¿Por qué el Falcon 9 tiene 9 motores?

SpaceX inicialmente buscaba comprar un motor, pero no pudo encontrar uno en el mercado que les permitiera cumplir sus objetivos.

Una vez que decidieron desarrollar el suyo propio, tuvieron que considerar sus objetivos: Confiabilidad y costos reducidos.

Nueve motores significa que, como máximo en cualquier momento del perfil de vuelo, puede manejar un evento de motor apagado. El Saturno V con 5 motores F-1 experimentó esto y lo aprovechó. Un SpaceX Falcon 9 1.0 en una misión CRS perdió un motor y continuó entregando la carga útil principal a la órbita. (Se podría haber entregado la carga útil secundaria, pero las reglas de seguridad de la NASA en torno a las órbitas de la ISS significaban que no cumplían con los criterios para liberar la carga útil con la certeza suficiente de que no afectaría a la ISS si las cosas salían mal).

Más allá del simple lanzamiento, han planeado la recuperación durante mucho tiempo. La teoría es que no puede reducir los precios seriamente si sigue tirando el hardware en cada vuelo.

Para aterrizar una primera etapa, debes atravesar la atmósfera lo suficientemente lento como para sobrevivir. Los paracaídas no funcionaron, pero el retroempuje sí.

Una primera etapa, en el lanzamiento, necesita todo el empuje que pueda obtener, ya que tiene más del 90% de combustible y oxidante.

Una primera etapa en el aterrizaje es solo el 10% del peso y, de hecho, el problema es que no puede acelerar los motores lo suficiente.

Pero al usar una gran cantidad de motores (9), puede controlar el empuje acelerando los nueve según sea necesario y apagando los motores según sea necesario. De hecho, durante el lanzamiento, apagaron dos motores a la mitad del vuelo para reducir el empuje a medida que el vehículo quema combustible y oxidante.

Para la recuperación de la primera etapa, encienden tres motores (no está claro si las primeras dos de las tres quemas usan 3 motores, o solo el primero), y finalmente un motor, que se aceleró tan bajo como lo hizo, todavía tiene demasiado empuje para realmente flotar. Pero les permite hacer el enfoque de 'hover-slam' que usan. (Entra rápido, empujando para reducir la velocidad de modo que toques el suelo a 0 m/s).

El uso de 9 motores (o 5, o 3) les da un motor central, que está equilibrado para aterrizar. Permite estrangulación. Permite la capacidad de salida del motor. No es una locura como la N-1 con 30 motores. Es una compensación razonable que parece estar funcionando bien con una docena de vuelos hasta el momento.

Después del Falcon 1 , SpaceX planeó inicialmente un cohete de 5 motores (alrededor de 2003). Este Falcon 5 sería la configuración mínima con capacidad de salida del motor basada en el motor Merlin.

Alrededor de 2005, los planes cambiaron. Debido a los requisitos del cliente, SpaceX quería una versión con 9 motores. Extendieron la configuración 1+3+1 a una cuadrícula de 3x3, brindando la máxima similitud.

El Falcon 5 finalmente se canceló, pero para entonces el diseño del Falcon 9 estaba lo suficientemente cerca como para terminar, por lo que siguieron usando la disposición de cuadrícula de 3x3 para los primeros lanzamientos.

La disposición se cambió más tarde al 8+1 "Octaweb" que vemos en el Falcon 9v1.1, que utiliza una estructura más eficiente (más ligera) para transferir el empuje de los motores al fuselaje.

Muchos fabricantes de cohetes usan diferentes motores para diferentes etapas que están hechos a la medida para su propósito.

SpaceX, por otro lado, intenta ahorrar costos utilizando tantas piezas estandarizadas como sea posible. Entonces, en lugar de desarrollar nuevos motores desde cero para cada propósito, solo desarrollaron un motor de cohete para las etapas inferiores de todos sus cohetes: el Merlin . Sí, existen las variantes 1A, 1B, 1C y 1D, pero estas son mejoras de ingeniería incrementales para un motor que tienen el mismo propósito. La única variante del Merlin que es un derivado y no una mejora incremental es la versión de vacío del motor C y D, que en muchos aspectos son muy similares a la versión normal.

Pero, ¿qué hacen cuando su motor es demasiado débil y requieren más potencia, como en la primera etapa de un cohete de elevación media como el falcon 9? Simplemente usan más de ellos. 9 resulta ser la relación empuje-peso ideal para la primera etapa del cohete Falcon 9.

A medida que aumenta el número de motores de cohetes, comienzan a surgir ciertos problemas. La contrapresión aumenta, la vibración aumenta. En ambos casos, creo que esto se debe al hecho de que todos los motores deben, en algún momento, conducir a una sola línea de combustible desde el tanque de combustible donde comienzan los efectos de un solo motor. convertirse en compuesto - supongo que la estabilidad en general. En resumen, no puede simplemente agregar más motores y esperar más potencia sin serias implicaciones negativas: es en gran medida un compromiso. Espero que alguien con más experiencia pueda elaborar mi respuesta.