Comparación aproximada de un Falcon 'Quad' Heavy hipotético con alimentaciones cruzadas

Esta pregunta de ingeniería me hizo preguntarme. Si la tecnología de alimentación cruzada estuviera lo suficientemente desarrollada y se pudieran manejar las tensiones (estos son grandes interrogantes, y estoy seguro de que hay más), ¿cómo se compararían aproximadamente estas diversas configuraciones?

¿Hay números por ahí, o alguien podría aproximarlos, o decirme una forma simple de aproximar los valores que faltan?

Los dos primeros están copiados de Falcon Heavy de Wikipedia . Son toneladas para LEO. También están de acuerdo con los números en este Reddit , que probablemente no sea independiente, pero esa tabla también da el tercer número.

F9 FT:      22.8
FH:         54.4
FH w/cf:    64.5 
FQH:         ?
FQH w/cf:    ?

En mis siglas no oficiales, FQH = 'Falcon Quad Heavy' - cuatro propulsores tipo F9, y w/cf = 'con alimentación cruzada'.

La alimentación cruzada para FQH podría hacer que los impulsores 1 y 3 se alimenten a 2 y 4, y se caigan primero, mientras que los impulsores 2 y 4 también alimentan simultáneamente el núcleo. Es un lío de ingeniería, no lo propongo como una solución real, es más el mejor límite superior posible (o el mejor imaginable ).

editar: estoy empezando a repensar esta pregunta; El beneficio potencial del "FQH" podría aprovecharse mejor optimizando el estrangulamiento e incluso escalonando los arranques del motor. En otras palabras, tal vez esto sea más difícil incluso de "estandarizar" de lo que me di cuenta al principio.

Mira este enlace: m.reddit.com/r/spacex/comments/4ibtcb/… . No es una fuente confiable, tal vez podría ser un comienzo para encontrar algunos valores. El valor de carga útil es solo para FH w/cf (60 t). Tengo curiosidad por saber cuál sería la carga útil para FQH y FQH con cf y también un posible costo de lanzamiento para estas versiones.
@MarkBoghdani parece prometedor, aunque me mareo al ver más de 120 números. ¿Ahí está la respuesta a mi pregunta? Si es así, ¿puedes publicarlo? ¡Gracias!
Realmente me gustaría, pero no estoy seguro de si lo es. La persona que ha hecho esa tabla con los valores de la casa, dice que ha hecho cálculos para ellos y ha estado suponiendo algunos números (para que coincida con la carga útil y delta v de FH sin alimentación cruzada) para llegar a estos resultados. Incluso él no está seguro de si el número que ha encontrado y supuesto es correcto. Conociendo los números exactos (por ejemplo, para el combustible, el peso de las etapas, el Isp promedio) probablemente podría encontrar el carga útil no solo para FH w/cf, sino incluso una carga útil hipotética cercana a los valores reales de carga útil que tendrían FQH y FQH w/cf.
@MarkBoghdani OK, entonces los dos números en mi pregunta concuerdan con esa hoja de cálculo, así que supongo que podría poner el 64.5 como mi tercer número. Seguiré adelante y haré eso ahora, ¡gracias!
En el mismo enlace de reddit que puse en mi primer comentario, mire nuevamente y encontrará una discusión en los últimos comentarios con el autor de esa tabla. Le da a FQH sin optimización una carga útil de 70 t, FQH donde se gira el núcleo central apagado o diferente aceleración 85 t, y FQH con cf 93 t. Explica cómo obtiene estos números, el método que usa. Por supuesto, dice que para números más precisos, se deben realizar simulaciones de lanzamiento que incluyan incluso la resistencia atmosférica, las pérdidas por gravedad o Isp a diferentes altitudes. No puedo decir qué tan precisos son estos números, pero podría ayudarlo a tener una idea de qué cargas útiles serán

Respuestas (1)

¿Conoces KSP? Simula una capacidad de alimentación cruzada perfecta y poco realista que permite la puesta en escena de Asparagus , una técnica muy efectiva en la simulación (mire algunos videos, recuerdo uno que muestra una separación de etapa sacudida que ocurre cada 3 segundos o algo así hasta la órbita).

El problema es que el abastecimiento de combustible de 1 propulsor F9 toma aproximadamente 30 minutos y usar ese combustible a través de los motores solo un poco más de 150 segundos (según los tiempos MECO de lanzamientos de GTO donde el combustible restante era mínimo). Para que la alimentación cruzada funcione de manera óptima en la configuración de cuatro o más impulsores laterales, debe "reabastecer" los impulsores "internos" con un flujo aproximadamente 4 veces mayor que durante el suministro de combustible (para quad, n veces más por cada "capa" adicional de refuerzos). Pronto descubre que las tuberías se ensanchan bastante y las bombas son muy pesadas.

Pero a la pregunta: no tengo números exactos, pero entiendo que sin el cruce , está viendo un problema con rendimientos rápidamente decrecientes. O tiene demasiado empuje y pierde para arrastrar (o pierde el vehículo), o reduce (o apaga) los motores "internos" y pierde por gravedad:

  • si simplemente reduce el empuje de todos o algunos motores, obtendrá tanques de combustible casi vacíos después de la separación.
  • si desactiva algunos motores y los enciende más tarde para conservar el combustible en los propulsores "internos", convirtió la cosa en un cohete normal de 3 (o más) etapas, solo con etapas pequeñas en el costado en lugar de uno más grande en la parte inferior.

Con super-crossfeed puede modelar toda la situación un poco más simple:

  • FH w/cf se convierte en un F9 con combustible completo después de la separación de los impulsores laterales, pero con toda la altura y la velocidad ya impartidas por los impulsores. Efectivamente, está lanzando F9 desde el aire (pero con la ventaja de no necesitar cambiar la velocidad de horizontal a vertical). Para obtener los números, debe calcular el delta-v de dos núcleos de propulsor con un empuje de 3 núcleos (pero tendrá que reducir la velocidad para Max-Q, etc.) y la carga útil de F9 completo. Luego puede agregar el delta-v de F9 "normal" para obtener la capacidad de toda la pila.
  • FQH w/cf: de manera análoga, está lanzando FH desde el aire, ahora tiene combustible de 2 propulsores para alimentar 5 juegos de motores (= 45 Merlins), por lo que la puesta en escena se realizará antes.

Desafortunadamente, mis "matemáticas de lanzamiento" no son lo suficientemente buenas como para proporcionar estimaciones razonables de los números reales. Solo sé por mis pruebas de KSP que la diferencia entre sin alimentación cruzada y alimentación cruzada completa es realmente sustancial: donde sin alimentación cruzada el cohete ni siquiera salió de la atmósfera, la variante de alimentación cruzada pudo subir directamente a la velocidad de escape.

Wow, ¡gracias por tomarte el tiempo de pensar en todo eso! Bien, pensaré un poco más en esto, probablemente tomará algunos días ahora que la semana ha comenzado.
OK, este será un proyecto a largo plazo, uno de muchos, así que cerraré este. ¡Gracias!
Ese cohete KSP se puede ver aquí: youtube.com/watch?v=F92l2s_bO-k&t=584s Comienza con 108 etapas.
Comparación aproximada de un Falcon 'Quad' Heavy hipotético con alimentaciones cruzadas
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