Calidad frente a cantidad para motores de cohetes

Hace un tiempo leí sobre el famoso N-1 soviético, llamado por algunos el cohete más poderoso (en términos de empuje en el despegue) de la historia. Usó unos increíbles 30 motores en su primera etapa. El Saturn V estadounidense, por otro lado, usó solo cinco motores F-1 en su primera etapa. La diferencia era que cada F-1 era mucho más potente que uno solo de los motores (inicialmente NK-15) utilizados en el N-1. La ventaja del sistema de 30 motores era que si un motor fallaba, había copias de seguridad y se podía cambiar más combustible hacia o desde otros para compensar (aunque esto provocó algunos percances divertidos con la computadora KORD que controlaba los motores).

¿Cuáles son las otras ventajas/desventajas de cada uno de los sistemas (30 motores frente a 5 motores)? ¿Qué hizo que los soviéticos eligieran un sistema de 30 motores, mientras que los estadounidenses eligieron un sistema de 5 motores?

¡Guau! ¡11 millones de libras de empuje en el despegue! El transbordador solo tenía alrededor de 7 millones, Saturno V: 7,5 millones, Energia 7,8 millones. SLS será de alrededor de 7-8 millones de libras. Salvaje.
Puesta en escena de espárragos relacionados (sí, lo sé - KSP). Esto se usa en la vida real en el vehículo de lanzamiento pesado Falcon.

Respuestas (2)

La inestabilidad de la combustión es un problema muy difícil de resolver. Se vuelve más difícil a medida que el motor se hace más grande.

Los estadounidenses aceptaron el desafío de un motor de empuje de 1,5 millones de libras y lo superaron (F-1, supongo que incluso el J-2 en la segunda (5) y tercera etapa (1)). Los soviéticos lo intentaron y fallaron y optaron por un motor pequeño (NK-15). Necesitaban el empuje, así que los agruparon.

Las líneas de combustible en algún punto se combinan y la contrapresión puede causar vibraciones en otras tuberías de alimentación. Saturno V sufrió oscilaciones de Pogo incluso con solo 5 motores, puede imaginar que el N-1 habría tenido problemas mayores con 30.

Lo que sería interesante es saber cómo ha afectado esto al Falcon 9 con 9 motores. Creo que es el mayor número de motores en un escenario actualmente en vuelo. (¿O alguna vez? ¿Desde la N-1? ¿Qué tuvo más motores?)

+1. He hablado con algunas de las personas encargadas de atacar el problema del pogo. Realmente no resolvieron el problema, al menos no en un sentido teórico. Simplemente encontraron formas ad hoc que parecían hacer que desapareciera. ¡Suficientemente bueno!
@DavidHammen Mi recuerdo de lo que mató al N-1 fue básicamente Pogo en grande. 30 instancias de pogo interactuando entre sí destrozaron la cosa.
Exactamente. Hay una gran diferencia entre la teoría y la práctica. La teoría hace a un lado todos esos desagradables problemas. La práctica dice que no puede hacer eso, para que su vehículo no actúe como un saltador.
@geoffc He leído los 4 volúmenes de Rockets and People de Boris Chertok. Chertok fue el responsable de diseñar el KORD. Básicamente era el cerebro electrónico responsable de 30 motores. El principal punto de diseño era que si un motor tenía problemas, se suponía que KORD lo apagaría y el motor opuesto también para mantener un empuje simétrico. N-1 fue "sobrediseñado" con 30 motores de modo que podría sufrir 4 paradas, o 2 pares de paradas, y aun así llegar a la órbita. KORD nunca funcionó bien. La tecnología analógica de la época aparentemente lo hizo imposible.
Pero Chertok era ingeniero electrónico, por lo que sus libros son desde esa perspectiva. Si alguien conoce una memoria de un diseñador de cohetes, hágamelo saber. El problema del motor con el que se suponía que KORD debía lidiar podría haber venido de pogo de todos modos. De memoria, recordando las 4 fallas de N-1: el primero tuvo problemas con el motor cerca del final de la carrera de la primera etapa, el segundo ingirió un objeto suelto y explotó 2 segundos después del despegue, el tercero giró demasiado debido a la extraña aerodinámica del escape del motor 30, y el cuarto casi llega a la segunda etapa antes de problemas con el motor.
30 motores con POGO suena peor que 5 motores con POGO, pero el cohete con 30 motores tiene motores más pequeños y es probable que la magnitud de su efecto POGO sea mucho menor. Independientemente de eso, existe una mayor probabilidad de que su POGO se cancele o al menos no se refuerce, al igual que los motores de automóviles de 6 u 8 cilindros son más suaves que los motores de 4 cilindros.

Es posible que hayan buscado la ventaja de que usted fabrique una mayor cantidad de motores individuales, similar a lo que busca SpaceX. SpaceX, en lugar de fabricar cohetes con 1 o dos motores, ahora tiene 9 por cohete y puede mejorar la fabricación utilizando los métodos que hicieron que tantas cosas industrializadas fueran mucho más baratas hoy en día. Eso es lo que leí sobre la versión de SpaceX y también podría haber influido en la decisión de este cohete más antiguo.

El factor principal fue que los rusos no pudieron resolver el problema de la inestabilidad de la combustión en una gran cámara de combustión. Ni Rusia ni EE. UU. tenían buenas capacidades de modelado por computadora, pero EE. UU. tenía más dinero para construir prototipos y probar cosas diferentes hasta que tropezaron con algo que funcionaba. Rusia todavía usa el concepto de cámara de combustión pequeña como se ve en motores como el RD-170 con 4 cámaras impulsadas por una turbobomba.
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