विशिष्ट आवेग: Difference between revisions

उच्च विशिष्ट आवेग वाली प्रणोदन प्रणाली प्रणोदक के द्रव्यमान का अधिक कुशलता से उपयोग करती है। रॉकेट के मामले में, इसका मतलब है कि दिए गए [[डेल्टा-सी|डेल्टा-v]] के लिए कम प्रणोदक की आवश्यकता है,<ref name="QRG1">{{cite web|url=http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/propulsion/3-what-is-specific-impulse.html|title=विशिष्ट आवेग क्या है?|publisher=Qualitative Reasoning Group|access-date=22 December 2009}}</ref><ref name="ars20130414">{{cite web|last=Hutchinson|first=Lee |title=नया F-1B रॉकेट इंजन 1.8M lbs थ्रस्ट के साथ अपोलो-एरा डिज़ाइन को अपग्रेड करता है|url=https://arstechnica.com/science/2013/04/new-f-1b-rocket-engine-upgrades-apollo-era-deisgn-with-1-8m-lbs-of-thrust/ |access-date=15 April 2013 |website=[[Ars Technica]] |date=14 April 2013 |quote=रॉकेट की ईंधन प्रभावशीलता के माप को इसका विशिष्ट आवेग कहा जाता है (संक्षिप्त रूप में 'आईएसपी' - या अधिक उचित रूप से आईएसपी) .... 'द्रव्यमान विशिष्ट आवेग ... एक रासायनिक प्रतिक्रिया की जोर-उत्पादक प्रभावशीलता का वर्णन करता है और यह सबसे आसानी से होता है समय की एक इकाई में जलाए गए ईंधन और ऑक्सीडाइज़र प्रणोदक के प्रत्येक पाउंड (द्रव्यमान) द्वारा उत्पादित थ्रस्ट बल की मात्रा के रूप में माना जाता है। यह रॉकेट के लिए मील प्रति गैलन (mpg) के माप की तरह है।'}}</ref> ताकि इंजन से जुड़ा वाहन अधिक कुशलता से ऊंचाई और वेग प्राप्त कर सके।

एक वायुमंडलीय संदर्भ में, विशिष्ट आवेग में बाहरी हवा के द्रव्यमान द्वारा प्रदान किए गए आवेग में योगदान शामिल हो सकता है जो इंजन द्वारा किसी तरह से त्वरित किया जाता है, जैसे कि आंतरिक टर्बोफैन या ईंधन दहन भागीदारी द्वारा हीटिंग, फिर जोर विस्तार या बाहरी प्रोपेलर द्वारा। जेट इंजन दहन और बाय-पास दोनों के लिए बाहरी हवा में सांस लेते हैं, और इसलिए रॉकेट इंजनों की तुलना में बहुत अधिक विशिष्ट आवेग होते हैं। खर्च किए गए प्रणोदक द्रव्यमान के संदर्भ में विशिष्ट आवेग में प्रति समय दूरी की इकाइयां होती हैं, जो एक काल्पनिक वेग है जिसे प्रभावी निकास वेग कहा जाता है। यह वास्तविक निकास वेग से अधिक है क्योंकि दहन वायु के द्रव्यमान का हिसाब नहीं दिया जा रहा है। निर्वात में चलने वाले रॉकेट इंजनों में निकास का वास्तविक और प्रभावी वेग समान होता है।

विशिष्ट आवेग संबंध द्वारा थ्रस्ट-विशिष्ट ईंधन खपत (SFC) के व्युत्क्रमानुपाती होता है {{math|1=''I''_sp = 1/(''g_o''·SFC)}} एसएफसी के लिए किग्रा/(एन·एस) में और {{math|1=''I''_sp = 3600/SFC}} एसएफसी के लिए एलबी/(एलबीएफ·घंटा) में।

प्रणोदक की मात्रा या तो द्रव्यमान या भार की इकाइयों में मापी जा सकती है। यदि द्रव्यमान का उपयोग किया जाता है, तो विशिष्ट आवेग द्रव्यमान की प्रति इकाई एक [[आवेग (भौतिकी)]] है, जो आयामी विश्लेषण गति की इकाइयों को दिखाता है, विशेष रूप से प्रभावी निकास वेग। जैसा कि एसआई प्रणाली द्रव्यमान आधारित है, इस प्रकार का विश्लेषण आमतौर पर मीटर प्रति सेकंड में किया जाता है। यदि एक बल-आधारित इकाई प्रणाली का उपयोग किया जाता है, तो आवेग को प्रणोदक भार (वजन बल का एक उपाय है) से विभाजित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप समय (सेकंड) की इकाइयां होती हैं। ये दो फॉर्मूलेशन मानक मानक गुरुत्व (''g'' द्वारा एक दूसरे से भिन्न होते हैं₀) पृथ्वी की सतह पर।

प्रति इकाई समय में एक रॉकेट (उसके प्रणोदक सहित) के संवेग परिवर्तन की दर प्रणोद के बराबर होती है। उच्च विशिष्ट आवेग, एक निश्चित समय के लिए दिए गए जोर का उत्पादन करने के लिए कम प्रणोदक की आवश्यकता होती है और प्रणोदक अधिक कुशल होता है। यह [[ऊर्जा दक्षता (भौतिकी)]] की भौतिकी अवधारणा के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जो विशिष्ट आवेग में वृद्धि के रूप में घट सकता है, क्योंकि उच्च विशिष्ट आवेग देने वाले प्रणोदन प्रणालियों को ऐसा करने के लिए उच्च ऊर्जा की आवश्यकता होती है।<ref>{{cite web |url=http://www.geoffreylandis.com/laser_ion_pres.htp |title=लेजर-संचालित इंटरस्टेलर जांच (प्रस्तुति)|access-date=2013-11-16 |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20131002200923/http://www.geoffreylandis.com/laser_ion_pres.htp |archive-date=2 October 2013}}</ref>

[[जोर]] और विशिष्ट आवेग भ्रमित नहीं होना चाहिए। थ्रस्ट इंजन द्वारा आपूर्ति किया गया बल है और इंजन के माध्यम से प्रवाहित प्रतिक्रिया द्रव्यमान की मात्रा पर निर्भर करता है। विशिष्ट आवेग प्रणोदक की प्रति इकाई उत्पन्न आवेग को मापता है और निकास वेग के समानुपाती होता है। जोर और विशिष्ट आवेग प्रश्न में इंजन के डिजाइन और प्रणोदक से संबंधित हैं, लेकिन यह रिश्ता कमजोर है। उदाहरण के लिए, तरल रॉकेट प्रणोदक#Hydrogen|LH₂/यह{{sub|2}}बाइप्रोपेलेंट अधिक उत्पादन करता है {{math|''I''_sp}} लेकिन [[RP-1]]/लिक्विड ऑक्सीजन|LO से कम थ्रस्ट{{sub|2}}निकास गैसों के कम घनत्व और उच्च वेग (पानी के गुण | एच₂ओ बनाम कार्बन डाइऑक्साइड | सीओ₂और वह₂ओ). कई मामलों में, बहुत उच्च विशिष्ट आवेग वाले प्रणोदन सिस्टम - कुछ [[आयन थ्रस्टर]]्स 10,000 सेकंड तक पहुंचते हैं - कम थ्रस्ट उत्पन्न करते हैं।<ref name="exploreMarsnow">{{cite web|url=http://www.exploremarsnow.org/MissionOverview.html|title=मिशन अवलोकन|publisher=exploreMarsnow|access-date=23 December 2009}}</ref> विशिष्ट आवेग की गणना करते समय, उपयोग से पहले वाहन के साथ ले जाने वाले प्रणोदक को ही गिना जाता है। एक रासायनिक रॉकेट के लिए, प्रणोदक द्रव्यमान में ईंधन और ऑक्सीकारक दोनों शामिल होंगे। रॉकेटरी में, एक उच्च विशिष्ट आवेग वाला एक भारी इंजन कम विशिष्ट आवेग के साथ एक हल्के इंजन के रूप में ऊंचाई, दूरी या वेग प्राप्त करने में उतना प्रभावी नहीं हो सकता है, खासकर अगर बाद वाला इंजन उच्च [[थ्रस्ट-टू-वेट अनुपात]] रखता है। अधिकांश रॉकेट डिजाइनों के कई चरण होने का यह एक महत्वपूर्ण कारण है। पहले चरण को उच्च जोर के लिए अनुकूलित किया गया है ताकि बाद के चरणों को उच्च विशिष्ट आवेग के साथ उच्च ऊंचाई पर बढ़ाया जा सके जहां वे अधिक कुशलता से प्रदर्शन कर सकें।

|+  Various equivalent rocket motor performance measurements, in SI and English engineering units

! colspan=2 | Specific impulse

! rowspan=2 | Effective <br/>exhaust velocity

! rowspan=2 | Specific fuel <br/>consumption

! By weight

! By mass

! SI

| = 9.80665·{{math|''x''}} N·s/kg

| = 101,972/{{math|''x''}} g/(kN·s)

! English engineering units

|}

विशिष्ट आवेग के लिए सबसे आम इकाई दूसरी है, क्योंकि मान समान हैं चाहे गणना एसआई, शाही इकाइयों या प्रथागत इकाइयों इकाइयों में की जाती है। लगभग सभी निर्माता सेकंड में अपने इंजन के प्रदर्शन को उद्धृत करते हैं, [[और]] इकाई विमान इंजन के प्रदर्शन को निर्दिष्ट करने के लिए भी उपयोगी होती है।<ref>{{Cite web|url=https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/specimp.html|title=विशिष्ट आवेग|website=www.grc.nasa.gov}}</ref>

थ्रस्ट विशिष्ट ईंधन की खपत विशिष्ट आवेग के व्युत्क्रमानुपाती होती है और इसमें g/(kN·s) या lb/(lbf·hr) की इकाइयाँ होती हैं। वायु-श्वास जेट इंजनों के प्रदर्शन का वर्णन करने के लिए विशिष्ट ईंधन खपत का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।<ref>{{Cite web|title=विशिष्ट ईंधन की खपत|url=https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/sfc.html|access-date=2021-05-13|website=www.grc.nasa.gov}}</ref>

विशिष्ट आवेग, जिसे सेकंड में मापा जाता है, प्रभावी रूप से इसका अर्थ है कि इस इंजन के साथ जोड़े जाने पर यह प्रणोदक कितने सेकंड में अपने स्वयं के प्रारंभिक द्रव्यमान को 1 g पर बढ़ा सकता है। जितना अधिक समय तक यह अपने स्वयं के द्रव्यमान को गति दे सकता है, उतना अधिक डेल्टा-वी यह पूरे सिस्टम को वितरित करता है।

 

सभी वाहनों के लिए, सेकंड में विशिष्ट आवेग (प्रणोदक की प्रति इकाई वजन-पर-पृथ्वी पर आवेग) को निम्नलिखित समीकरण द्वारा परिभाषित किया जा सकता है:<ref name=sutton>Rocket Propulsion Elements, 7th Edition by George P. Sutton, Oscar Biblarz</ref>

<math display="block">F_\text{thrust} = g_0 \cdot I_\text{sp} \cdot \dot m,</math>

 

*<math>F_\text{thrust}</math> इंजन से प्राप्त जोर है ([[न्यूटन (यूनिट)]] एस या पाउंड (बल)),

*<math>g_0</math> मानक गुरुत्वाकर्षण है, जो मुख्य रूप से पृथ्वी की सतह पर गुरुत्वाकर्षण है (एम/एस² या फ़ीट/सेकंड²),

*<math>\dot m</math> खर्च किए गए प्रणोदक की द्रव्यमान प्रवाह दर (kg/s या [[स्लग (इकाई)]]s/s) है

 

स्लग की तुलना में [[अंग्रेजी इकाई]] पाउंड (द्रव्यमान) का अधिक सामान्य रूप से उपयोग किया जाता है, और द्रव्यमान प्रवाह दर के लिए पाउंड प्रति सेकंड का उपयोग करते समय, रूपांतरण स्थिरांक g₀ अनावश्यक हो जाता है, क्योंकि स्लग विमीय रूप से जी द्वारा विभाजित पाउंड के बराबर है₀:

 

<math display="block">F_\text{thrust} = I_\text{sp} \cdot \dot m \cdot \left(1 \mathrm{\frac{ft}{s^2}} \right).</math>

मैं_sp सेकंड में वह समय है जब एक रॉकेट इंजन प्रणोदक की मात्रा को देखते हुए प्रणोद उत्पन्न कर सकता है जिसका वजन इंजन के जोर के बराबर होता है। दाहिनी ओर अंतिम पद, <math display="inline">\left(1 \mathrm{\frac{ft}{s^2}} \right)</math>, आयामी स्थिरता के लिए आवश्यक है (<math display="inline">\mathrm{lbf} \propto \mathrm{s} \cdot \mathrm{\frac{lbm}{s}} \cdot \mathrm{ \frac{ft}{s^2}}</math>)

 

 

रॉकेटरी में, केवल प्रतिक्रिया द्रव्यमान ही प्रणोदक होता है, इसलिए विशिष्ट आवेग की गणना एक वैकल्पिक विधि का उपयोग करके की जाती है, जो सेकंड की इकाइयों के साथ परिणाम देता है। विशिष्ट आवेग को प्रणोदक के पृथ्वी पर प्रति इकाई भार समय के साथ एकीकृत जोर के रूप में परिभाषित किया गया है:<ref name="SINasa">{{cite web|url=http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/specimp.html|title=विशिष्ट आवेग|last=Benson|first=Tom|date=11 July 2008|publisher=[[NASA]]|access-date=22 December 2009}}</ref>

 

<math display="block">I_\text{sp} = \frac{v_\text{e}}{g_0},</math>

*<math>v_\text{e}</math> इंजन की धुरी के साथ औसत निकास गति है (एम/एस या फीट/एस में),

*<math>g_0</math> मानक गुरुत्व है (एम/एस में² या फ़ीट/सेकंड²).

 

रॉकेटों में, वायुमंडलीय प्रभावों के कारण, विशिष्ट आवेग ऊंचाई के साथ भिन्न होता है, एक निर्वात में अधिकतम तक पहुंचता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि निकास वेग केवल कक्ष दबाव का कार्य नहीं है, बल्कि [[डी लवल नोजल]] है। मान आमतौर पर समुद्र तल (एसएल) या वैक्यूम (खाली) में संचालन के लिए दिए जाते हैं।

 

=== प्रभावी निकास वेग === के रूप में विशिष्ट आवेग

{{Refimprove section|date=August 2019}}

जी के भूस्थैतिक कारक के कारण₀ विशिष्ट आवेग के समीकरण में, कई वैकल्पिक परिभाषा पसंद करते हैं। एक रॉकेट के विशिष्ट आवेग को प्रणोदक के प्रति इकाई द्रव्यमान प्रवाह के जोर के संदर्भ में परिभाषित किया जा सकता है। यह रॉकेट प्रणोदक की प्रभावशीलता को परिभाषित करने का एक समान रूप से मान्य (और कुछ हद तक सरल)