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Der spezifische Impuls eines Raketentriebwerkes ist die Änderung des Impulses pro ausgestoßener Masse (Verbrennungsgase oder Stützmasse). 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.

Die Einheit des spezifischen Impulses ist Meter pro Sekunde (m/s), dieselbe wie die der Geschwindigkeit. Bei Raketentriebwerken ist es üblich, davon abweichend die Masse als ihr Gewicht unter Normalfallbeschleunigung zu beschreiben, wodurch der (gewichts)spezifische Impuls in der Einheit s ausgewiesen wird. Ein in dieser Einheit angegebener spezifischer Impuls kann durch Multiplikation mit der Fallbeschleunigung von rund 9,806 m/s2 in den SI-konformen Wert umgewandelt werden.

DefinitionBearbeiten

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.

Durch Division des spezifischen Impuls mit der Standard-Erdbeschleunigung   erhält man eine physikalische Größe der Größenart Zeit ( ).

Beispielswerte für TriebwerkeBearbeiten

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 beträgt etwa 4600 m/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.[1]

AnwendungBearbeiten

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:

 

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.

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Emma Young: Super-powerful new ion engine revealed. New Scientist, 18. Januar 2006, abgerufen am 18. November 2013 (englisch).