Specifieke impuls (Isp) — definitie en uitleg van raketmotorprestaties
Leer wat specifieke impuls (Isp) betekent: definitie, werking en invloed op raketmotorprestaties. Vergelijk motoren en brandstofefficiëntie eenvoudig.
Een specifieke impuls (vaak afgekort tot Isp) is een maat voor hoe efficiënt een raket of straalmotor zijn brandstof omzet in stuwkracht. Technisch gezien geeft Isp de hoeveelheid stuwkracht die je krijgt per eenheid massa brandstof per seconde — of eenvoudiger: hoe veel "impuls" je uit een kilogram brandstof haalt. Een hoge specifieke impuls betekent dat een motor zuiniger met brandstof omgaat en dus minder massa in brandstof hoeft te stoppen om dezelfde verandering in snelheid (delta-v) te bereiken. Om Isp te gebruiken voor vergelijkingen moet je weten onder welke omstandigheden (bijv. zeeniveau of vacuüm) en met welke brandstof de waarde is gemeten.
Een goede manier om Isp te zien is als het brandstofverbruik van een voertuig: vergelijkbaar met mijl per gallon of liters per 100 kilometer bij auto's. Een motor met hogere specifieke impuls benut dezelfde hoeveelheid brandstof beter en levert dus meer delta‑v per kilogram verbruikte propellant. Daardoor kan een raket met hogere Isp voor dezelfde totale massa verder vliegen of dezelfde baan bereiken met minder brandstof.
Let op dat een raketmotor met een hogere specifieke impuls niet per se 'krachtiger' (meer directe stuwkracht) is. Motoren met extreem hoge Isp, zoals ionen- of andere elektrische voortstuwingssystemen, produceren vaak relatief weinig stuwkracht maar kunnen die stuwkracht lange tijd volhouden terwijl ze zeer zuinig met propellant omgaan. Chemische raketmotoren leveren meestal veel grotere stuwkracht (hoge thrust) maar hebben een lagere Isp. In een vergelijking tussen twee raketten met dezelfde hoeveelheid brandstof kan de ene met hoge stuwkracht sneller wegsnellen, maar zodra die zijn brandstof op heeft stopt de versnelling; de zuinigere raket met hogere Isp kan langer blijven versnellen en bij voldoende afstand uiteindelijk vóór de andere eindigen.
Definitie, formule en eenheden
De meest gebruikte definitie in de praktijk is:
- Isp (in seconden) = Thrust / (massastroom van de propellant × g0)
- waarbij g0 de standaard zwaartekracht is, g0 = 9,80665 m/s².
Uit deze definitie volgt de relatie met de effectieve uitlaatvelociteit ve:
- ve (m/s) = Isp (s) × g0
Soms wordt in plaats van seconden de specifieke impuls ook uitgedrukt als effectieve uitlaatvelociteit (m/s) of als N·s/kg (die getallen zijn equivalent aan ve). De gebruikelijke en overzichtelijke eenheid in rakettechniek is echter seconden, omdat die direct laat zien hoe lang 1 kg brandstof één kilogram stuwkracht kan leveren in termen van 'seconden impuls per kilogram'.
Raketvergelijking en betekenis voor delta-v
De invloed van Isp op de bruikbare snelheidstoename van een raket wordt gegeven door de Tsiolkovsky raketvergelijking:
delta-v = ve × ln(m0 / mf) = g0 × Isp × ln(m0 / mf)
waarbij m0 de beginmassa (incl. brandstof) is en mf de eindmassa (zonder verbruikte brandstof). Deze formule maakt duidelijk dat een hogere Isp lineair bijdraagt aan de beschikbare delta-v voor een gegeven massa‑verhouding.
Typische waarden en voorbeelden
- Chemische raketten (vloeibare brandstof, bijvoorbeeld LOX/LH2): Isp in vacuüm ~ 420–460 s (onder gunstige omstandigheden).
- Kerndraketmotoren en vaste brandstofmotoren: typisch ~ 200–350 s.
- Hypergolische motoren (bv. hydrazine + dinitrogen tetroxide): ~ 300 s.
- Elektrische voortstuwing (ion-, Hall- of plasmamotoren): Isp kan variëren van enkele honderden tot duizenden seconden (sommige ionenmotoren bereiken 2000–10.000 s, afhankelijk van ontwerp en vermogen).
Praktisch voorbeeld: een motor met Isp = 450 s heeft ve ≈ 450 × 9,80665 ≈ 4413 m/s. Dat betekent dat elke kilogram propellant theoretisch een impuls kan leveren gelijk aan 4413 N·s (zonder rekening te houden met andere verliezen).
Beperkingen en ontwerpsoverwegingen
- Thuust versus Isp: hogere Isp betekent niet automatisch hogere stuwkracht; elektrische motoren hebben vaak hoge Isp maar lage thrust, chemische motoren leveren veel thrust bij lagere Isp.
- Omgevingsafhankelijke waarden: Isp verschilt tussen zeeniveau en vacuüm; nozzles en atmosferische druk beïnvloeden de effectieve Isp.
- Complexiteit en massa: motoren met hoge Isp (bv. cryogene of elektrische systemen) vereisen vaak extra systemen (koeling, tanks, stroombronnen), wat de droge massa verhoogt en de praktische winst kan beperken.
- Opslag en dichtheid: sommige propellanten met hoge Isp (zoals vloeibare waterstof) zijn licht en nemen veel volume in, wat tankmassa en isolatiekosten verhoogt.
- Vermogensbeperking: elektrische voortstuwing vereist energie (zonnesegens of nucleair) om hoge Isp te halen; beschikbaar vermogen beperkt haalbare thrust en dus manouvreersnelheid.
Toepassing in missiedesign
Ontwerpers gebruiken Isp om missionele keuzes te maken: welke combinatie van brandstof en motor levert de gewenste delta-v, bij welke massa en binnen de technische grenzen (vermogen, structuur, thermiek)? Isp is daarom een van de centrale parameters bij het kiezen van stages, impuls- of retromanoeuvres en bij het optimaliseren van satellietmanoeuvres of interplanetaire trajecten.
Samengevat: specifieke impuls (Isp) is een maat voor brandstofefficiëntie van een voortstuwingssysteem. Hoe hoger de Isp, hoe meer delta-v je per kilogram brandstof krijgt — maar hogere Isp brengt vaak ontwerp- en operationele compromissen met zich mee, zoals lagere directe stuwkracht of complexere hardware.
Een figuur die de kracht van een Estes A10-PT raketmotor toont over ongeveer 1 seconde. Er is ook informatie over de impuls, de hoeveelheid brandstof en de specifieke impuls.
Metingen
Er zijn twee manieren waarop mensen het nummer vinden voor specifieke impulsen. Om de specifieke impuls te vinden, deelt men de impuls door de hoeveelheid brandstof. Impuls is een meting van hoeveel kracht een raketmotor maakt en voor hoe lang. Een motor die lange tijd een lage kracht uitoefent kan soms een hogere impuls hebben dan een motor die korte tijd een hoge kracht uitoefent. Impuls wordt gemeten in Newtons maal seconden (N*s).
De hoeveelheid brandstof die wordt gebruikt om een specifieke impuls te vinden, kan op verschillende manieren worden gemeten. Soms wordt het gemeten in massa en soms in gewicht. Wanneer de hoeveelheid brandstof wordt gemeten in massa, wordt de specifieke impuls uitgedrukt in een snelheid. Dit is meestal in meters per seconde. Wanneer een specifieke impuls als snelheid wordt gemeten, heeft deze een andere naam. Het wordt ook wel de effectieve uitlaatsnelheid genoemd. De andere manier om de hoeveelheid brandstof te meten is gewicht. Als het gewicht wordt gebruikt, is de specifieke impuls in eenheden van tijd, meestal in seconden. Deze twee manieren zijn beide gebruikelijk. Ze vergelijken beide de prestaties van motoren.
Wanneer de specifieke impuls hoger is, is er minder brandstof nodig om de raket op een bepaald niveau te laten presteren. Een brandstof is dus efficiënter als de specifieke impuls hoger is.
Wees voorzichtig om stuwkracht en specifieke impulsen niet te verwarren. Stuwkracht is slechts de kracht die een raket op een bepaald moment uitoefent. De specifieke impuls is een maat voor de kracht op basis van de hoeveelheid brandstof die er is.
Wanneer mensen een specifieke impuls vinden, zit de enige brandstof die geteld wordt in de raket voordat deze wordt afgevuurd. Dit is inclusief de brandstof en de oxidator (het deel van de brandstof dat de brandstof helpt verbranden). De oxidator is soms zuurstof, of vaak iets anders (zie Raketmotor#Vloeistoffen, vaste stoffen en hybriden).
Voorbeelden
| Specifieke impulsen van verschillende manieren om een raket te duwen | |||
| Motor | Effectieve uitlaatsnelheid | Specifieke | Energie per kg uitlaat |
| Turbofan straalmotor | 29,000 | 3,000 | ~0.05 |
| Vaste brandstof raket | 2,500 | 250 | 3 |
| Vloeibare brandstof raket | 4,400 | 450 | 9.7 |
| Ionschroef | 29,000 | 3,000 | 430 |
| Elektrostatische Ionschroef met dubbele fase vier | 210,000 | 21,400 | 22,500 |
| VASIMR | 30,000-120,000 | 3,000-12,000 | 1,400 |
Straalmotoren (vliegtuigmotoren) gebruiken beter brandstof dan raketmotoren. Dit komt omdat de gassen niet zo snel ontsnappen. Omdat ze minder snel ontsnappen, neemt de uitlaat minder energie mee. Dit betekent dat de straalmotor veel minder energie gebruikt om de straal te duwen. Het komt ook omdat de lucht die door de motor gaat terwijl de straaljager door de lucht vliegt, de brandstof sneller doet verbranden.
Modelrakettechniek
Specifieke impulsen worden ook gebruikt om te beschrijven hoe goed modelbouwraketmotoren werken. In de tabel hieronder staan enkele van Estes' geclaimde waarden voor specifieke impulsen voor verschillende van hun raketmotoren: Estes Industries is een grote, bekende Amerikaanse verkoper van modelbouwraketten en raketonderdelen. De specifieke impuls voor modelbouwraketmotoren is veel lager dan voor veel andere raketmotoren omdat het zwart buskruit als brandstof wordt gebruikt. Zwarte kruit wordt gebruikt in modelbouwraketmotoren omdat het minder kost.
| Motor | Totale impuls (Ns) | Brandstofgewicht (N) | Specifieke impulsen |
| Estes A10-3T | 2.5 | .0370 | 67.49 |
| Schat A8-3 | 2.5 | .0306 | 81.76 |
| Estes B4-2 | 5.0 | .0816 | 61.25 |
| Schat B6-4 | 5.0 | .0612 | 81.76 |
| Schat C6-3 | 10 | .1223 | 81.76 |
| Schat C11-5 | 10 | .1078 | 92.76 |
| Schat D12-3 | 20 | .2443 | 81.86 |
| Schat E9-6 | 30 | .3508 | 85.51 |
| Specifieke impulsen voor verschillende Estes-raketmotoren. | |||
Grotere raketmotoren
Hier zijn enkele voorbeeldnummers voor grotere raketmotoren:
| Type motor | Voorbeeld Gebruik | Specifieke impulsen | Effectieve uitlaatsnelheid (m/s) |
| NK-33-raketmotor | Vacuüm | 331 | 3,240 |
| SSME-raketmotor | Ruimteveer vacuüm | 453 | 4,423 |
| Ramjet | Mach 1 | 800 | 7,877 |
| J-58 turbojet | SR-71 bij Mach 3.2 (Nat) | 1,900 | 18,587 |
| Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 | Concorde Mach 2 cruise (Droog) | 3,012 | 29,553 |
| CF6-80C2B1F turbofan | Boeing 747-400 cruise | 5,950 | 58,400 |
| Algemeen Elektrische CF6 turbofan | Zeespiegel | 11,700 | 115,000 |
| Specifieke impulsen en effectieve uitlaatsnelheidsaantallen voor een paar grotere raketmotoren. | |||
Eenheden
| Specifieke impuls | Specifieke impuls | Effectieve uitlaatsnelheid | Specifiek brandstofverbruik | |
| SI | =X seconden | =9,8066 X N-s/kg | =9,8066 X m/s | =(101,972/X) g/kN-s |
| Engelse eenheden | =X seconden | =X lbf-s/lb | =32,16 X ft/s | =(3.600/X) lb/lbf-h |
| Engelse en SI (Metrisch systeem) eenheden voor verschillende prestatiemetingen van raketmotoren. | ||||
De meest gebruikelijke manier om een specifieke impuls te meten is vandaag de dag in seconden. Dit wordt zowel gebruikt in de SI-wereld (metrisch stelsel) als daar waar Engelse eenheden worden gebruikt. Op deze manier zijn de eenheden overal identiek. Dit betekent dat specifieke impulsen kunnen worden gebruikt om de motorprestaties in elk land te vergelijken. De meeste bedrijven die raketmotoren of straalmotoren maken, gebruiken seconden om de prestaties van hun product te adverteren.
De andere gangbare manier om specifieke impulsen te meten is in meters per seconde (m/s), wat ook wel effectieve uitlaatsnelheid wordt genoemd. Voor veel motoren is de effectieve uitlaatsnelheid anders dan de snelheid waarmee de gassen daadwerkelijk uit het mondstuk komen.
Gerelateerde pagina's
- Straalmotor
- Impuls (fysica) - de verandering in het momentum
Vragen en antwoorden
V: Wat is specifieke impuls?
A: Specifieke impuls (vaak afgekort tot Isp) is een manier om te beschrijven hoe goed een raket of straalmotor presteert. Het kan worden gebruikt om raketten van verschillende grootte te vergelijken en de hoeveelheid kracht te meten die een motor levert voor elk beetje brandstof.
V: Hoe wordt de specifieke impuls gemeten?
A: De specifieke impuls wordt gemeten door te weten hoeveel brandstof er in de motor zit en te berekenen hoeveel kracht de motor produceert voor die hoeveelheid brandstof.
V: Wat betekent een hoge specifieke impuls?
A: Een hoge specifieke impuls betekent dat een raket minder brandstof nodig heeft om even goed te presteren, en dus efficiënter met brandstof omgaat dan een raket met een lagere specifieke impuls.
V: Hoe kunnen wij specifieke impuls gebruiken om motoren te vergelijken?
A: De specifieke impuls kan worden gebruikt zoals mijlen per gallon of liters per 100 kilometer worden gebruikt om auto's te vergelijken, zodat wij raket- of straalmotoren kunnen vergelijken op basis van hun efficiëntie.
V: Betekent een hogere specifieke impuls dat een motor "krachtiger" is?
A: Nee, een hogere specifieke impuls betekent niet noodzakelijk dat een motor "krachtiger" is. In feite zijn de ontwerpen voor motoren met de hoogste specifieke impulsen meestal de zwakste in termen van acceleratievermogen.
V: Hoe kunnen twee raketten met verschillende motoren maar met dezelfde hoeveelheid brandstof tegen elkaar racen?
A: In een race tussen twee raketten met dezelfde hoeveelheid brandstof en twee verschillende motoren, zal de raket met de krachtigste motor een vroege voorsprong nemen, maar wanneer hij al zijn brandstof opbrandt, zal de raket met de hogere specifieke impuls nog wat brandstof over hebben en blijven versnellen tot hij uiteindelijk zijn tegenhanger inhaalt als er genoeg afstand is om zijn voordeel op lange termijn te gebruiken.
Zoek in de encyclopedie