fracción de masa del propulsor

En ingeniería aeroespacial , la fracción de masa del propulsor es la porción de la masa de un vehículo que no llega a su destino, y se utiliza habitualmente como medida de su rendimiento. En otras palabras, la fracción de masa del propulsor es la relación entre la masa del propulsor y la masa inicial del vehículo. En una nave espacial, el destino suele ser una órbita, mientras que en una aeronave es su lugar de aterrizaje. Una mayor fracción de masa representa un menor peso en el diseño. Otra medida relacionada es la fracción de carga útil , que es la fracción del peso inicial que corresponde a la carga útil. Se puede aplicar a un vehículo, a una etapa de un vehículo o a un sistema de propulsión de cohete.

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

• ${\displaystyle \zeta }$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 propulsora
• ${\displaystyle m_{\text{f}}}$es la masa final del vehículo

En los cohetes para una órbita objetivo determinada , la fracción de masa del cohete es la porción de la masa del cohete antes del lanzamiento (con combustible completo) que no llega a la órbita. La fracción de masa del propulsor es la relación entre el propulsor y la masa total del vehículo en el despegue (propulsor más masa en seco). En el caso 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 total de la nave espacial. 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 desprenden durante el trayecto. Las fracciones de masa del propulsor suelen estar entre 0,8 y 0,9.

En las aeronaves, la fracción de masa está relacionada con el alcance; una aeronave con una fracción de masa mayor puede volar más lejos. Las fracciones de masa de las aeronaves suelen rondar el 0,5.

Cuando se aplica a un cohete en su conjunto, una fracción de masa baja es deseable, ya que indica una mayor capacidad del cohete para entregar carga útil a órbita con una cantidad determinada 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 de propulsor más alta corresponde a un diseño más eficiente, ya que hay menos masa no propulsora. Sin la ventaja de la separación por etapas, los diseños de SSTO suelen diseñarse para fracciones de masa cercanas a 0,9. La separación por etapas aumenta la fracción de carga útil , lo 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 momento del despegue: 1.708.500  kg
• Peso en seco al 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${\displaystyle m_{\text{f}}/m_{0}}$es la relación entre la masa final y la masa inicial (es decir, uno menos la fracción de masa),${\displaystyle \Delta v}$es el cambio en la velocidad del vehículo como resultado de la combustión del combustible y${\displaystyle v_{\text{e}}}$es la velocidad de escape efectiva (ver más abajo).

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 propulsado desde la órbita en 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 masas