Fracción de masa del propulsor

Parte de una serie sobre
Astrodinámica
Mecánica orbital
Elementos orbitales Ápside Argumento de periapsis Excentricidad Inclinación Anomalía media Nodos orbitales Semieje mayor Verdadera anomalía
Tipos de órbitas de dos cuerpos según excentricidad Órbita circular Órbita elíptica Órbita de transferencia ( órbita de transferencia de Hohmann Órbita de transferencia bielíptica ) Órbita parabólica Órbita hiperbólica Órbita radial Órbita en decadencia
Ecuaciones Fricción dinámica Velocidad de escape Ecuación de Kepler Leyes de Kepler sobre el movimiento planetario Periodo orbital Velocidad orbital Gravedad superficial Energía orbital específica Ecuación vis-viva
Mecánica celeste
Influencias gravitacionales Baricentro Esfera de colina Perturbaciones Esfera de influencia
Órbitas de N cuerpos Puntos de Lagrangian ( Órbitas de halo ) Órbitas de Lissajous Órbitas de Lyapunov
Ingeniería y eficiencia
Ingeniería de pre-vuelo Relación de masa Fracción de carga útil Fracción de masa del propulsor Ecuación del cohete de Tsiolkovsky
Medidas de eficiencia Asistencia de gravedad Efecto Oberth
Maniobras propulsivas Maniobra orbital Inserción en órbita
en a mi

En ingeniería aeroespacial , la fracción de masa de propulsor es la parte de la masa de un vehículo que no llega al destino, generalmente utilizada como una medida del rendimiento del vehículo. En otras palabras, la fracción de masa de propulsor es la relación entre la masa de propulsor y la masa inicial del vehículo. En una nave espacial, el destino suele ser una órbita, mientras que para las aeronaves es su lugar de aterrizaje. Una fracción de masa más alta representa un menor peso en un diseño. Otra medida relacionada es la fracción de carga útil , que es la fracción del peso inicial que es carga útil. Se puede aplicar a un vehículo, a una etapa de un vehículo o a un sistema de propulsión de cohetes.

La fracción de masa del propulsor viene dada por: donde:$${\displaystyle {\begin{aligned}\zeta &={\frac {m_{\text{p}}}{m_{0}}}\\[3pt]&={\frac {m_{0}-m_{\text{f}}}{m_{0}}}={\frac {m_{\text{p}}}{m_{\text{p}}+m_{\text{f}}}}\\&=1-{\frac {m_{\text{f}}}{m_{0}}}\end{aligned}}}$$

• ${\displaystyle \zeta }$es la fracción de masa del propulsor
• ${\displaystyle m_{0}=m_{\text{f}}+m_{\text{p}}}$es la masa inicial del vehículo
• ${\displaystyle m_{\text{p}}}$es la masa del propulsor
• ${\displaystyle m_{\text{f}}}$es la masa final del vehículo

En los cohetes para una órbita objetivo determinada , la fracción de masa de un cohete es la parte de la masa del cohete antes del lanzamiento (completamente cargado de combustible) que no alcanza la órbita. La fracción de masa del propulsor es la relación entre solo el propulsor y la masa total del vehículo en el despegue (propulsor más masa seca). En los casos de un vehículo de una sola etapa a órbita (SSTO) o un vehículo suborbital, la fracción de masa es igual a la fracción de masa del propulsor, que es simplemente la masa del combustible dividida por la masa de la nave espacial completa. Un cohete que emplea etapas , que son los únicos diseños que han alcanzado la órbita, tiene una fracción de masa mayor que la fracción de masa del propulsor porque partes del propio cohete se dejan caer en el camino. Las fracciones de masa del propulsor suelen rondar entre 0,8 y 0,9.

En los aviones, la fracción de masa está relacionada con el alcance: un avión con una fracción de masa más alta puede llegar más lejos. Las fracciones de masa de los aviones suelen rondar el 0,5.

Cuando se aplica a un cohete en su conjunto, es deseable una fracción de masa baja, ya que indica una mayor capacidad del cohete para entregar carga útil a la órbita para una cantidad dada de combustible. Por el contrario, cuando se aplica a una sola etapa, donde el cálculo de la fracción de masa del propulsor no incluye la carga útil, una fracción de masa del propulsor más alta corresponde a un diseño más eficiente, ya que hay menos masa no propulsora. Sin el beneficio de la etapa de estadificación, los diseños de SSTO generalmente se diseñan para fracciones de masa de alrededor de 0,9. La etapa de estadificación aumenta la fracción de carga útil , que es una de las razones por las que los SSTO parecen difíciles de construir.

Por ejemplo, el sistema completo del transbordador espacial tiene: ^[1]

• Peso con combustible en el despegue: 1.708.500 kg
• Peso seco en el despegue: 342.100 kg

Dados estos números, la fracción de masa del propulsor es .${\displaystyle 1-(342,100{\text{ kg}}/1,708,500{\text{ kg}})=0.7998}$

La fracción de masa juega un papel importante en la ecuación del cohete :

${\displaystyle \Delta v=-v_{\text{e}}\ln {\frac {m_{\text{f}}}{m_{0}}}}$

¿Dónde está la relación entre la masa final y la masa inicial (es decir, uno menos la fracción de masa), es el cambio en la velocidad del vehículo como resultado del consumo de combustible y es la velocidad de escape efectiva (ver a continuación)?${\displaystyle m_{\text{f}}/m_{0}}$${\displaystyle \Delta v}$${\displaystyle v_{\text{e}}}$

El término velocidad de escape efectiva se define como:

${\displaystyle v_{\text{e}}=g_{\text{n}}I_{\text{sp}}}$

donde I _sp es el impulso específico del combustible en segundos y g _n es la aceleración estándar de la gravedad (tenga en cuenta que esta no es la aceleración local de la gravedad).

Para realizar un aterrizaje con motor desde la órbita de un cuerpo celeste sin atmósfera se requiere la misma reducción de masa que para alcanzar la órbita desde su superficie, si la velocidad a la que se alcanza la superficie es cero.

• Fracción de combustible
• Relación de masa