Скорость выхода сжатого газа в вакуум

Зависит ли от давления скорость истечения сжатого газа через узкое сопло в вакуум?

Я задал вопрос на Space.SE относительно использования газа при экстремальном давлении для движения. Моя идея заключалась в том, что чем выше давление газа, тем выше будет достигнут удельный импульс, потому что это увеличит скорость вылетающих частиц.

В ответе цитируется статья «Choked Flow» , в которой утверждается, что скорость выхлопа ракеты ограничена скоростью звука. Ответ подвергся критике, так как связанная статья дает только случай атмосферного давления с одной стороны и вакуума с другой, где это применимо, и мой вопрос касался более высоких давлений.

Мне тоже трудно принять этот ответ, потому что скорость звука должна быть относительно среды; второй пилот сверхзвукового самолета все еще может общаться с пилотом, потому что воздух, заключенный в кабине, движется вместе с ними. Итак, в длинной трубе скорость звука в декомпрессионном газе должна быть относительно локальной скорости газа. Тем не менее, у меня нет надежного фона или источника, чтобы подтвердить это - отсюда и вопрос. Скорость по-прежнему ограничена скоростью звука в случае очень высокого давления? Если да, то какой эффект ограничивает его?

Я согласен, что ответы «скорость звука» не очень удовлетворительны. Продолжить ускорение газа при достижении звукового барьера достаточно сложно, но возможно. Поток газа, выходящий из (стационарного) реактивного двигателя, может быть сверхзвуковым.

Ответы (3)

Простая оценка: уравнение Бернулли утверждает, что вдоль линии тока

1 2 в 2 + ж р "=" с о н с т ,
где р массовая плотность и ж "=" Е + п это энтальпия. Для идеального газа Е "=" ( 3 / 2 ) п и ж "=" ( 5 / 2 ) п . Ясно, что если вы начнете внутри контейнера с в "=" 0 и п "=" п 0 конечная скорость будет пропорциональна п 0 . Действительно, для идеального газа в ∼ ( 5 Т ) / ( 2 м ) , что больше (но не параметрически больше) скорости звука с с ∼ ( 5 Т ) / ( 3 м ) .

Я бы сказал, что скорость газа, уходящего в вакуум, соответствует температуре газа. Что происходит, так это то, что вы удаляете только одну стенку (коробки), и молекулы газа, которые отскакивают от (удаленной) стенки, просто начинают свободно улетучиваться. Со скоростью, заданной к Т . Однако противоположная стена все еще чувствует давление газа.

Отсюда видно, что нет зависимости скорости молекулы от давления газа, если он находится при одной и той же температуре. Однако вы начинаете высвобождать больше молекул за раз (поскольку они более плотные) и таким образом генерируете больший импульс.

Это было бы только в том случае, если бы газ был очень разреженным, чтобы молекулы не разлетались друг на друга. В обычных условиях газ ведет себя как жидкость, он ускоряется в макроскопическом смысле пропорционально градиенту давления.

Скорость сжатого газа в упрощенной модели не зависит от давления, она зависит от температуры. Однако более высокое давление будет означать большее количество частиц, проходящих через носик, и, следовательно, большую тягу.

Скорость выхода сжатого газа в вакуум
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v