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유상 하중비

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목차

1. 개요

유상 하중비는 로켓의 총 질량과 탑재체 질량 간의 관계를 나타내는 지표이다. 이 비율은 로켓의 성능을 평가하는 데 중요한 요소이며, 다양한 발사체의 질량비와 탑재체 분율을 비교하여 분석할 수 있다. 연료 분율 및 탑재체 분율과 밀접한 관련이 있으며, 발사체의 구조 및 연료 효율성을 나타낸다.

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유상 하중비
개요
유상 하중비 (Payload Fraction)항공기나 우주선의 총 이륙 중량 대비 유상 하중의 비율을 나타내는 척도
설명유상 하중비는 항공기나 우주선의 효율성을 나타내는 중요한 지표 중 하나이며, 높을수록 더 효율적인 설계로 간주됨.
계산유상 하중비 = (유상 하중) / (총 이륙 중량)
활용항공기 및 우주선 설계, 운영 비용 분석, 성능 비교 등에 활용
항공기 유상 하중비
일반적인 값여객기: 0.2 ~ 0.3
화물기: 0.3 ~ 0.4
영향 요인항공기 종류
설계
운용 조건
우주선 유상 하중비
일반적인 값매우 낮음 (대략 0.01 ~ 0.05)
이유지구 중력 극복을 위한 추진 시스템의 높은 중량
극저온 연료 사용으로 인한 추가적인 단열 및 구조 보강 필요
중요 고려 사항우주 발사체의 경우 유상 하중비를 극대화하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 다양한 기술적 노력이 이루어짐.
유상 하중비 극대화를 위한 노력
항공기경량 소재 사용
공기역학적 설계 최적화
고효율 엔진 개발
우주선다단 로켓 기술
고성능 추진 시스템 개발
경량화 소재 적용
같이 보기
관련 항목추력대중량비
델타-v
오버
참고 자료
참고 문헌(미국 항공우주국) NASA의 유상 하중 정보 페이지 NASA 웹사이트
항공 우주 공학 관련 교재

2. 질량비 공식

Mass ratio영어 공식은 다음과 같다.

: \text{로켓의 총 질량 : 페이로드의 질량}

3. 질량비 예시

질량비는 로켓의 총 질량(페이로드를 포함한 질량)을 페이로드의 질량으로 나눈 값이다. 다양한 발사체의 질량비는 아래 표와 같다.

운송 수단이륙 질량저궤도(LEO)로의 탑재체 질량질량비탑재체 분율
팰컨 9 블록 5549054kg + 22800kg22800kg25.13.99%
프로톤-M705000kg + 23000kg23000kg31.73.16%
창정 3B/E458970kg + 11500kg11500kg40.92.44%
아리안 6860000kg + 21500kg21500kg41.02.44%
일렉트론13000kg + 300kg300kg44.32.26%
스페이스X 스타쉽200000kg + 5000000kg[1]200000kg263.85%
소유스-2.1b[2]312000kg + 8200kg8200kg40.02.50%
우주왕복선2030000kg27500kg73.81.35%
아폴로 17 새턴 V[3]2961860kgTLI까지 48609kg60.91.64%
아폴로 17 달 착륙선 하강 단계[3]약 16493.51kg약 4782.13kg (LLO에서 달)3.4529.0%
아폴로 17 달 착륙선 상승 단계[3]약 4782.13kg약 250.43kg (달에서 LLO까지)19.15.24%
V-2[4]12805kg1000kg (320km 거리 준궤도)12.87.81%


3. 1. 한국형 발사체

한국형 발사체인 누리호(KSLV-II)는 한국의 우주 개발 노력을 상징하는 중요한 프로젝트이다. 누리호 개발을 통해 한국은 독자적인 우주 발사체 기술을 확보하고 우주 강국으로 도약하기 위한 발판을 마련했다. 다만, 누리호의 정확한 유상 하중비 정보는 공개된 자료를 통해 확인해야 한다.

3. 2. 해외 발사체

운송 수단이륙 질량저궤도(LEO)로의 탑재체 질량질량비탑재체 분율
팰컨 9 블록 5549054kg + 22800kg22800kg25.13.99%
프로톤-M705000kg + 23000kg23000kg31.73.16%
창정 3B/E458970kg + 11500kg11500kg40.92.44%
아리안 6860000kg + 21500kg21500kg41.02.44%
일렉트론13000kg + 300kg300kg44.32.26%
스페이스X 스타쉽200000kg + 5000000kg[1]200000kg263.85%
소유스-2.1b[2]312000kg + 8200kg8200kg40.02.50%
우주왕복선2030000kg27500kg73.81.35%
아폴로 17 새턴 V[3]2961860kgTLI까지 48609kg60.91.64%
아폴로 17 달 착륙선 하강 단계[3]약 16493.51kg약 4782.13kg (LLO에서 달)3.4529.0%
아폴로 17 달 착륙선 상승 단계[3]약 4782.13kg약 250.43kg (달에서 LLO까지)19.15.24%
V-2[4]12805kg1000kg (320km 거리 준궤도)12.87.81%


4. 관련 개념

로켓의 총 질량과 페이로드(탑재체)의 질량 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:\text{ 로 켓 의 총 질 량 : 페 이 로 드 의 질 량 }

질량비와 밀접하게 관련된 개념으로는 연료 분율과 탑재체 분율이 있다.

4. 1. 연료 분율

항공 분야의 탑재체 분율과 연료 분율에 대해서는 연료 분율 문서를 참조하면 된다.

4. 2. 탑재체 분율

탑재체 분율은 로켓의 총 질량에서 탑재체가 차지하는 비율을 나타내는 값이다. 이 값은 로켓의 성능을 평가하는 중요한 지표 중 하나로 사용된다. 탑재체 분율은 다음과 같이 계산할 수 있다.

:\text{탑재체 분율} = \frac{\text{탑재체 질량}}{\text{로켓 총 질량}} \times 100\%

탑재체 분율은 질량비와 밀접한 관련이 있다. 질량비는 로켓의 총 질량과 추진제(연료와 산화제)를 제외한 건조 질량의 비율을 의미한다. 일반적으로 질량비가 높을수록 탑재체 분율은 낮아지는 경향이 있다. 즉, 로켓의 질량 대부분이 추진제에 사용될수록 탑재체에 할당되는 질량은 상대적으로 줄어들게 된다.

다음은 여러 로켓의 탑재체 분율을 나타낸 표이다.

운송 수단이륙 질량탑재체 질량탑재체 분율
팰컨 9 블록 5549054kg + 22800kg22800kg3.99%
프로톤-M705000kg + 23000kg23000kg3.16%
창정 3B/E458970kg + 11500kg11500kg2.44%
아리안 6860000kg + 21500kg21500kg2.44%
일렉트론13000kg + 300kg300kg2.26%
스페이스X 스타쉽200000kg + 5000000kg200000kg[1]3.85%
소유스-2.1b[2]312000kg + 8200kg8200kg2.50%
우주왕복선2030000kg27500kg1.35%
아폴로 17 새턴 V[3]2961860kgTLI까지 48609kg1.64%
아폴로 17 달 착륙선 하강 단계[3]약 16493.51kgLLO에서 달까지 약 4782.13kg29.0%
아폴로 17 달 착륙선 상승 단계[3]약 4782.13kg달에서 LLO까지 약 250.43kg5.24%
V-2[4]12805kg1000kg (320km 거리 준궤도)7.81%



위 표에서 볼 수 있듯이, 로켓마다 탑재체 분율은 큰 차이를 보인다. 이는 각 로켓의 설계, 목적, 사용되는 추진제의 종류 등에 따라 달라지기 때문이다.

참조

[1] 뉴스 Max Payload of Starship V1 https://twitter.com/[...] 2024-03-15
[2] 웹사이트 SOYUZ-2 Launch Vehicle / Power Characteristics http://en.samspace.r[...] JSC SRC Progress 2015-08-20
[3] PDF https://www.nasa.gov[...] 2024-08
[4] 웹사이트 Astronautix-V-2 http://www.astronaut[...]
[5] 문서 치올콥스키 로켓 방정식, 우주상수 등의 공식에 비해 쉬운 편에 속한다.


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