
  25. 1 2 3 ديفيد كالوار (2015). "دمج محركات التوربوفان في التصميم الأولي لطائرة ركاب عالية السعة قصيرة ومتوسطة المدى وتحليل كفاءة استهلاك الوقود باستخدام برنامج تصميم طائرات بارامتري مطور بشكل أكبر" (PDF) .
  26. ↑ "صفحة الويب الخاصة بالدفع في كلية بيردو لعلوم الطيران والفضاء - TFE731" .
  27. 1 2 لويد ر. جينكينسون وآخرون (30 يوليو 1999). "تصميم الطائرات النفاثة المدنية: ملف بيانات المحرك" . إلسيفير/باتروورث-هاينمان.
  28. 1 2 3 4 "محركات التوربينات الغازية" (ملف PDF) . أسبوع الطيران . 28 يناير 2008. الصفحات 137-138 . 
  29. ^ إلودي رو (2007). "المحركات التوربينية والمحركات النفاثة: دليل قاعدة البيانات" . رقم ISBN 9782952938013.
  30. 1 2 فلاديمير كارنوزوف (19 أغسطس 2019). "شركة أفيادفيجاتيل تدرس استبدال محركات PS-90A بمحركات PD-14 ذات دفع أعلى" . AIN Online .
  31. ↑ أداء نظام الدفع الأيوني NSTAR أثناء الطيران في مهمة Deep Space One . وقائع مؤتمر الفضاء الجوي. IEEExplore. 2000. doi : 10.1109/AERO.2000.878373 .
  32. ↑ جلوفر، تيم دبليو؛ تشانغ دياز، فرانكلين آر؛ سكواير، جاريد بي؛ جاكوبسن، فيرلين؛ تشافرز، دي. جريجوري؛ كارتر، مارك دي. "النتائج الرئيسية لـ VASIMR والأهداف الحالية" (PDF) .
  33. ↑ كاسادي، ليونارد د.؛ لونغمير، بنجامين و.؛ أولسن، كريس س.؛ بالينجر، ماكسويل ج.؛ مكاسكيل، جريج إي.؛ إيلين، أندرو ف.؛ كارتر، مارك د.؛ غلوفرك، تيم و.؛ سكواير، جاريد ب.؛ تشانغ، فرانكلين ر.؛ بيرينغ الثالث، إدغار أ. (28 يوليو 2010). " نتائج أداء VASIMR R" (ملف PDF) . www.adastra.com
  34. ↑ "جهاز Vasimr VX 200 يحقق إنجازًا هامًا في كفاءة الطاقة" . spacefellowship.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 مايو 2021 .
  35. ↑ "وكالة الفضاء الأوروبية وفريق أسترالي يحققان إنجازاً رائداً في مجال دفع المركبات الفضائية" . cordis.europa.eu . 18 يناير 2006.
  36. ↑ "SSME" . www.astronautix.com . مؤرشف من الأصل في 3 مارس 2016.
  37. ↑ "11.6 أداء المحركات النفاثة" . web.mit.edu .
  38. ↑ دان، بروس ب. (2001). "ملف دان التعليمي" . مؤرشف من الأصل في 20 أكتوبر 2013. تم الاطلاع عليه في 12 يوليو 2014 .
  39. ↑ "سرعة العادم الفعالة | الهندسة" . موسوعة بريتانيكا .
  40. ↑ "الوقود - أين يوجد الوقود الثلاثي الليثيوم-الفلور-الهيدروجين حاليًا؟" . موقع تبادل المعلومات حول استكشاف الفضاء .
  41. ↑ أربيت، هـ.؛ كلاب، س.؛ ناغاي، س. (1968). "دراسة نظام الوقود الثلاثي الليثيوم-الفلور-الهيدروجين" . المؤتمر الرابع للمتخصصين في الدفع المشترك . doi : 10.2514/6.1968-618 .
  42. ↑ ARBIT، HA، CLAPP، SD، NAGAI، CK، تقرير نهائي عن بحث وقود الليثيوم والفلور والهيدروجين، وكالة ناسا، 1 مايو 1970.
  43. ↑ "مكتب تحليل الدفع الفضائي والمهام" . مؤرشف من الأصل في 12 أبريل 2011. تم الاطلاع عليه في 20 يوليو 2011 .
  44. ↑ الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (5 يناير 2017)، الدفع النووي في الفضاء ، مؤرشف من الأصل في 11 ديسمبر 2021 ، تم استرجاعه في 24 فبراير 2021
  45. ↑ "توصيف دافع زينون عالي الدفع النوعي يعمل بتأثير هول | مينديلي" . مؤرشف من الأصل في 24 مارس 2012. تم الاطلاع عليه في 20 يوليو 2011 .
  46. ↑ أد أسترا (23 نوفمبر 2010). "جهاز VASIMR® VX-200 يحقق إنجازًا بارزًا في كفاءة الطاقة" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 30 أكتوبر 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يونيو 2014 .
  1. ↑ أفضل بنسبة 10% من ترينت 700
  2. ↑ أفضل بنسبة 10% من ترينت 700
  3. ↑ ميزة في استهلاك الوقود بنسبة 15% مقارنة بمحرك ترينت الأصلي
  4. ↑ جهاز افتراضي يقوم بتحويل الكتلة إلى فوتونات مُنبعثة بشكل مثالي، بحيث تكون مُوازية تمامًا لمتجه الدفع المطلوب. يُمثل هذا الحد النظري الأعلى للدفع الذي يعتمد كليًا على الوقود الموجود على متن المركبة ومبدأ الصاروخ.