Začátečníci v kosmonautice to mají těžké. Když chtějí do oboru proniknout trochu hlouběji, musí se probrat spoustou složitých definic a termínů, které dokáží snadno zamotat hlavu. Když už nešťastník pochopí jak se to má s těmi apsidami, jak se liší retrográdní dráha od prográdní, vyskočí na něj specifický impuls, u kterého najednou není jasné jak jej uchopit. Další zavaření mozkových závitů se spolehlivě dostaví, když čtenář pozná, že se tento údaj nejčastěji uvádí v sekundách, což je jednotka, kterou by u motoru čekal jen málokdo. Rozhodli jsme se proto vydat nový díl našeho nepravidelného seriálu Pro začátečníky, který se snaží vysvětlovat srozumitelným a názorným jazykem všechna složitá zákoutí kosmonautiky. Dnes si v něm posvítíme právě na záhadně se tvářící specifický impuls. Nenechte se zmást rovnicemi v úvodním obrázku – článek bude mnohem lépe pochopitelný.

Tato veličina se v textu může skrývat pod zkratkou Isp, setkat se můžete i s verzí s dolním indexem, tedy I_sp a když ji někde uvidíte, můžete vsadit ponožky na to, že bude řeč o raketových motorech. Ba co více, máte co do činění s jedním z nejdůležitějších parametrů, které se točí kolem raketových a proudových motorů. Tento údaj udává palivovou účinnost motoru. No jo, ale co tam v tom případě dělají ty sekundy – může leckdo opáčit. Vtip je v tom, že sekunda není jediná jednotka, ve které může být specifický impuls udáván – k sekundě se v tomto článku ještě vrátíme, ale tím druhým způsobem je N.s/kg. A tady už možná někomu svítá – tato veličina je poměrem tahu, který motor generuje k množství spotřebovaného paliva.

Představme si teoretický motor se specifickým impulsem 600 N.s/kg. Takový údaj znamená, že jeden kilogram pracovní látky (tedy paliva), je schopen vytvořit tah 600 newtonů po dobu jedné sekundy. Platí to i obráceně – jeden kilogram pracovní látky může po dobu 600 sekund vytvářet tah 1 newton. V praxi to samozřejmě tak snadné není, protože každý motor má dané rozmezí, ve kterém je schopen pracovat. Tohle je jedna z věcí, kterou hráči základní verze hry Kerbal Space Program neznají – tam je možné tah motoru lechtat jen na pár procentech, ale ve skutečnosti se motory dají přiškrtit jen na zhruba 40%. Ale zpět ke specifickému impulsu.

Už jsme si řekli, že udává palivovou účinnost motoru, tedy jaký tah dokáže získat z určitého množství pracovní látky. Ale když se zamyslíme nad podstatou samotné veličiny, poznáme, že má ještě další tématický přesah. Stačí si jen uvědomit, co je to vlastně tah, který motor produkuje – jde o sílu, která vzniká vypuzováním spalin ze spalovací komory motoru.

A tady se dostáváme ke specifickému impulsu v N.s/kg – jeho číselná hodnota je totiž rovna výtokové rychlosti spalin v metrech za sekundu. To znamená, že náš motor Isp 600 spálí palivo a vytvořené plyny budou mít efektivní výtokovou rychlost 600 m/s. V reálném světě se efektivní výtoková rychlost může od té skutečné lišit, ale to ve skutečnosti příliš nevadí. Efektivní výtoková rychlost, kterou jsme získali ze specifického impulsu totiž můžeme dosadit do Ciolkovského rovnice – vzorce, kolem kterého se točí celá kosmonautika. Je přitom jedno, zda jde o motor s uzavřeným, nebo otevřeným cyklem, zda si nese okysličovadlo s sebou, nebo zda jej čerpá z atmosféry – platí pro motory raketové i proudové.

A kde se bere ta sekunda, kterou jsme nakousli na začátku? Za všechno může anglosaská literatura, která specifický impuls chápe trochu jinak – bere ji jako poměr tahu motoru k normálnímu gravitačnímu zrychlení a k sekundové spotřebě. Svým způsobem je to logické – tah i hmotnost můžeme uvádět ve stejných jednotkách – anglosasové mají libry, my kilogramy, ale princip je stejný. Když tedy vidíme specifický tah v sekundách, můžeme z něj vyčíst, jak dlouho (kolik sekund) dokáže jedna libra pracovní látky vytvářet tah jedné libry (to samé platí když vyměníme libru za kilogram).

Verze se sekundou se ale nepoužívá jen v zemích s imperiálními jednotkami, ale i po téměř celém světě, který využívá metrický systém. Výhodou sekundového Isp je, že tato číselná hodnota je po celém světě identická a srozumitelná, tak téměř všichni světoví výrobci udávají ve specifikacích svých výrobků právě sekundovou verzi. Abychom z ní ale získali efektivní výtokovou rychlost, musíme si pomocí násobením gravitačním zrychlením, tedy koeficientem 9,81.

Verze, která používá N.s/kg se používá prakticky pouze v evropské literatuře a navíc ještě neanglicky psané. Její výhodou je, že je přímo spojena se soustavou SI (což je ale pro anglosaský svět spíše nevýhoda) a hlavně její hodnota přesně odpovídá efektivní výtokové rychlosti a není potřeba zaobírat se vzorcem, kde se násobí gravitačním zrychlením 9,81.

Jak je z minulých vidět, své výhody má jak Isp udávaný v sekundách, tak i udávaný v N.s/kg. Důležité je, že obě verze se mezi sebou dají snadno převádět a že obě mají svůj význam. Doufám, že po přečtení článku už je Vám celá problematika srozumitelnější. Pokud ano, pak náš článek ze série Pro začátečníky splnil svůj úkol a pomohl zdolat jedno z úskalí pronikání do kosmonautiky.

Zdroje informací:
http://mek.kosmo.cz/
https://cs.wikipedia.org/
https://en.wikipedia.org/
http://www.hvezdarna-vsetin.cz/
http://21stoleti.cz/

Zdroje obrázků:
https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/Images/specimp.gif
http://www.daviddarling.info/images2/specific_impulse_for_different_propulsion_systems.gif
http://www.braeunig.us/pics/Isp.gif
http://www.spg-corp.com/images/nytroxperformance_big.jpg