Введение
Грузоподъемность транспортного средства
Полезная нагрузка — это объект или сущность, перевозимая воздушным судном или ракетой-носителем. Иногда под полезной нагрузкой также понимают грузоподъемность воздушного судна или ракеты-носителя, обычно измеряемую в единицах веса. В зависимости от характера полета или миссии, полезная нагрузка транспортного средства может включать груз, пассажиров, экипаж, вооружение, научные приборы или эксперименты, или другое оборудование. Дополнительное топливо, при его наличии, также рассматривается как часть полезной нагрузки. В коммерческом контексте (например, в авиакомпании или грузовой авиаперевозке) под полезной нагрузкой могут подразумеваться только грузы, приносящие доход, или платящие пассажиры. Полезная нагрузка, состоящая из вооружения, перевозимого боевым самолетом, иногда называется боевой нагрузкой самолета. Для ракеты полезной нагрузкой может быть спутник, космический зонд или космический корабль, перевозящий людей, животных или груз. Для баллистической ракеты полезной нагрузкой являются одна или несколько боеголовок и сопутствующие системы; их общий вес называется метательной массой. Отношение массы полезной нагрузки к общей взлетной массе воздушного или космического аппарата известно как "доля полезной нагрузки". Если вес полезной нагрузки и топлива рассматривается вместе, это называется "долей полезного груза". В космических аппаратах обычно используется термин "массовая доля", который представляет собой отношение массы полезной нагрузки ко всей остальной массе, включая конструкцию ракеты.
Отношение дальности и полезной нагрузки
Существует естественный компромисс между полезной нагрузкой и дальностью полета самолета. Диаграмма зависимости дальности от полезной нагрузки (также известная как "диаграмма локтя") иллюстрирует этот компромисс. Верхняя горизонтальная линия представляет максимальную полезную нагрузку, которая структурно ограничена максимальной взлетной массой без топлива (MZFW) самолета. Максимальная полезная нагрузка – это разница между максимальной взлетной массой без топлива и эксплуатационной пустой массой (OEW). Движение слева направо вдоль этой линии показывает постоянную максимальную полезную нагрузку при увеличении дальности. Для большей дальности требуется больше топлива. Вертикальная линия обозначает дальность, при которой суммарная масса самолета, максимальной полезной нагрузки и необходимого топлива достигает максимальной взлетной массы (MTOW) самолета. При увеличении дальности сверх этой точки, полезная нагрузка уменьшается в пользу топлива. Максимальная взлетная масса ограничена сочетанием максимальной тяги двигателей и аэродинамического качества крыла. Диагональная линия, идущая после точки максимальной полезной нагрузки, показывает, как уменьшение полезной нагрузки позволяет увеличить запас топлива (и дальность) при взлете с максимальной взлетной массой. Второй изгиб на кривой соответствует точке достижения максимальной топливной емкости. Полет на большее расстояние, чем эта точка, требует дальнейшего уменьшения полезной нагрузки, при еще меньшем увеличении дальности. Таким образом, абсолютная дальность – это дальность, на которой самолет может лететь с максимальным запасом топлива, не неся полезной нагрузки.
Структурная способность
Для воздушных судов вес топлива в крыльевых баках оказывает менее существенное влияние на изгибающий момент крыла, чем вес в фюзеляже. Поэтому даже при максимальной загрузке самолета полезной нагрузкой, допустимой для крыльев, он все еще может перевозить значительный запас топлива.
Ограничения полезной нагрузки
Система запуска и транспортировки различается не только по полезной нагрузке, которую она может нести, но и по напряжениям и другим факторам, воздействующим на неё. Полезная нагрузка должна не только быть доставлена к цели, но и прибыть туда в целости и сохранности, будь то другая точка на поверхности Земли или заданная орбита. Для этого полезная нагрузка, такая как боеголовка или спутник, проектируется с учётом способности выдерживать определённый уровень различных видов воздействия на пути к месту назначения. Большинство ракетных полезных нагрузок размещаются внутри обтекателя для защиты от динамического давления при движении на высокой скорости в атмосфере и для улучшения общей аэродинамики ракеты-носителя. Большинство авиационных полезных грузов перевозятся внутри фюзеляжа по аналогичным причинам. Для крупногабаритных грузов может потребоваться фюзеляж необычных пропорций, например, как у самолета Super Guppy. Различные ограничения, налагаемые на систему запуска, можно условно разделить на те, которые могут привести к физическим повреждениям полезной нагрузки, и те, которые могут повредить её электронные или химические компоненты. Примеры физических повреждений включают в себя экстремальные перегрузки за короткие промежутки времени, вызванные атмосферными возмущениями или колебаниями, экстремальные перегрузки за более длительные промежутки времени, вызванные тягой ракетного двигателя и гравитацией, а также резкие изменения величины или направления перегрузки, обусловленные скоростью изменения тяги и выключения двигателей. Электронные, химические или биологические полезные нагрузки могут быть повреждены экстремальными температурами (высокими или низкими), резкими изменениями температуры или давления, контактом с быстродвижущимися потоками воздуха, вызывающими ионизацию, и воздействием радиации от космических лучей, радиационных поясов Ван Аллена или солнечного ветра.