Compensaciones en el desarrollo de motores más grandes frente al uso de motores más pequeños

Buscando explorar el punto inverso de esta pregunta:

¿Qué desafíos existen para más motores de combustible líquido más pequeños en lugar de uno grande?

Como se indicó en la respuesta a la pregunta anterior, menos motores más grandes reducen el número de piezas y aumentan la confiabilidad a expensas del rango de empuje (relevante para los propulsores reutilizables como el Falcon 9), pero ¿qué sucede cuando quiere ir realmente grande?

El motor de combustible líquido con una sola cámara de combustión más grande jamás volado con éxito fue el F1 de Saturno V , que voló por última vez hace 45 años . Hoy en día no tiene igual (sin considerar los propulsores de combustible sólido como los SRB del transbordador); incluso los motores principales del transbordador espacial desarrollan sólo la mitad de ese empuje.

El Falcon 9 demuestra que nueve motores son suficientes para proporcionar el rango variable de empuje necesario para aterrizar un propulsor gastado. Entonces, ¿qué compensaciones llevan a SpaceX a emplear una gran cantidad de motores para sus grandes propulsores pesados ​​propuestos (una propuesta pedía 42 motores, otra pedía 31) en lugar de desarrollar motores más grandes para usar en cantidades más pequeñas?

Sé que un problema al que se enfrentó durante el desarrollo de la F1 fue la inestabilidad de la combustión. ¿Es este el factor dominante que inhibe el desarrollo de motores más grandes, o hay otros, y si es así, cuáles? El "punto de referencia" moderno parece ser el SSME; ¿Qué impide el desarrollo de algo sustancialmente más grande, como, por ejemplo, el Sea Dragon (nuevamente, limitando la pregunta a los motores de combustible líquido)?

Para SpaceX, parece probable que usen Raptors en cohetes del tamaño de Falcon en algún momento, posiblemente comenzando con una etapa superior de metano para Falcon 9, por lo que la similitud puede estar impulsando el tamaño de su motor.
El F-1 tomó mucho tiempo para su desarrollo. El desarrollo se inició en 1955 y las pruebas continuaron al menos hasta 1965. Las inestabilidades de combustión se abordaron desde 1959 hasta 1961. Consulte Wikipedia F-1 . Las primeras pruebas de la cámara de combustión se realizaron con alimentación a presión antes de que las bombas propulsoras estuvieran listas.
En la aplicación específica para BFR/BFS, este es un duplicado de esta pregunta: space.stackexchange.com/questions/25158/… . Respuesta corta: necesitan al menos 6 motores en la nave espacial para redundancia (más boquillas terrestres y espaciales). Eso determinó el empuje del motor y resultó que necesitaban 31 de ellos para el refuerzo.
RD-170 (Zenit booster), cortado por la mitad hace un RD-180 (Atlas V) cortado por la mitad nuevamente hace un RD-191 (usado como un par en Antares) es casi lo mismo que un F-1 y es al menos teóricamente todavía en servicio. El Zenit todavía está volando, de vez en cuando, y usa uno de estos motores.
@geoffc Estoy corregido. He editado mi pregunta para agregar un calificador.
Creo que el uso común de la frase eufemística "inestabilidades de combustión" realmente hace que sea más difícil para el público en general entender qué tipo de problema es realmente, a estas escalas. Evoca la idea de la inestabilidad de la combustión en el motor de un automóvil, como que el motor tose un poco, el escape humea un poco, una pequeña sacudida , etc.
@AnthonyX Meh! Buena comadreja con cámara de combustión única. :) Pero de alguna manera deja claro que era más fácil, más barato y más sostenible (F-1 voló solo en SV, RD-170 todavía está en producción en serie, más o menos, después de más de 20 años de vuelo. O el tiempo que sea Zenit ha estado en servicio, al menos desde mediados de los 90).

Respuestas (1)

En primer lugar, la agrupación de motores ahorra mucho trabajo de ingeniería. Solo diseñas un motor, en lugar de más de uno. Esto es especialmente valioso en el mundo extremadamente conservador de la industria aeroespacial clasificada por el hombre. Se reduce a la modularidad.

En segundo lugar, si es sensible a los costos y está tratando de producir un barco en masa, el agrupamiento le permite producir motores en masa. Para casi todos los métodos de producción, excepto (e incluso incluyendo) la impresión 3D y la construcción manual artesanal, cualquier cosa que pueda hacer para aumentar la cantidad de cosas idénticas construidas reduce en gran medida el costo por artículo individual.

En tercer lugar, varios motores le permiten ajustar el empuje encendiéndolos y apagándolos. Debe entenderse que la etapa inferior del Falcon 9 en realidad no puede flotar; con los tanques vacíos, no puede acelerar lo suficiente como para flotar y, en cambio, debe "flotar".

En cuarto lugar, es más probable que grandes grupos de motores tengan una falla individual, pero no perderán una cantidad significativa de empuje por una sola falla. El Saturn V se estrellaría si un motor F-1 fallara lo suficientemente pronto, ya que eso le quitaría 1/5 del empuje total.

Quinto, los motores de cohetes grandes son problemáticos . Es más probable que sufran "inestabilidades de combustión" del tipo que hace que el cohete explote. Esto fue parte de la razón por la que la F-1 tardó tanto en desarrollarse, como lo mencionó Uwe, y es parte de la razón de la tendencia de Rusia a usar clústeres. El SSME se considera un motor de muy alto rendimiento con un costo extremo concomitante. En términos más generales, a menudo hay problemas que conducen a un "punto óptimo" entre pequeño y grande: las máquinas pequeñas a menudo tienen un rendimiento/peso deficientes, y las grandes chocan contra los componentes desfavorables de la ley del cubo cuadrado tanto como aprovechan los favorables, un problema particular para los recipientes a presión.

Los grupos de motores también dan como resultado un entorno de ruido y vibración más agradable, debido a cómo se suman las fuentes de ruido no correlacionadas: sengpielaudio.com/calculator-leveladding.htm