¿Cómo puede un cohete Falcon de 9 motores ser más barato que los cohetes de un solo motor?

Por lo que entiendo, el motor suele ser la parte más cara de cada cohete, excluyendo la carga útil.

Me cuesta entender cómo SpaceX puede tener uno de los lanzadores más baratos del mercado cuando vuela con una configuración de 9 motores, mientras que muchos otros lanzadores tienen menos motores.

¿No es el costo de producir nueve motores Merlin separados "teóricamente" nueve veces más caro que fabricar un motor grande?

Considere 9 motores Honda Civic versus 1 motor Ferrari.
Si cuesta nueve veces más hacer nueve motores pequeños que hacer uno grande, eso debe significar que cuesta lo mismo hacer un motor pequeño que hacer uno grande. ¿Por qué diablos sería ese el caso?
¿Reutilización de piezas? Como se demostró recientemente con la parte de aterrizaje del cohete.
Hay buenas respuestas a continuación, pero vale la pena señalar que no solo SpaceX hace esto. La Soyuz tiene 5 motores, pero cada motor tiene 4 cámaras de combustión y 4 toberas, por lo que verás 20 toberas en la parte inferior del cohete.
@DavidRicherby Creo que la pregunta es si el costo del motor en función de su potencia/tamaño/empuje es sublineal o superlineal (los motores grandes son más caros, pero son más o menos nueve veces más caros). Probablemente sea más complicado que una simple ley de potencia.
Esperaría que el escalado dimensional simple tuviera un impacto sublineal en el costo, pero un mayor empuje o empuje a peso a menudo se logra a través de una mayor complejidad, que esperaría que fuera superlineal.
Además, la racionalización de un proceso - economía de escala. Si construye, digamos, 6 motores por año, es difícil justificar el inicio de una línea de producción. Si fabrica 200 por año, una línea de producción es imprescindible, y mientras el costo inicial crece, el costo unitario cae rápidamente.

Respuestas (7)

No, al contrario. Cuanto más grandes se vuelven los motores, más caros se vuelven. Solo mire la gran cantidad de pruebas a gran escala que necesitaban para que los motores F-1 del escenario principal de Saturno V funcionaran sin problemas. Ahora imagina, gastas todo este dinero para diseñar un motor enorme y quieres fabricarlo. Necesitará un parque de máquinas de primer nivel para hacer eso. La fabricación de un motor de este tipo incluye muchos pasos, como obtener un gran trozo de aleación espacial y fresar casi todo, cerrar el canal de refrigeración mediante un proceso galvánico lento, tal vez un poco de soldadura por rayos de electrones aquí y allá.

En pocas palabras, para hacer un motor enorme, se necesitan grandes cantidades de materias primas, máquinas enormes y un personal permanente enorme para operarlas todas.

Ahora, en cambio, si quieres hacer varios motores pequeños, el diseño se vuelve menos arriesgado y no necesitas máquinas tan grandes. Además, dado que ahora necesita muchos más motores, tiene algo parecido a una línea de producción, y todas las máquinas funcionan al mismo tiempo, en lugar de que cada motor pase por un proceso como en una fábrica.

En casi cada paso del camino usted ahorra dinero, pero varios motores más pequeños son generalmente más pesados. Una desventaja aún mayor es que, si necesita que todos los motores funcionen para que su cohete alcance la órbita, terminará con una mayor probabilidad de falla.

SpaceX tiene planeada cierta redundancia, pero eso tiene un costo adicional en términos de carga útil.

Al final, todo se reduce al costo por kilogramo en una órbita objetivo para el cliente, y la cantidad de factores que tienen una influencia aquí es demasiado grande para una respuesta SE. SpaceX apuesta por el agrupamiento, Europa seguirá apostando por grandes motores. Solo el tiempo dirá quién tomó la mejor decisión.

También tenga en cuenta que el Saturn V tenía cinco de esos motores, que está más cerca de nueve que de uno :-)
@ Rikki-Tikki-Tavi Parece que Musk ha demostrado un CEP para una plataforma de aterrizaje del orden de 1 metro. :) Eso es tan bueno como un misil de crucero. Parece un tipo peligroso al que cabrear ahora. Él puede entregarte 180,000 lbs de empuje y 100,000 lbs de primera etapa si realmente lo desea. :) Dr. Evil de hecho.
@jamesqf Punto mayormente válido, con el pequeño problema de que 9-5 = 4 = 5-1.
@ToddWilcox en términos de matemáticas, tiene razón, pero en términos de filosofía y líneas de ensamblaje, Jamesqf tenía razón.
Además, si un motor falla o necesita reemplazarse en un grupo de 9 motores (antes del lanzamiento), es más económico reemplazarlo que si tuviera la falla de un solo motor de potencia equivalente.
@Todd Wilcox: Sí, debería haber dicho "más parecido" en lugar de "más cerca". Quise decir que es similar en el sentido de usar varios motores, en lugar de un motor grande.
@ToddWilcox igual en la resta, pero a menudo esa no es la mejor manera. Estimación de Fermi a través de xkcd
@ChrisH Buen punto. 10 está mucho más cerca de 10 que de 0. :-) Mi pequeña tontería matemática se hizo en un 60% en broma. Fermi estimó que era 100% una broma.
@ToddWilcox: ¿Está seguro de que una escala logarítmica no es apropiada aquí?

Tradicionalmente, los motores son caros porque requieren mucho trabajo manual para construirlos. Debido a que se construyen en pequeñas cantidades, no tiene sentido invertir en una fábrica automatizada que pueda construirlos más baratos. También están optimizados para obtener el máximo rendimiento, lo que requiere construcciones complejas y materiales costosos.

SpaceX quiere cambiar esa ecuación. Al construir 10 motores por cohete, se vuelve rentable establecer una línea de producción. También han diseñado los motores para que sean baratos de producir, incluso si eso reduce un poco el rendimiento.

Además de las otras respuestas, creo que también vale la pena señalar algunos puntos adicionales:

  • aterrizaje _ Solo se necesita uno de esos motores, acelerado completamente hasta su empuje mínimo para aterrizar el escenario para su reutilización (una característica clave del diseño). Más de esta cantidad de empuje haría que el aterrizaje fuera aún más difícil. Por lo tanto, si se usara un motor grande en lugar de los 9 merlins, tendría el requisito de diseño adicional de poder reducir todo a un nivel equivalente a un merlin con un empuje mínimo, lo que presumiblemente aumentaría el costo. O tener un motor pequeño dedicado para el aterrizaje, lo que agregaría peso y costo.

  • Etapa 2 . La segunda etapa de este vehículo de lanzamiento utiliza un merlín . Si se usara un motor grande para la etapa 1, habría 2 diseños de motor en lugar de uno.

  • redundancia _ De wikipedia :

Al igual que la serie Saturn del programa Apollo, la presencia de múltiples motores de primera etapa puede permitir completar la misión incluso si uno de los motores de la primera etapa falla en pleno vuelo.

Un solo motor grande no podría satisfacer este requisito de diseño de seguridad/confiabilidad por medio de la redundancia. Por lo tanto, tendría que tener esa confiabilidad adicional requerida como parte inherente de su diseño, lo que también aumentaría el costo.

El aspecto de limitación es el punto clave para la reutilización. Un motor grande tendría que acelerar demasiado para ser práctico. Estoy bastante sorprendido de que seas el único que hizo este punto. No me queda claro si SpaceX se dio cuenta de esto al principio; parece más una evolución del Falcon 1, pero sin importar cómo sucedió, fue algo grandioso.
Durante la muy importante primera misión Falcon a la ISS , uno de los nueve motores falló , sin darse cuenta "demostrando el diseño de 'motor fuera' del Falcon 9".

Depende de tantas cosas. SpaceX eligió muchas instancias de un motor más pequeño, que generalmente es más simple de construir que uno más grande y la complejidad está relacionada con el costo.

Eligieron un ciclo de combustible y combustible que es más simple que la mayoría. Eligieron un inyector que es confiable y simple. Es muy difícil trabajar con hidrógeno líquido y muy caro. Entonces, un RS-68/68A en comparación sería mucho más caro. Un SSME es único en cuanto a costos.

Entonces, la comparación real sería algo así como un par de RD-193 o un solo RD-180 cuyo empuje agregado es del orden de 800,000 libras de empuje. Cada Merlin se acerca a las 180.000 libras de empuje, habiendo comenzado con 75.000 libras de empuje.

Además, SpaceX ha dicho que contrataron ingenieros de procesos de Tesla para centrarse en cuestiones relacionadas con la construcción de una gran cantidad de motores, siguiendo los consejos de la industria automotriz sobre la reducción de costos.

Si fabrica un total general de 10 motores al año, todos los costos de personal de la instalación se distribuyen como el costo de esos 10 motores. Si hace 400 (el objetivo declarado de SpaceX), se distribuye en más.

Creo que decir que el hidrógeno líquido es caro es simplificar demasiado hasta el punto de que ya no es correcto. Es el manejo, la infraestructura, las válvulas, etc., lo que es caro, no el material en sí.
@ Rikki-Tikki-Tavi Ya que estamos hablando de un motor, estoy de acuerdo en que estoy simplificando pero estoy implicando todo el sistema. El costo del combustible en sí es en su mayoría irrelevante. El costo de usar el combustible es lo que estaba tratando de abordar. Y ni siquiera me refiero a los elementos a los que se refiere también. Los motores LH en sí mismos son mucho más complicados de construir que los motores RP1 o CH4.
¿Por qué piensas eso?
@ Rikki-Tikki-Tavi El motor en sí tiene que manejar frío a calor más extremo que RP1. LH tiene fugas con mucha facilidad, por lo que las tuberías del motor son más complejas. Los materiales son más caros porque se vuelven quebradizos. Entonces, sí, el apoyo en tierra es más difícil, pero el motor en sí también lo es.
Todo cierto, pero RP1 viene con sus propios desafíos. LOX-RP1 es mucho más propenso a la inestabilidad que LOX-LH2 y RP1 pueden coquear en los canales de enfriamiento.
Cierto, por supuesto. Pero en escala/costo, LH vs RP1 son mundos de diferencia de costos. RP1 también tiene más problemas a mayor escala que a menor escala. ¡Oh, parece que esto es realmente ciencia espacial! :)

El costo de SpaceX, además de todos los demás elementos señalados, es más económico porque construyen todo en casa y han hecho un esfuerzo deliberado a lo largo de los años para reducir su costo. La mayoría de los otros jugadores no están trabajando mucho para reducir sus costos, y no tan duro como SpaceX. SpaceX utiliza muchos componentes sin clasificación espacial que se ha descubierto que funcionan a través de la experimentación. Todo esto reduce los costos

  • dibuje un gráfico de costo por libra de empuje frente al tamaño del motor y seguramente encontrará un mínimo
  • economía de escala - producción en masa de piezas similares
  • redundancia
Esto sería mejor si no fuera tan conciso e inconexo....

Está el hecho de que ya diseñaron el motor cohete para lanzamientos de un solo motor. Unir 9 es el tipo de trabajo ágil realizado por una empresa que interrumpe a los Gigantes dormidos.

¿Cómo puede un cohete Falcon de 9 motores ser más barato que los cohetes de un solo motor?
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