¿Por qué Falcon Heavy no despega con 100% de empuje?

Porque terminas obteniendo más ΔV total del trato, que es lo que importa. Al reservar algo de propulsor en el núcleo central cuando los núcleos externos se encuentran en etapa, de repente obtiene mucho más ΔV del propulsor restante porque no está empujando tanta masa cuesta arriba.

La etapa superior del Falcon es relativamente débil cuando se trata de ΔV (es por eso que un Atlas puede poner una carga útil más pesada en GTO/GEO que F9, aunque la situación es inversa para LEO), por lo que desea maximizar el ΔV que obtiene de el refuerzo

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Ecuación ^{1 del} cohete ideal de Tsiolkovsky :

Para calcular el ΔV total para un cohete de etapas múltiples, calcule el ΔV para cada etapa por separado y sume los resultados.

Según Spaceflight 101 , la masa seca de F9 es de ~25 600 kg y la masa de apoyo es de ~395 700 kg, y el impulso específico de M1D al nivel del mar es de ~282 s (esas cifras están desactualizadas con respecto a los últimos núcleos de Falcon y no tienen en cuenta para la masa seca adicional del núcleo central de FH, pero debería ser lo suficientemente bueno para ilustrar el punto). También usaremos sus números para la etapa superior, suponiendo una carga útil de 2000 kg, debería resultar en 98 570 kg. Y la ecuación ideal del cohete no tiene en cuenta las pérdidas por arrastre aerodinámico o de gravedad, por lo que estos números no reflejarán el rendimiento real, pero nuevamente, esto es principalmente con fines ilustrativos.

Así que tenemos dos escenarios. En el primer escenario, quemamos los tres núcleos de la primera etapa hasta el agotamiento y los soltamos todos al mismo tiempo:

Burn #      Start Mass (kg)   End Mass (kg)    Delta V (m/s)
------      ---------         --------         -------
     1        1362470           175370            5666

En el segundo escenario, quemamos el núcleo central al 80 %, de modo que cuando los núcleos externos se agotan, todavía queda un 20 % de propelente en el núcleo central. Soltamos los núcleos exteriores y seguimos quemando el propulsor restante en el núcleo central:

Burn #      Start Mass (kg)   End Mass (kg)    Delta V (m/s)
------      ---------         --------         -------
     1        1362470           254510            4637
     2         203310           124170            1363

Dándonos un ΔV total de (muy) aproximadamente 6000 m/s. Entonces, al reducir el núcleo central en un 20%, ganamos aproximadamente 340 m/s ΔV adicionales.

La idea detrás de la transmisión cruzada es permitir un evento similar a una puesta en escena.

El núcleo central extrae combustible de los impulsores laterales, por lo que cuando están vacíos y gastados, el núcleo central todavía está lleno de combustible para ser la segunda etapa. El kit de prensa fue lanzado y parece que esto solo le da al escenario central central 35 segundos de tiempo de vuelo adicional. Eso me sorprendió, esperaba más.

Sin alimentación cruzada, se obtiene algo similar al reducir el núcleo central para que pueda funcionar después de la separación de etapas durante un período de tiempo. Es decir, puede soltar los núcleos laterales y aún ejecutar el núcleo central para obtener el beneficio de un empuje completo durante más tiempo sin la masa adicional del núcleo lateral. (Lo cual es una definición muy pobre del valor de la puesta en escena).

Dicho de otra manera, lo convierte en una etapa adicional en lugar de solo una primera etapa más potente. Aunque, solo por 35 segundos extra.

SpaceX renunció a la alimentación cruzada, la mayoría asume, porque era mucho más difícil de lo que esperaban y, a medida que aumentaba el rendimiento de Falcon 9, ningún cliente lo necesitaba.

El Falcon 9 1.0 original con un Merlin 1C tenía una carga útil de unos 10.000 kg hasta LEO. El Falcon 9 1.1 actualizado con Merlin 1D tiene una carga útil de aproximadamente 13 000 kg para LEO. El Block 3 Falcon 9 1.2 Full Thrust que actualmente vuela tiene una carga útil de 23.000 kg hasta LEO. (Usé todos los nombres posibles en ese, ¿ves lo que hice?). Se espera que el Block 5 que pronto volará (en teoría) tenga un aumento adicional del 10% en el rendimiento.

El primer Falcon Heavy está utilizando dos Block 3 que anteriormente se volaron como propulsores laterales y un nuevo propulsor central.

Se espera que las futuras misiones de Falcon Heavy utilicen núcleos Block 5, con todo el rendimiento adicional.

Por lo tanto, pudieron recuperar prácticamente todo el rendimiento de alimentación cruzada ofrecido, solo por el aumento en el rendimiento a medida que maduraba el diseño del Falcon 9. Recuerde que Falcon Heavy se anunció en 2011 y estos han sido años muy evolutivos en SpaceX para el impulsor Falcon 9.

"Cuanto más empuje, mejor" no es cierto en todos los casos. Las dos razones principales son la carga g y la resistencia atmosférica.

Durante la quema de la primera etapa, un Falcon 9 de un solo brazo tendrá el empuje de una primera etapa acelerando el peso de la primera etapa, la segunda etapa y la carga útil. Al reducir ligeramente la velocidad hacia el final de la ejecución de la primera etapa, la aceleración máxima (y, por lo tanto, la tensión en la carga útil y el adaptador de la carga útil) tiene un tope (creo) de 6 g.

Con el Falcon Heavy de tres núcleos, el empuje se triplica pero el peso es menos del triple: todavía hay solo una segunda etapa y una carga útil. En igualdad de condiciones, esto aumentaría la aceleración (particularmente hacia el final de la quema, cuando la primera etapa y los impulsores estarán casi vacíos y, por lo tanto, bastante livianos).

En cambio, al reducir el empuje y la tasa de consumo de combustible de la etapa central, actúa como un "lastre", limitando la aceleración máxima de la pila para que la carga útil no se aplaste.

La resistencia atmosférica es la otra consideración; ir demasiado rápido en aire denso (es decir, a baja altura) desperdicia energía. Para un cohete de alto empuje como el FH, puede ser más eficiente guardar un poco de empuje para más adelante.