¿Por qué diseñar nuevos motores de cohetes en lugar de utilizar los tipos existentes?

Ars Technica tiene un par de artículos que dan una idea de por qué es deseable usar nuevos diseños: la NASA ha estado trabajando en una versión actualizada del F-1 (el motor de la primera etapa del Saturno V).

Algunas de las principales diferencias:

Otra clara diferencia es la construcción de la propia tobera de escape. La tobera del F-1 se componía de dos partes: la primera parte era en realidad una serie extremadamente compleja de tubos soldados y atados con aros, como duelas en un barril. El combustible de queroseno se hizo circular a través de los tubos para absorber el calor y enfriar el escape. Los tubos se extendían hasta el distintivo colector de escape de la turbobomba y luego volvían a subir. Debajo del colector, que envolvía el motor como un par de dedos, había una extensión de boquilla removible que enfocaba la combustión del motor y ayudaba al motor a generar empuje adicional.

Los avances en las técnicas de fabricación permitirán que el F-1B prescinda del complicado tubo de la boquilla superior; Tal como está previsto actualmente, el nuevo cohete contará con una cámara de empuje mucho más simple y una tobera hecha de acero; según Andy Crocker de Dynetics, la tobera constará de un revestimiento interior y una cubierta exterior, soldados entre sí, con refrigeración proporcionada por el combustible que fluye a través de ella. Ranuras simples en el forro interior. Esto es mucho más fácil y menos costoso de construir que el diseño de pared de tubo de "aro de barril" que requiere mucha mano de obra del F-1 original.

El sistema de control se basará en software en lugar de una computadora hidráulica analógica:

Otra diferencia significativa sería la incorporación de electrónica moderna en la secuencia de encendido y encendido del motor. El F-1 empleó un sistema de válvulas y control de presión casi Rube Goldbergian,

El F-1 tenía algunos errores incorporados porque no podían analizar completamente el comportamiento del motor. El problema de la inestabilidad de la combustión, por ejemplo, fue 'arreglado' por ensayo y error. En estos días, podría ejecutar simulaciones en un modelo CAD y encontrar una solución óptima.
CAD también le permite optimizar el diseño para un peso mínimo: el F-1 fue diseñado en exceso (es decir, más pesado de lo necesario).

aunque los principios detrás de la F-1 son bien conocidos, algunos aspectos de su funcionamiento simplemente no se entendían completamente en ese momento. El problema de inestabilidad de empuje es un ejemplo perfecto. A medida que se construía el F-1, los primeros ejemplos tendían a explotar en el banco de pruebas. Las pruebas repetidas revelaron que el problema fue causado por el penacho ardiente del propulsor que giraba mientras se quemaba en la boquilla. Estas rotaciones aumentarían en velocidad hasta que ocurrieran miles de veces por segundo, provocando violentas oscilaciones en el empuje que finalmente volaron el motor. ... los ingenieros finalmente usaron un conjunto de barreras rechonchas (deflectores) que sobresalían de la gran placa perforada que rociaba combustible y oxígeno líquido en la cámara de combustión (la "placa del inyector"). Estos deflectores amortiguaron la oscilación a niveles aceptables,
La disposición del deflector "fue solo una cuestión de prueba y error", explicó el ingeniero senior de propulsión RH Coates. "Pero nos gustaría modelar eso y decir, bueno, ¿qué pasa si quitas uno de esos deflectores?" Debido a que los deflectores están montados directamente en la placa del inyector, ocupan un área de superficie que, de lo contrario, estaría ocupada por más orificios del inyector que rocían más combustible y oxidante; por lo tanto, le roban potencia al motor. "Entonces, si desea aumentar el rendimiento de esta cosa, podemos evaluarlo con técnicas analíticas modernas y ver qué le hace a su estabilidad de combustión".

Las modernas técnicas de fabricación reducirían drásticamente el número de piezas:

"Una cosa que noto cuando miro hacia atrás en los motores más antiguos", comentó Coates, el ingeniero senior, "era como Nick y Erin aludían: la complejidad de las soldaduras. No tenía el tipo de fabricación avanzada que teníamos hoy, honestamente, estas eran máquinas hechas a mano. Fueron cosidas con soldadores de arco, y es bastante sorprendente ver lo suave y elegante que quedó. Hoy, verías hacer fundición de precisión, no estos miles de soldaduras".

... Los motores F-1B (serán) construidos con técnicas que se asemejan más a la impresión 3D que a la fundición o el fresado tradicionales. La cámara de combustión principal y la tobera en particular experimentarán una enorme simplificación y consolidación; el recuento de piezas para esos dos conjuntos juntos se reducirá de 5600 elementos fabricados en el F-1 original a solo 40.

Así que redujeron el número de piezas por un factor de ~ 100. Eso no es un ahorro pequeño. Junto con el recuento de piezas, la cantidad de trabajo manual se reduce en un factor de más de 100 (menos piezas y piezas que pueden fabricarse automáticamente en lugar de requerir pasos manuales).

También hay razones no técnicas para optar por un nuevo diseño. Muchos motores de cohetes están diseñados por empresas comerciales que no compartirán sus diseños con otros. En otros casos, las naciones quieren construir una industria espacial independiente, por lo que aceptarán que su industria tendrá que reinventar la rueda hasta cierto punto.

Finalmente, el tamaño y la complejidad juegan un papel. Necesita motores que sean adecuados para la cantidad de carga útil que desea lanzar. Podría construir un cohete similar al Falcon 9 usando 3 SSME, pero luego perdería la capacidad de apagado del motor del Falcon 9.
El SSME también es muy costoso, en parte porque fue diseñado para ser reutilizado. Un fabricante de cohetes desechables querría algo más simple y económico.