ペイロード (航空宇宙)

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ペイロードとは、ヴィークルのうち、それ自身の移動以外に、なんらかの物を積載して移動させる目的のものにおいて、その積載物のことである。語の直接の意味としては、pay: 対価の支払い、load: 荷 で、日本語に直訳して有償荷重ともされる。また、その質量ないし重量のことも指し、可搬重量や有効荷重ともされる。

陸上輸送に対してはほとんど使われず、海上輸送でもあまり使われない。民間航空分野では旅客や貨物のことを指す。軍事分野では、民間と同じく人員や輸送物資のことでもあるが、軍用機の武装やミサイル弾頭も指す。増槽も一種のペイロードと言える。観測ロケットにおいては観測機器が、宇宙ロケットにおいては宇宙機などを指してペイロードと言う。航空分野では重量が、宇宙分野では質量が重要である。

通常、陸上の移動では乗員を移動させることは運航の目的ではないため、乗員はペイロードに含まれない。一方、有人宇宙飛行では宇宙飛行士が宇宙に行くことも目的の一部であるため、ペイロードに含まれる。

総重量とペイロードの比率をペイロード比と言う、ペイロードと燃料の重さを同等に考える場合は実質積載比という値となる。

なお、ロケットで使われる質量比という値は、初期状態での全質量対噴射で失われる推進剤の質量という値で、その値と噴射速度から、ツィオルコフスキーの公式により可能な増速度が決定されるという力学的な値である。

転じて、情報処理の分野では、たとえば通信などにおいてパケットのうち送信先などのデータを含むヘッダなどを除いた、目的とするデータ本体のことを指してペイロードと言う。

航空機[編集]

ペイロードと航続距離の関係を表した表。縦がペイロード量、横が航続距離

航空分野では、ペイロードは輸送される荷物の可搬量のことをさすことが多い。ペイロードと航続距離は図に表されるような相対的な関係にある。

航空機の構造上、胴体部分の重量はある程度に限られ最大無燃料重量が航空機における輸送の限界となっており、最大無燃料重量と運用空虚重量の差が最大ペイロードとなる。一方で主翼内部の燃料タンクの質量は胴体重量と比べ翼胴接合部への曲げモーメントとしては大きく貢献しておらず、このため航空機は翼が支えることのできる最大ペイロードを積んでも、まだかなりの燃料量をつむことができる。最高値の水平線はこれらの理由による航続距離の増加とかかわりない不変の最大ペイロードが表されており、より航続距離が必要な場合はより燃料を必要とする。

縦の線が書き加えられているポイントは、最大ペイロード時航続距離と呼ばれ、ペイロードを最大無燃料重量まで搭載し、これと最大離陸重量の差分の燃料を搭載した状態を示す。最大離陸重量はエンジンの最大定格出力と翼の揚抗比の組み合わせによって決まる。民間航空機(特に貨物機)では多くの場合この最大ペイロードの状態で運航されることが多い。

最大ペイロード時航続距離の線より右側は、ペイロードを減らしていき、代わりにその重量分の燃料を搭載した場合の航続距離を表している。燃料を多く搭載すると、飛行するにつれて消費により重量が減少するので航続距離は伸びる。

次の屈折部は、燃料を主翼内タンク容量一杯に搭載し、そこに最大離陸重量までペイロードを搭載した状態を示す(最大航続距離)。この点よりも右側は、燃料はそのままでペイロードを減少させていったときの航続距離を示す。ペイロードは飛行しても重量の減少はないので、航続距離の増加はわずかである。最終的に燃料が満載・ペイロードなしの状態で航続距離が最大になる。

特に軍用の輸送機戦闘機などではペイロードは主要な能力値のひとつであり、カタログスペックのひとつとして扱われる。一方民間機の場合ペイロードは主に旅客(およびその荷物を含む)、有償貨物、郵便物等である。

宇宙機[編集]

宇宙開発の分野では、ペイロードはロケットによって打ち上げられるさまざまな宇宙機やさらにそれらに乗せられるさまざまな器具や物品、その質量の事を指す。人工衛星探査機、有人宇宙船、あるいは実験装置などのほか、ISSのような宇宙ステーションに運ばれる食品や水といったものもペイロードに含まれる。宇宙機そのものを指すため、H-IIA8号機に乗せられただいちはH-IIA8号機のペイロードであるといえる。

ロケットのペイロード輸送力を打ち上げ能力という。打ち上げ能力はロケットの推進力に左右されるほか、軌道に乗せるための誘導能力も関連している。打ち上げ能力の低いロケットの場合、打ち上げることのできるペイロードは小さくなり、それに見合ったものしか打ち上げられない。一方、打ち上げ能力の高いロケットは大型の衛星などを打ち上げることができる。打ち上げ能力の高いロケットに軽いペイロードを乗せた場合には輸送能力が余ることもあり、この余剰分で運べるペイロードのことをピギーバックペイロードと呼び、これによって運ばれる衛星をピギーバック衛星(相乗り衛星)と言う。ごく小型の衛星を多数同時に打ち上げる場合もある。通常の打ち上げと比較して破格の安値で打ち上げてもらうことができるため、コスト的に特にアマチュア衛星はピギーバックペイロードとして乗せられることが多い。

打ち上げ能力が高くとも、ペイロードが小さすぎるなどの場合は輸送の無駄が大きいことになり、効率よい輸送にはペイロードに見合ったロケットが必要になる。ロケットのペイロードも重さによって可搬距離が変わるが静止軌道低軌道などある程度は運ばれる場所が決まっており、同じロケットでも静止衛星軌道より低軌道へのほうが多くのものを運ぶことができる。

スペースシャトルの胴体には実験施設や衛星などを搭載できる区画があり、これはペイロードベイ(またはカーゴベイ)と呼ばれていた。

その他[編集]

同じくロケット技術が利用されているミサイルなどでは弾頭がペイロードである。一定時間内にある領域に運べる爆薬、爆弾の総量を指して投射質量と言うことがある。戦艦などといった砲を攻撃手段とするユニットの能力として、一定時間内に目標に向けて送り込むことが可能な砲弾の質量の合計を指して言うそれと同じ考え方によるものである。

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ペイロードと制約[編集]

ペイロードには打ち上げ・輸送システムの差異がかかわるだけではなく、風など外部からの圧力と言った他の要素もペイロードにかかわる。ペイロードは目標にむけて出発・発射するだけではなく、地球のある地点や軌道上といった場所に無事に到着しなければならない。しかし、これらのペイロードに対しては空中や宇宙空間への輸送であることに由来するさまざまな問題が存在する。

ペイロードへのダメージはおおむね物理的なものと科学的なものに分けることができる。物理的ダメージの例としては大気のバフェッティングや振動による短時間での強い加速、ロケットの推進力や重力による長時間にわたる強い加速、エンジンの減速や停止による加速の大きさや方向の急変などがあげられる。電子的、あるいは化学・生物学的なペイロードへのダメージは、極端な温度、温度の急速な変化、急速な圧力の変化、電離による高速の気流との接触、バン・アレン帯太陽風宇宙線などの放射線の照射、などによって発生する。

これらの問題に対して、ロケット類ではペイロードの安全のために、ペイロード自身が一定量のゆれや圧力といった要件に耐えるように設計される。また、航空機やロケット自体もペイロードへの損傷が少なくなるように作られる。

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