Массовая доля топлива - Propellant mass fraction

Часть серии по
Астродинамика
Орбитальная механика
Параметры орбиты Апсис Аргумент периапсиса Азимут Эксцентриситет Наклон Средняя аномалия Орбитальные узлы Большая полуось Истинная аномалия
Виды двухчастичные орбиты, к эксцентриситет Круговая орбита Эллиптическая орбита Переходная орбита (Переходная орбита Хомана Биэллиптическая переходная орбита ) Параболическая орбита Гиперболическая орбита Радиальная орбита Затухающая орбита
Уравнения Динамическое трение Скорость убегания Уравнение Кеплера Законы движения планет Кеплера Орбитальный период Орбитальная скорость Поверхностная гравитация Удельная орбитальная энергия Уравнение Vis-viva
Небесная механика
Гравитационные воздействия Барицентр Сфера холма Возмущения Сфера влияния
N-тела орбиты Лагранжевые точки (Гало-орбиты ) Орбиты Лиссажу Ляпуновские орбиты
Инженерия и эффективность
Предполетная инженерия Соотношение масс Доля полезной нагрузки Массовая доля топлива Уравнение ракеты Циолковского
Меры эффективности Помощь гравитации Эффект Оберта

В аэрокосмическая техника, то массовая доля пороха - это часть массы транспортного средства, которая не достигает пункта назначения, обычно используемая в качестве меры производительности транспортного средства. Другими словами, массовая доля пороха - отношение массы топлива к начальной массе транспортного средства. В космическом корабле местом назначения обычно является орбита, а для самолетов - это место посадки. Более высокая массовая доля означает меньший вес конструкции. Еще одна связанная мера - это доля полезной нагрузки, который представляет собой долю полезной нагрузки от начального веса. Он может быть применен к транспортному средству, ступени транспортного средства или к ракетной двигательной установке.

Формулировка

Массовая доля пороха определяется по формуле:

${ displaystyle { begin {align} zeta & = { frac {m _ { text {p}}} {m_ {0}}} [3pt] & = { frac {m_ {0} -m_) { text {f}}} {m_ {0}}} = { frac {m _ { text {p}}} {m _ { text {p}} + m _ { text {f}}}} & = 1 - { frac {m _ { text {f}}} {m_ {0}}} end {align}}}$

Где:

${ displaystyle zeta}$ - массовая доля пороха

${ displaystyle m_ {0} = m _ { text {f}} + m _ { text {p}}}$ начальная масса автомобиля

${ displaystyle m _ { text {p}}}$ это масса пороха

${ displaystyle m _ { text {f}}}$ конечная масса автомобиля

Значимость

В ракеты для данной цели орбита, массовая доля ракеты - это часть предстартовой массы ракеты (полностью заправленной топливом), которая не достигает орбиты. Массовая доля топлива - это отношение только топлива к общей массе транспортного средства на взлете (топливо плюс масса сухого топлива). В случаях одна ступень на орбиту (SSTO) корабль или суборбитальный аппарат, массовая доля равна массовой доле топлива; просто масса топлива, деленная на массу всего космического корабля. Ракета с использованием постановка, которые являются единственными проектами, достигшими орбиты, имеют массовую долю выше, чем массовая доля топлива, потому что части самой ракеты сбрасываются по пути. Массовые доли пороха обычно составляют от 0,8 до 0,9.

В самолете массовая доля связана с дальностью полета, самолет с более высокой массовой долей может лететь дальше. Массовая доля самолета обычно составляет около 0,5.

Применительно к ракете в целом желательна низкая массовая доля, поскольку она указывает на большую способность ракеты доставлять полезную нагрузку на орбиту при заданном количестве топлива. И наоборот, применительно к одноступенчатой ​​установке, где расчет массовой доли ракетного топлива не включает полезную нагрузку, более высокая массовая доля топлива соответствует более эффективной конструкции, поскольку имеется меньшая масса не ракетного топлива. Без преимущества ступенчатости конструкции SSTO обычно рассчитаны на массовые доли около 0,9. Постановка увеличивает доля полезной нагрузки, что является одной из причин, по которой создание SSTO затруднительно.

Например, полный Система Space Shuttle имеет:^[1]

• заправленная масса на старте: 1708 500 кг
• сухой вес на старте: 342 100 кг

Учитывая эти числа, массовая доля пороха равна ${ displaystyle 1- (342 100 { text {kg}} / 1 708 500 { text {kg}}) = 0,7998}$.

Массовая доля играет важную роль в уравнение ракеты:

${ displaystyle Delta v = -v _ { text {e}} ln { frac {m _ { text {f}}} {m_ {0}}}}$

Где ${ Displaystyle м _ { текст {f}} / м_ {0}}$ это отношение конечной массы к начальной массе (т.е. единица минус массовая доля), ${ displaystyle Delta v}$ - изменение скорости автомобиля в результате сжигания топлива и ${ displaystyle v _ { text {e}}}$ эффективная скорость истечения (см. ниже).

Период, термин эффективная скорость истечения определяется как:

${ displaystyle v _ { text {e}} = g _ { text {n}} I _ { text {sp}}}$

куда я_зр - удельный импульс топлива в секундах и грамм_п это стандартное ускорение свободного падения (обратите внимание, что это не местное ускорение свободного падения).

Чтобы совершить механическую посадку с орбиты на небесное тело без атмосферы, требуется такое же уменьшение массы, как и при достижении орбиты с его поверхности, если скорость, с которой достигается поверхность, равна нулю.

Смотрите также

• Топливная фракция
• Соотношение масс

Рекомендации