Charge utile

La charge utile est l'objet ou l'entité transportée par un aéronef ou un lanceur . Parfois, la charge utile fait également référence à la capacité de transport d'un aéronef ou d'un lanceur, généralement mesurée en termes de poids. Selon la nature du vol ou de la mission, la charge utile d'un véhicule peut inclure du fret , des passagers , un équipage , des munitions , des instruments ou des expériences scientifiques ou d'autres équipements. Le carburant supplémentaire, lorsqu'il est transporté en option, est également considéré comme faisant partie de la charge utile.

Dans un contexte commercial (c'est-à-dire une compagnie aérienne ou un transporteur de fret aérien ), la charge utile peut se référer uniquement à du fret générant des revenus ou à des passagers payants. Une charge utile de munitions transportée par un avion de combat est parfois également appelée charge de guerre de l'avion .

Pour une fusée, la charge utile peut être un satellite , une sonde spatiale ou un vaisseau spatial transportant des humains, des animaux ou une cargaison. Pour un missile balistique , la charge utile est constituée d'une ou plusieurs ogives et de systèmes associés ; leur poids total est appelé poids d'emport .

La fraction de la charge utile par rapport au poids total au décollage de l'avion ou du vaisseau spatial est appelée « fraction de charge utile ». Lorsque le poids de la charge utile et du carburant sont pris en compte ensemble, on parle de « fraction de charge utile ». Dans les vaisseaux spatiaux, on utilise normalement la « fraction de masse », qui correspond au rapport entre la charge utile et tout le reste, y compris la structure de la fusée.

Il existe un compromis naturel entre la charge utile et l' autonomie d'un avion. Un diagramme d'autonomie de charge utile (également appelé « diagramme des coudes ») illustre ce compromis.

La ligne horizontale supérieure représente la charge utile maximale. Elle est structurellement limitée par le poids maximal sans carburant (MZFW) de l'avion. La charge utile maximale est la différence entre le poids maximal sans carburant et le poids à vide opérationnel (OEW). Le déplacement de gauche à droite le long de la ligne indique la charge utile maximale constante à mesure que l'autonomie augmente. Il faut ajouter plus de carburant pour augmenter l'autonomie.

La ligne verticale représente la distance à laquelle le poids combiné de l'avion, de la charge utile maximale et du carburant nécessaire atteint le poids maximal au décollage (MTOW) de l'avion. Si la distance est augmentée au-delà de ce point, la charge utile doit être sacrifiée au profit du carburant.

Le poids maximal au décollage est limité par une combinaison de la puissance nette maximale des moteurs et du rapport portance/traînée des ailes. La ligne diagonale après le point d'autonomie à charge utile maximale montre comment la réduction de la charge utile permet d'augmenter la consommation de carburant (et l'autonomie) lors du décollage avec le poids maximal au décollage.

Le deuxième coude de la courbe représente le point où la capacité maximale en carburant est atteinte. Au-delà de ce point, la charge utile doit être encore réduite, pour une augmentation encore plus faible de l'autonomie. L'autonomie absolue est donc l'autonomie à laquelle un avion peut voler avec le maximum de carburant possible sans emporter de charge utile.

Exemples de capacité de charge utile :

• de Havilland Mosquito B Mk.IV Série 2 : 920 kg
• Boeing B-17 Flying Fortress : 1 800 kg (missions classiques à longue portée), 3 600 kg ou plus (missions à courte portée)
• Petlyakov Pe-8 4 990 kg (interne)
• B-52H Stratofortress : 31 500 kg
• Antonov An-225 Mriya : 250 000 kg
• Saturne V :
  • Charge utile vers l'orbite terrestre basse 140 000 kg
  • Charge utile pour l'orbite lunaire 47 000 kg
• Navette spatiale :
  • Charge utile pour l'orbite terrestre basse (sans compter l'orbiteur entretenu de 110 000 kg) 27 000 kg (53 700 lb)
  • Charge utile vers l'orbite de transfert géostationnaire (sans compter l'orbiteur entretenu de 110 000 kg) 3 810 kg (8 390 lb)
• Trident (missile) : poids de projection de 2800 kg
• Véhicule de transfert automatisé
  • Charge utile : 7 667 kg 8 racks avec 2 x 0,314 m ³ et 2 x 0,414 m ³
  • Enveloppe : chacun 1,146 m ³ devant 4 de ces 8 racks
  • Masse de chargement : Charge sèche : 1 500 - 5 500 kg
  • Eau : 0 – 840 kg
  • Gaz (azote, oxygène, air, 2 gaz/vol) : 0 – 100 kg
  • Propulseur de ravitaillement de l'ISS : 0 – 860 kg (306 kg de carburant, 554 kg d'oxydant)
  • Propulseur de relance et de contrôle d'attitude de l'ISS : 0 - 4 700 kg
  • Capacité totale de chargement : 7 667 kg

Pour les avions, le poids du carburant dans les réservoirs d'ailes ne contribue pas autant au moment de flexion de l'aile que le poids du fuselage. Ainsi, même lorsque l'avion a été chargé avec la charge utile maximale que les ailes peuvent supporter, il peut toujours transporter une quantité importante de carburant.

Les systèmes de lancement et de transport diffèrent non seulement par la charge utile qu'ils peuvent transporter, mais aussi par les contraintes et autres facteurs qui pèsent sur eux. La charge utile ne doit pas seulement être soulevée jusqu'à sa cible, elle doit également arriver en toute sécurité, que ce soit ailleurs sur la surface de la Terre ou sur une orbite spécifique. Pour garantir cela, la charge utile, comme une ogive ou un satellite, est conçue pour résister à un certain nombre de différents types de « punitions » sur le chemin de sa destination. La plupart des charges utiles des fusées sont placées dans un carénage de charge utile pour les protéger contre la pression dynamique du déplacement à grande vitesse dans l'atmosphère et pour améliorer l'aérodynamisme global du lanceur. La plupart des charges utiles des avions sont transportées dans le fuselage pour des raisons similaires. Une cargaison hors gabarit peut nécessiter un fuselage aux proportions inhabituelles, comme le Super Guppy .

Les différentes contraintes imposées au système de lancement peuvent être classées en deux catégories : celles qui causent des dommages physiques à la charge utile et celles qui peuvent endommager sa composition électronique ou chimique. Parmi les exemples de dommages physiques, on peut citer les accélérations extrêmes sur de courtes périodes causées par les secousses ou les oscillations atmosphériques, les accélérations extrêmes sur de longues périodes causées par la poussée et la gravité de la fusée, et les changements soudains de l'amplitude ou de la direction de l'accélération causés par la rapidité avec laquelle les moteurs sont accélérés et arrêtés, etc. Les charges utiles électriques, chimiques ou biologiques peuvent être endommagées par des températures extrêmes (chaudes ou froides), des changements rapides de température ou de pression, le contact avec des courants d'air rapides provoquant une ionisation et l'exposition aux radiations des rayons cosmiques , de la ceinture de Van Allen ou du vent solaire .