¿Por qué 31 motores para el BFR?

¿Alguien sabe cuál es la historia?

El principal impulsor de la gran cantidad de motores en la primera etapa del BFR es el deseo de utilizar un diseño de motor común (aunque con diferentes toberas optimizadas) tanto para la etapa de refuerzo como para la etapa de la nave espacial interplanetaria. Construir y mantener solo un tipo de motor hace que las cosas sean más eficientes, y es una estrategia que les ha funcionado bien en Falcon 9/Heavy. La etapa superior usa 6 de ellos (en el diseño de septiembre de 2017), y ese número está determinado por los requisitos de redundancia y rango de empuje. Si la etapa superior usa 6, la etapa de refuerzo mucho más grande necesita muchos más.

¿Son los motores más grandes desproporcionadamente más difíciles de diseñar o mantener?

Los motores grandes son generalmente más difíciles de construir, aunque pueden ser más eficientes en masa. Los problemas de inestabilidad de la combustión plagaron el desarrollo del motor F-1 utilizado en el cohete Saturno V.

SpaceX parece ser bueno en la construcción de motores livianos y potentes (se dice que la serie Merlin tiene la mayor relación empuje-peso de cualquier motor de cohete de combustible líquido), por lo que no necesitan motores grandes para ser eficientes.

Más motores significan más fallas posibles, pero siempre que los modos de falla estén contenidos en un solo motor, perder uno de los 31 motores es un problema menor que perder uno de los 9. Los motores de SpaceX parecen ser generalmente confiables, por lo que no parece ser una preocupación tampoco.

La respuesta de Russell Borogove llega a la raíz del problema. Querían un mínimo de 6 motores en el BFS, lo que significaba que el BFR tenía que tener varias veces más, y eligieron el número 31.

31 boquillas, sin embargo, no es un récord. La Soyuz tiene 5 núcleos. El núcleo central tiene 4 boquillas principales y 4 vernier, y los núcleos laterales tienen 4 boquillas principales y 2 vernier cada uno, lo que hace un total de 20 boquillas principales + 12 boquillas vernier = 32 boquillas. Eso es un total de 32 boquillas y cámaras de combustión, pero cada núcleo tiene solo un conjunto de turbobombas, por lo que generalmente se cuentan como un motor por núcleo para un total de 5.

Los rusos / soviéticos tienen un historial de fabricación de motores que comprenden una sola turbobomba que alimenta 4 cámaras de combustión principales (y, a veces, algunas cámaras de combustión vernier). La razón por la que hacen esto es para evitar los problemas de inestabilidad de la combustión que vienen con cámaras de combustión muy grandes. Probablemente también ahorre en costos de herramientas y en costos de desarrollo.

El más grande de estos 4 diseños de cámara de combustión es el RD170/RD171M . Se han fabricado derivados más pequeños de 2 cámaras y 1 cámara. El Energiya Uragan era un cohete propuesto que constaba de un núcleo central rodeado por ocho propulsores, cada uno con un motor RD170. Incluyendo las 4 boquillas del núcleo central, habría tenido un total de 36 boquillas. Desafortunadamente, este diseño coincidió con el colapso de la Unión Soviética, y en la agitación política y económica, el programa espacial fue archivado.

El motor F1 del Saturno V (6770 kN de empuje al nivel del mar) tenía, con mucho, la cámara de combustión más grande de todos los motores de cohetes de combustible líquido y era completamente inacelerable. La siguiente cámara de combustión más grande se encuentra en el RS-68 (cámara única, 3137 kN de empuje al nivel del mar, utilizada en el Delta IV). Eso es aproximadamente 4 y 2 veces más grande que el raptor (1700 kN de empuje al nivel del mar) respectivamente.

Por lo tanto, intentar desarrollar una cámara de combustión regulable mucho más grande que la Raptor habría sido un desafío de ingeniería completamente nuevo, y Spacex no estaba interesado en ello: están interesados ​​​​en optimizar la relación empuje-peso, impulso específico y costo.

SpaceX podría haber tomado una ruta similar a la de los rusos y haber equipado el BFR con ocho conjuntos de turbobombas que alimentan 4 cámaras de combustión cada una para un total de 32. Esto les habría permitido reducir su "recuento de motores" nominal y conservar algunas partes comunes. con el BFS. Sin embargo, no habría reducido la cantidad de tubería requerida en comparación con el diseño elegido.

SpaceX optó por tener 31 motores completamente independientes para una mayor tolerancia a fallas.

La gente a menudo señala la falla del cohete lunar soviético N-1 de 30 motores como una razón para no usar una gran cantidad de motores. Pero este fue un diseño apresurado (finalmente cancelado porque los estadounidenses llegaron primero a la luna) y aunque tenía algunos problemas de plomería, el mayor problema fue tratar de controlar todos esos motores con una computadora de 1960, que era tan tonta como un microondas moderno. horno, y mucho más laborioso de programar!

Musk cree que con las computadoras modernas, una gran cantidad de motores independientes es una ventaja.

SpaceX ha estado desarrollando un motor de metano/LOX llamado Raptor que es aproximadamente 2 veces más potente que el motor Merlin. (Esta es la primera iteración de Raptor con un empuje de alrededor de 400 Klb. El primer Merlin (1A) fue de 75 Klb, la versión actual está más cerca de los 200 Klb. Así que espere un aumento del rendimiento).

31 motores a alrededor de 400 Klbs de empuje dan alrededor de 12,4 millones de libras de empuje.

¿Cuáles son las alternativas existentes? Algunos de los motores más grandes jamás construidos (por empuje) fueron el F-1 (EE. UU.) y el RD-170 (Rusia). Ambos están cerca de 1,5-1,8 millones de libras de empuje. (El valor real cambia con el tiempo. Hubo una versión F-1 de 1,8 ml que nunca voló, por ejemplo).

Todavía necesitaría un grupo de tales motores, 7 o más para lograr el mismo rendimiento. Una vez que llegas a ese punto, la pregunta es cómo optimizar todo. Es probable que haya muchas soluciones posibles, SpaceX ha apostado por una que se ajuste a sus necesidades.

SpaceX también necesita equilibrar el aterrizaje, donde el empuje (cuando se reduce todo lo posible) debería permitir el aterrizaje del propulsor/nave. Por supuesto, podría usar motores más grandes para el lanzamiento y otros más pequeños para el aterrizaje, pero ahora necesita desarrollar dos motores. Más costo

Resulta que SpaceX está desarrollando dos versiones, nivel del mar y vacío, y sugieren que la etapa superior usaría principalmente modelos de vacío, con 2 o 3 (las iteraciones cambian todo el tiempo) como versiones a nivel del mar para aterrizar, por lo que aprovechan necesidades existentes, para resolver problemas existentes.

El F-1 y el RD-170 fueron muy difíciles de desarrollar. Los motores tan grandes son realmente bastante duros.

SpaceX, después de la experiencia de desarrollar múltiples iteraciones de Merlin, obviamente pasó mucho tiempo pensando en el tamaño adecuado para un motor Raptor. Algunas de sus consideraciones habrían sido la facilidad de desarrollo, la capacidad de aterrizaje, el nivel del mar y el rendimiento del vacío.

Es realmente simple. En primer lugar, se deseaba una gran cantidad de motores para permitir que las fallas aún permitieran que uno alcanzara la órbita. En segundo lugar, el tamaño de los motores Raptor es aproximadamente del mismo tamaño que un motor Merlin. Ser casi iguales permite que las mismas máquinas los fabriquen.

Dicho esto, quieren poner la mayor parte de estos motores en un solo cohete como puedan. 31 encajará y, por lo tanto, eso es lo que planean hacer.