La reutilización de los motores de los cohetes, que son la parte más costosa del cohete, es muy importante para mantener bajos los costos de los cohetes espaciales y, de esta manera, hacer realidad los programas espaciales que se consideran costosos. Pero, ¿afecta esta reutilización al rendimiento del motor cohete?
Me interesa conocer las prestaciones del mismo tipo de motores cohete pero en diferentes versiones, uno reutilizable y otro de lanzamiento único. Probablemente la reutilización afecta el peso (de esta manera, incluso la relación entre empuje y peso) y el costo del motor, pero ¿qué pasa con otros elementos que tienen que ver con el rendimiento, como el empuje en sí mismo, el impulso específico, la presión de la cámara? Si las actuaciones son diferentes, ¿cuánto podría ser diferente? Se trata de algo significativo, digamos un desempeño considerablemente diferente, o una influencia menor en el desempeño casi idéntico. Ilustrando con valores o ejemplos sería mejor entender cuánto son las diferencias en caso de que existan diferencias.
EDITAR: Como Russell ha mencionado, un motor de cohete reutilizable debe tener una ingeniería más robusta en general.
Uno de los problemas en los motores de cohetes es el calentamiento por quemar los propulsores. Al forzar más el motor, más rápido se calienta y en un nivel más alto. Para un motor reutilizable, si la temperatura se mantiene en esos niveles que no son peligrosos, supongo que podría funcionar durante más tiempo que un motor de un solo uso. En el nivel de temperatura seguro en el que el motor sigue siendo reutilizable, podría funcionar “indefinidamente” (durante mucho tiempo). Pero me preguntaba si el rendimiento podría ser mayor forzando más este motor reutilizable, forzándolo en esos niveles de temperatura que no destruyen todo el motor pero destruyen partes esenciales y haciendo que su durabilidad en esa situación que no puede sobrevivir a dos lanzamientos, como en los motores de un solo uso, o no es tan sencillo que puedes forzar el motor como quieras y subir el Thrust,
Entonces, ¿significa esto que el motor reutilizable tiene más "espacio" para forzarlo a sus límites al máximo, tal vez con el costo que no puede sobrevivir a otro lanzamiento como el diseño del motor de un solo uso, pero con la "ganancia" que el rendimiento sera mas alto?
Un motor reutilizable tiene que tener una ingeniería más robusta en general, pero como lo demuestra el motor Merlin de SpaceX, las altas relaciones empuje-peso ciertamente se pueden lograr en los motores reutilizables.
Algunos motores, como el RS-68 , usan un recubrimiento ablativo en la boquilla para disipar el calor, en lugar de enfriamiento activo en las paredes de la boquilla. En el RS-68, esto es en realidad más pesado que la alternativa, lo que produce una relación empuje-peso más baja, pero mucho más barato de construir.
Creo que un presupuesto de ingeniería y fabricación suficiente puede superar cualquier limitación de rendimiento dada de un diseño de motor reutilizable.
Si tuviera que diseñar 2 motores (uno reutilizable, uno desechable) con el mismo empuje, impulso específico y presión de cámara:
el motor reutilizable sería más pesado, más caro o ambas cosas. Para un motor reutilizable, las piezas deben diseñarse con una vida útil mucho más larga que para un motor desechable. Puede hacerlo de dos maneras: hacer que la pieza sea más pesada para proporcionar un mayor margen de desgaste o usar mejores materiales que se desgasten más lentamente.
El motor reutilizable probablemente también sería más complejo: desearía diseñarlo para que sea fácilmente accesible para su inspección y (si es necesario) el reemplazo de piezas. Por lo tanto, tendría paneles de acceso, tuberías con bridas atornilladas en lugar de soldaduras, etc. Tal vez movería la turbobomba a un lugar de fácil acceso (que necesita más tuberías que el lugar habitual en la parte superior de la cámara de combustión).
Cuando desea aumentar el rendimiento de un motor existente, solo tiene unas pocas opciones. Puede hacer que la combustión sea más eficiente (poco probable, porque ya tiene una combustión eficiente para empezar). O puede inyectar más combustible y oxidante. Cuando haces eso, la presión de la cámara de combustión aumenta. La presión en las turbobombas y en las tuberías también aumenta.
Estos componentes están construidos para soportar una cierta presión. Este límite de diseño es un poco más alto que la presión de operación normal. Este es el margen con el que puede trabajar.
Los materiales tienen una cierta resistencia a la tracción, esto depende de su temperatura. En un motor de cohete, los componentes deben mantenerse por debajo de la temperatura a la que un metal comenzaría a ablandarse. Por encima de esta temperatura, el componente se degradará rápidamente.
Si toma un motor reutilizable y lo usa en modo prescindible, la única forma en que puede mejorar el rendimiento es utilizando este margen. Si el motor tiene que funcionar durante 2 minutos, puede intentar hacerlo funcionar de manera que los componentes alcancen su temperatura crítica a los 2 minutos y 15 segundos, cuando la etapa se haya quemado y la segunda etapa esté lo suficientemente lejos como para que se produzca una explosión en la primera etapa. no dañará la segunda etapa.
Sin embargo, esta es una propuesta difícil. Cuando un material se acerca a sus límites, su comportamiento no es lineal. Digamos que tienes un motor que puede funcionar indefinidamente a 1000 ºC. Si aumenta su temperatura de funcionamiento en un 5 %, la vida útil del motor no se reducirá en un 5 %. Todavía podría ser bueno para una operación indefinida a la nueva temperatura, o podría derretirse después de 30 segundos. Esto depende del diseño detallado del motor y de los márgenes que se utilizaron en su diseño.
Las partes críticas no son piezas de desgaste: una cámara de combustión no está diseñada para perder material a medida que se usa (revestimiento ablativo, por ejemplo). Si este fuera el caso, sería fácil: simplemente haga funcionar el motor para quemar el revestimiento ablativo de una sola vez en lugar de hacer que dure 10 misiones.
La cantidad de rendimiento que puede obtener de esta manera depende del diseño exacto del motor: los materiales que se usaron, los márgenes utilizados por los diseñadores. Supongo que en un diseño de motor maduro tendrá muy poco margen para trabajar. Demasiado margen significa que el motor es demasiado pesado.
Aquí hay un documento que brinda una idea de las decisiones de diseño que se tomaron para hacer que el SSME sea reutilizable. Al leer el documento, tengo la impresión de que las principales diferencias estaban en el proceso de diseño en sí: tuvieron que investigar para encontrar materiales y un diseño detallado de los componentes que fuera duradero. Entonces, el proceso de diseño era más costoso porque necesitaban avanzar en el estado del arte, encontrando materiales y métodos de construcción más confiables.
También necesitaban diseñar el motor para mantenerlo. Necesitaban asegurarse de que las piezas de desgaste fueran fácilmente accesibles para minimizar el tiempo dedicado al mantenimiento, tenían que proporcionar paneles de inspección, crear herramientas, etc.
El motor principal del Orbiter es el primer gran motor de cohete líquido diseñado específicamente para una larga vida útil. El motor es capaz de completar 100 arranques o 7,5 horas de funcionamiento entre revisiones. ... Fueron necesarios cambios específicos en los diseños de motores anteriores para cumplir con este requisito de larga vida útil. Sin embargo, en cada caso, se evaluó el peso del cambio de diseño por su impacto en la capacidad de carga útil del peso del motor al orbitador. Algunos de los sistemas y componentes del motor diseñados para una larga vida útil son el sistema de gas caliente, la turbomaquinaria y los asientos de válvulas.
Todos los sellos de la turbobomba funcionan con una holgura positiva para evitar el desgaste y garantizar una larga vida útil. Las bajas cargas de los cojinetes están garantizadas por un sistema de pistón de equilibrio dentro de la turbobomba que reduce las cargas axiales del eje. La vida útil de los cojinetes de la turbobomba está determinada por la fatiga del contacto rodante, que es una función de la velocidad y la carga. ... El uso de materiales fundidos al vacío aumenta aún más la vida útil, por lo que la vida útil promedio prevista de los rodamientos es aproximadamente 65 veces el valor de vida B,.
Un sello retráctil para las válvulas de bola del propulsor es una característica exclusiva del motor, agregada específicamente para proporcionar una larga vida útil y reutilización.
La comprobación automática, el control operativo de las fugas en las bridas y la detección automática de fugas en el asiento de la válvula propulsora han reemplazado las técnicas funcionales y de fugas manuales utilizadas en los sistemas de motor anteriores. Las técnicas de monitoreo de la vida útil de la inspección interna, la instrumentación de mantenimiento y las verificaciones de fugas del sistema de drenaje fueron el resultado de un análisis de la capacidad de mantenimiento realizado al principio de la fase de diseño. Dado que el mantenimiento correctivo representa el gasto individual más grande de recursos durante el ciclo de respuesta de SSME, la accesibilidad y el manejo del hardware se enfatizaron al principio de la fase de diseño. Este concepto de mantenimiento da como resultado un ciclo de mantenimiento para los tres motores principales del Orbiter que requiere un promedio de 25 horas de las 160 horas del Orbiter.
se hizo un gran esfuerzo para proporcionar una capacidad de inspección interna completa. Este esfuerzo definió los requisitos, el equipo seleccionado, el uso programado y los puertos de acceso diseñados.
El SSME se probó al menos al 111 % de la potencia nominal. Para vuelo, 109% fue el máximo.
Otras lecturas:
Este documento resume los cambios realizados en el SSME durante la vida del programa. En varios incrementos, redujeron la cantidad de componentes y el tiempo requerido para fabricarlos.
Otra cosa a considerar es el RS-25E, la variante prescindible del SSME que se está planeando para el SLS. Aunque, que yo sepa, no están planeando ningún aumento de rendimiento para eso, solo una disminución en el costo de fabricación.
¿El conjunto de datos de los motores de cohetes diseñados para su reutilización es posiblemente tres o cuatro?
Prácticamente todos los demás motores han sido diseñados para ser gastados. Pero rara vez en el verdadero sentido, que sería hacerlo barato y agruparlos.
El SSME se considera de muy alto rendimiento y muy costoso. Muchos cuestionarán que incluso fue diseñado para su reutilización en función de su historia real.
La información del motor Merlin es que se ha utilizado el mismo diseño básico tanto para la reutilización como para la prescindibilidad. Más allá de la necesidad de poder iniciar el aire (algo de lo que carece el SSME, y se consideraron algunos diseños iniciales de Constellation), no parece haber mucho que cambiar.
Obviamente, si usa un diseño de boquilla ablativa, no tiene mucho sentido en el mundo de la reutilización.
En términos de rendimiento, SpaceX nunca ha indicado que haya alguna penalización por la reutilización del motor Merlin. Fue diseñado de esa manera desde el principio. Desea poder probar su motor, una y otra vez antes del vuelo, por lo que se requiere al menos un nivel básico y marginal de reutilización.
Los SSME se probaron antes de los lanzamientos y luego se prepararon para el lanzamiento, más extensamente que lo que requeriría un Merlín.
Algunos propulsores líquidos realizan pruebas de fuego caliente, por lo que incluso los consumibles tendrían que ser marginalmente reutilizables para realizar esta tarea.
Entonces, en algún nivel, los motores de combustible líquido generalmente se construyen para una reutilización marginal. (Obviamente motores sólidos, no tanto).
Por lo tanto, puede ser que la pregunta sea algo discutible, ya que cualquier motor que realice pruebas de fuego caliente o pruebas de aceptación del motor probablemente sea casi reutilizable para empezar, incluso si se usa como desechable.
Creo que estás haciendo la pregunta equivocada. Los motores reutilizables ciertamente tendrán un rendimiento inferior a los prescindibles, al menos para un costo/masa/tamaño/TWR/ect determinado. Solo piense en lo baratos y simples que son los modelos de motores de cohetes. No son más que explosivos en un tubo de cartón, y no puedo imaginar cómo se te ocurriría un sistema reutilizable similar sin hacer grandes sacrificios.
La verdadera cuestión de la reutilización es "¿Cómo se recupera un motor/vehículo reutilizable?" Considere cómo se recuperan los SRB del transbordador espacial: salpicando y siendo remolcados. Esto simplifica el aterrizaje, ya que todo lo que necesita son paracaídas para frenar la caída, pero presenta el problema del agua salada. Resulta que bañar tus SRB en un océano corrosivo es malo para ellos.
Ahora piense en un aterrizaje al estilo SpaceX o Blue Origin en tierra. Es mucho más complicado debido a la necesidad de tren de aterrizaje, guía y combustible extra para aterrizar suavemente, pero dejé mi cohete en condiciones relativamente prístinas. Los motores no están siendo devorados por el agua salada y no necesitan el mismo tipo de limpieza y restauración intensiva. Eso se traduce en menos costo.
Por lo tanto, no se trata tanto del motor como de cómo recuperarlo.
No creo que sea una pregunta muy útil. Muchos motores están más limitados por la cantidad de dinero que una empresa está dispuesta a invertir tanto en el desarrollo como en el costo de producción de los motores. Ambos tipos de motores podrían tener un mayor rendimiento si los constructores estuvieran dispuestos a invertir mucho más dinero en I+D y/o en los costes de producción del motor. Si interpreto su pregunta con un implícito "asumiendo que los costos de I + D y producción son similares", sería mucho más difícil de responder. Las razones para desarrollar un motor y, por lo tanto, el presupuesto nunca son las mismas.
Algunos ejemplos:
Como mencionó @Russell, el RS-68 se diseñó con un recubrimiento de boquilla ablativo en lugar de enfriar la boquilla con combustible o fabricar la boquilla con un material más resistente al calor para reducir costos, aunque esto redujo el rendimiento.
Casi todos los motores de cohetes construidos en los EE. UU. existentes hasta hace muy poco usaban un ciclo de generador de gas, que es más simple pero menos eficaz que los ciclos de combustión por etapas. La URSS desarrolló motores de combustión por etapas ricos en oxígeno y tenían un rendimiento mucho mayor que los motores comparables fabricados en EE. UU.
SpaceX es ahora la primera compañía que desarrolla un motor de combustión por etapas de flujo completo (el Raptor), que teóricamente es el ciclo de mayor rendimiento. Es solo porque se esfuerzan por hacer que los cohetes sean reutilizables que tiene sentido invertir en un ciclo tan avanzado. Con un cohete no reutilizable, es más barato hacer que el motor y el cohete sean un poco más grandes en lugar de invertir todo este dinero en un ciclo mejor.
El único sistema reutilizable antes de los cohetes de SpaceX era el transbordador espacial, pero su presupuesto de desarrollo estaba determinado por intereses políticos. El costo de desarrollo fue una de las principales razones por las que terminó con propulsores de combustible sólido: alto empuje, más baratos de desarrollar y 'reutilizables', pero recuperar y restaurar los SRB era tan costoso como construir otros nuevos.
Estados Unidos invirtió mucho en tecnología de cohetes de combustible de hidrógeno líquido. Esto es más eficaz para trayectorias de alta energía (es decir, lanzamientos interplanetarios). Para los lanzamientos en órbita terrestre también puede haber alguna ventaja de rendimiento dependiendo de cómo defina 'rendimiento', pero no es más barato. Las nuevas compañías espaciales no están invirtiendo mucho en hidrógeno, y Rusia nunca construyó motores alimentados con hidrógeno. Pero la ULA y la ESA continúan usándolo porque la tecnología ahora existe y tienen experiencia en ella.
Si alguien quisiera construir el motor de cohete de mayor rendimiento (convencional), ya sea reutilizable o no, donde el rendimiento se mide por impulso y empuje específicos, y el dinero no es un problema, probablemente optaría por un motor de hidrógeno-oxígeno de combustión por etapas de flujo completo, pero no existe tal motor ni planes para tal motor.
La definición de 'rendimiento' tampoco está clara. Si 'rendimiento' solo significa empuje, siempre puede construir motores más grandes de ciclos existentes o un cohete de combustible sólido. Si 'rendimiento' solo significa impulso específico, debe observar los propulsores de iones y otros tipos de motores eléctricos, pero tienen un empuje muy bajo. Lo mejor teórico sería un motor que emita fotones por su impulso, es decir, una lámpara.
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Felipe Ngai