Spezifischer Impuls

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Der spezifische Impuls eines Raketentriebwerkes ist die Änderung des Impulses pro ausgestoßener Masse (Verbrennungsgase oder Stützmasse). Die Einheit ist m/s.

Oft wird die Masse noch als Gewicht unter Normalfallbeschleunigung angegeben, wodurch die Zahlenwerte (mit der Einheit s) unabhängig vom Einheitensystem werden.

Der spezifische Impuls – es handelt sich um die effektive Austrittsgeschwindigkeit – ist eine wesentliche Kenngröße eines Antriebs oder eines Treibstoffs unabhängig von der Größe des Motors.

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der spezifische Impuls ist

mit dem Impuls und der ausgestoßenen Masse Die Punkte stehen für , die zeitliche Ableitung. ist also der Massendurchsatz. Die dadurch bewirkte Impulsänderungsrate , die Kraft , heißt Schub. Da der Impuls die Dimension Masse mal Geschwindigkeit hat und sich die Masse herauskürzt, ist die Einheit von SI-konform m/s, imperial ft/s.

Unabhängig vom Einheitensystem ist die durch die Standard-Erdbeschleunigung (9,80665 m/s2 bzw. 32,174 ft/s2) geteilte Größe mit der Einheit Sekunde:[1]

Beispiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein spezifischer Impuls von 1000 m/s = 1.000 Ns/kg ≙ 102 s bedeutet, dass 1 kg dieses Treibstoffs eine Impulsänderung von 1000 Ns bewirken kann. Das entspricht z. B. einem Triebwerk, das eine Sekunde lang eine Schubkraft von 1000 N entwickelt und in dieser Zeit 1 kg Treibstoff verbraucht, oder einem kleinen Triebwerk, das 10 s lang 10 N Schub entwickelt bei 0,1 kg Treibstoffbedarf. Anschaulich gesprochen, ist 1.000 m/s die Geschwindigkeitsänderung, die eine Masse bei einem 102 s dauernden Freifall im Norm-Schwerefeld der Erde erreicht.

Der spezifische Impuls eines chemischen Raketentriebwerks ist im Wesentlichen die Austrittsgeschwindigkeit (bestimmt durch die Reaktionsenthalpie und die Dichte des Treibstoffs, die erreichte Temperaturerhöhung bzw. Reaktionsgeschwindigkeit, die Bauform und die Vollständigkeit der Verbrennung). Die höchsten spezifischen Impulse bei den heute eingesetzten Treibstoffkombinationen werden mit Wasserstoff + Sauerstoff und Wasserstoff + Fluor erreicht. Der höchste experimentell erreichte Wert liegt bei zirka 4,6 km/s (RL-10B2 und Vinci-Triebwerk).

Ionentriebwerke beschleunigen Ionen durch elektrische Felder. Dazu wird ein Arbeitsmedium ionisiert. Je nach angelegter Spannung können die Ionen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, theoretisch bis nahezu Lichtgeschwindigkeit. Verfügbare Ionentriebwerke weisen Spezifische Impulse von 30 bis 40 km/s auf, der Dual-Stage-4-Grid-Ionenantrieb (DS4G) der ESA erreichte einen spezifischen Impuls von 210 km/s.[2]

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der spezifische Impuls eines Raketentriebwerks ist vom Umgebungsdruck abhängig. Die Lavaldüse wird konstruktiv auf einen bestimmten Enddruck optimiert. Oberstufen entwickeln den höchsten spezifischen Impuls im Vakuum. Beim Start von der Erde ist wegen des Atmosphärendrucks der maximal erreichbare spezifische Impuls um 10 bis 15 Prozent geringer, da man bei Unterstufen nicht unter etwa 40 Prozent des Außendrucks expandieren kann. Anderenfalls kommt es bei den normalerweise verwendeten Glockendüsen zu einem Abriss der Strömung (Summerfield-Kriterium). Eine sowohl in Luft als auch im Vakuum gleichermaßen effizient arbeitende Alternative ist das Aerospike-Triebwerk.

Da der massenspezifische Impuls in SI-Einheiten die effektive Ausströmgeschwindigkeit der Gase darstellt, kann man zusammen mit der Voll- und Leermasse aus der Raketengrundgleichung Ziolkowskis die Endgeschwindigkeit der Rakete berechnen.

Für Raketen, die innerhalb der Atmosphäre eingesetzt werden, sowie militärische Raketen, die in einem Silo oder einem möglichst kleinen Transportcontainer untergebracht werden müssen, ist auch der volumenspezifische Impuls wichtig, da man dann möglichst kompakt, also luftwiderstandsgünstig bauen will. Er wird gebildet, indem der spezifische Impuls mit der Dichte des Treibstoffs multipliziert wird:

volumenspezifischer Impuls = Dichte × spezifischer Impuls

Beispielsweise ist der spezifische Impuls der Kombination von Stickstofftetroxid mit Hydrazin-Varianten etwas kleiner als der von flüssigem Sauerstoff und Kerosin. Die Dichte ist jedoch höher, und so erhält man eine kleinere Rakete.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas: Raumfahrtsysteme. 3. Auflage. Springer-Verlag, 2008, ISBN 3-540-77699-0.
  2. Emma Young: Super-powerful new ion engine revealed. New Scientist, 18. Januar 2006, abgerufen am 18. November 2013 (englisch).