Carga útil

Carga útil es el objeto o la entidad que transporta una aeronave o un vehículo de lanzamiento. A veces, la carga útil también se refiere a la capacidad de carga de un avión o vehículo de lanzamiento, generalmente medido en términos de peso. Según la naturaleza del vuelo o la misión, la carga útil de un vehículo puede incluir carga, pasajeros, tripulación de vuelo, municiones, instrumentos o experimentos científicos u otro equipo. El combustible adicional, cuando se lleva opcionalmente, también se considera parte de la carga útil.

En un contexto comercial (es decir, una aerolínea o un transportista de carga aérea), la carga útil puede referirse solo a la carga que genera ingresos o a los pasajeros que pagan. Una carga útil de artillería transportada por un avión de combate a veces se denomina alternativamente como la carga de guerra de la aeronave.

Para un cohete, la carga útil puede ser un satélite, una sonda espacial o una nave espacial que transporte humanos, animales o carga. Para un misil balístico, la carga útil es una o más ojivas y sistemas relacionados; su peso total se denomina peso de lanzamiento.

La fracción de la carga útil respecto al peso total de despegue del avión o la nave espacial se conoce como "fracción de carga útil". Cuando el peso de la carga útil y el combustible se consideran juntos, se conoce como "fracción de carga útil". En naves espaciales, "fracción de masa" normalmente se utiliza, que es la relación entre la carga útil y todo lo demás, incluida la estructura del cohete.

Relación de alcance y carga útil

Existe una compensación natural entre la carga útil y el alcance de una aeronave. Un diagrama de rango de carga útil (también conocido como "gráfico de codo") ilustra la compensación.

La línea horizontal superior representa la carga útil máxima. Está limitado estructuralmente por el peso máximo de combustible cero (MZFW) de la aeronave. La carga útil máxima es la diferencia entre el peso máximo sin combustible y el peso vacío operativo (OEW). Moverse de izquierda a derecha a lo largo de la línea muestra la carga útil máxima constante a medida que aumenta el alcance. Se necesita agregar más combustible para una mayor autonomía.

La línea vertical representa el rango en el que el peso combinado de la aeronave, la carga útil máxima y el combustible necesario alcanza el peso máximo de despegue (MTOW) de la aeronave. Si el rango se aumenta más allá de ese punto, la carga útil debe sacrificarse por combustible.

El peso máximo de despegue está limitado por una combinación de la potencia neta máxima de los motores y la relación sustentación/resistencia de las alas. La línea diagonal después del punto de alcance en la carga útil máxima muestra cómo la reducción de la carga útil permite aumentar el combustible (y el alcance) al despegar con el peso máximo de despegue.

La segunda torcedura de la curva representa el punto en el que se alcanza la capacidad máxima de combustible. Volar más allá de ese punto significa que la carga útil debe reducirse aún más, para un aumento aún menor en el alcance. El rango absoluto es, por lo tanto, el rango en el que un avión puede volar con el máximo combustible posible sin llevar ninguna carga útil.

Ejemplos

Ejemplos de capacidad de carga útil:

• Antonov An-225 Mriya: 250.000 kg
• Saturno V:
  • Carga a bajo órbita terrestre 140.000 kg
  • Carga a órbita lunar 47.000 kg
• Transbordador espacial:
  • Carga a Baja Tierra Orbit (Notando el orbitador de 110.000 kg al servicio) 27.000 kg (53.700 libras)
  • Carga a órbita de transferencia geoestacionaria (No contando el orbitador de 110.000 kg atendido) 3,810 kg (8.390 lb)
• Tridente (misile): 2800 kg de peso
• Vehículos de transferencia automatizados
  • Carga de pago: 7.667 kg 8 racks con 2 x 0.314 m³ y 2 x 0.414 m³
  • Envelope: cada 1.146 m³ frente a 4 de estos 8 racks
  • Masa de carga: carga seca: 1.500 - 5.500 kg
  • Agua: 0 – 840 kg
  • Gas (Nitrógeno, oxígeno, aire, 2 gases/luz): 0 – 100 kg
  • ISS Propulsor de reabastecimiento: 0 – 860 kg (306 kg de combustible, 554 kg de óxido)
  • ISS re-boost and attitude control propellant: 0 - 4.700 kg
  • Capacidad total de carga: 7.667 kg

Capacidad estructural

Para las aeronaves, el peso del combustible en los tanques de las alas no contribuye tan significativamente al momento de flexión del ala como lo hace el peso en el fuselaje. Entonces, incluso cuando el avión ha sido cargado con su carga útil máxima que las alas pueden soportar, aún puede transportar una cantidad significativa de combustible.

Restricciones de carga útil

Los sistemas de lanzamiento y transporte difieren no solo en la carga útil que se puede transportar, sino también en las tensiones y otros factores que se aplican a la carga útil. La carga útil no solo debe elevarse hasta su objetivo, sino que también debe llegar de manera segura, ya sea en otro lugar de la superficie de la Tierra o en una órbita específica. Para garantizar esto, la carga útil, como una ojiva o un satélite, está diseñada para soportar ciertas cantidades de varios tipos de "castigo" camino a su destino. La mayoría de las cargas útiles de los cohetes se instalan dentro de un carenado de carga útil para protegerlas contra la presión dinámica del viaje a alta velocidad a través de la atmósfera y para mejorar la aerodinámica general del vehículo de lanzamiento. La mayoría de las cargas útiles de los aviones se transportan dentro del fuselaje por razones similares. La carga de gran tamaño puede requerir un fuselaje con proporciones inusuales, como el Super Guppy.

Las diversas restricciones impuestas al sistema de lanzamiento se pueden clasificar aproximadamente en aquellas que causan daño físico a la carga útil y aquellas que pueden dañar su estructura electrónica o química. Los ejemplos de daño físico incluyen aceleraciones extremas en escalas de tiempo cortas causadas por sacudidas u oscilaciones atmosféricas, aceleraciones extremas en escalas de tiempo más largas causadas por el empuje del cohete y la gravedad, y cambios repentinos en la magnitud o dirección de la aceleración causados por la rapidez con la que se aceleran los motores y apagado, etc. Las cargas útiles eléctricas, químicas o biológicas pueden dañarse por temperaturas extremas (calientes o frías), cambios rápidos de temperatura o presión, contacto con corrientes de aire en movimiento rápido que causan ionización y exposición a la radiación de los rayos cósmicos, el van Allen cinturón o viento solar.