В аэрокосмической технике массовая доля топлива — это часть массы транспортного средства, которая не достигает пункта назначения, обычно используемая в качестве меры производительности транспортного средства. Другими словами, массовая доля топлива — это отношение массы топлива к начальной массе транспортного средства. В космическом корабле местом назначения обычно является орбита, в то время как для самолетов — это место посадки. Более высокая массовая доля соответствует меньшему весу в конструкции. Другой связанной мерой является доля полезной нагрузки , которая представляет собой долю начального веса, которая является полезной нагрузкой. Она может применяться к транспортному средству, ступени транспортного средства или к ракетной двигательной системе.
Массовая доля топлива определяется по формуле: где:
В ракетах для заданной целевой орбиты массовая доля ракеты — это часть массы ракеты перед запуском (полностью заправленной), которая не достигает орбиты. Массовая доля топлива — это отношение только топлива ко всей массе транспортного средства при взлете (топливо плюс сухая масса). В случае одноступенчатого орбитального (SSTO) транспортного средства или суборбитального транспортного средства массовая доля равна массовой доле топлива, которая представляет собой просто массу топлива, деленную на массу всего космического корабля. Ракета, использующая ступенчатую конструкцию , которая является единственной конструкцией, достигшей орбиты, имеет массовую долю выше массовой доли топлива, поскольку части самой ракеты сбрасываются по пути. Массовые доли топлива обычно составляют около 0,8–0,9.
В самолетах массовая доля связана с дальностью полета, самолет с большей массовой долей может лететь дальше. Массовая доля самолета обычно составляет около 0,5.
Применительно к ракете в целом низкая массовая доля желательна, поскольку она указывает на большую способность ракеты доставлять полезную нагрузку на орбиту при заданном количестве топлива. И наоборот, применительно к одной ступени, где расчет массовой доли топлива не включает полезную нагрузку, более высокая массовая доля топлива соответствует более эффективной конструкции, поскольку меньше нетопливная масса. Без преимущества ступеней конструкции SSTO обычно проектируются для массовых долей около 0,9. Ступени увеличивают долю полезной нагрузки , что является одной из причин, по которой SSTO кажутся сложными для строительства.
Например, полная система Space Shuttle имеет: [1]
Учитывая эти цифры, массовая доля топлива составляет .
Массовая доля играет важную роль в уравнении ракеты :
Где — отношение конечной массы к начальной массе (т.е. единица минус массовая доля), — изменение скорости транспортного средства в результате сжигания топлива, — эффективная скорость истечения газа (см. ниже).
Термин «эффективная скорость истечения» определяется как:
где I sp — удельный импульс топлива в секундах, а g n — стандартное ускорение свободного падения (обратите внимание, что это не локальное ускорение свободного падения).
Для совершения управляемой посадки с орбиты на небесное тело без атмосферы требуется такое же уменьшение массы, как и при выходе на орбиту с его поверхности, если скорость достижения поверхности равна нулю.
![{\displaystyle {\begin{align}\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{align}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/036e30f42f6419ec1333cd349afe698f6cf5588d)
