¿Por qué la Academia Europea del Aire y el Espacio y DLR instan a la ESA y al CNES a reconsiderar el uso de combustibles sólidos para el Ariane 6 propuesto?

Bien, aquí está el desglose general en el debate Sólidos vs Líquidos, con un poco de ayuda de Wikipedia , ESA y NASA :

Sólidos : los cohetes de combustible sólido deben fabricarse en un entorno controlado. Si no se construyen adecuadamente, pueden tener impurezas que resulten en expansiones descontroladas (Explosiones). En términos generales, son más seguros que los líquidos y no requieren precauciones especiales. Los requisitos de la almohadilla son más simples. La mayoría de los modelos de cohetes son de combustible sólido y, de hecho, todo lo que realmente necesitan es una fuente de ignición, además de la verificación del equipo. No tienen la capacidad de acelerar a pedido, aunque se pueden construir de tal manera que se aceleren de acuerdo con una tasa predeterminada. Se pueden detener en cualquier momento expulsando el núcleo sólido. Los requisitos del cohete alrededor del motor son bastante flexibles, y en realidad no hay partes móviles, aparte de una boquilla y aletas que generalmente se pueden regular para uso atmosférico.

Líquidos La mayoría de los cohetes líquidos son criogénicos o tóxicos y requieren que se cargue al menos algún componente en la plataforma de cohetes. Se pueden regular a pedido, permiten una mayor flexibilidad en caso de que surja un problema y se pueden detener y reiniciar. Por lo general, no es seguro estar cerca de un cohete líquido alimentado con combustible, lo que generalmente requiere la evacuación de la plataforma antes del repostaje. Este repostaje requiere un trabajo extra en los últimos minutos. Los cohetes líquidos suelen ser más complejos, pero suelen ofrecer mejores ISP que los sólidos.

Bien, entonces cuando quieres lanzar un cohete a la órbita, ¿por qué querrías uno contra el otro?

Sólido : generalmente un poco más barato y fácil de usar, generalmente menos masivo en general. Podría permitir una reutilización más rápida de la almohadilla.

Líquido Más flexible en caso de problema, permite una gama más amplia de misiones.

El uso de cohetes sólidos para las primeras etapas podría mejorar las capacidades, como demostró el transbordador espacial, pero la etapa superior debe ser líquida o al menos híbrida, o de lo contrario no obtendrá la precisión que se desea.

Vibración Los cohetes de combustible líquido se queman a un ritmo muy continuo y, por lo tanto, tienen relativamente pocas vibraciones. Ligeras impurezas en el combustible sólido pueden hacer que la velocidad de combustión varíe, provocando un mayor nivel de vibraciones. En particular, tratar de obtener ajustes finos de rumbo con un cohete de combustible sólido es muy difícil, lo que genera vibraciones adicionales en el proceso.

Toxicidad La mayoría de los escapes de cohetes líquidos son agua u otros productos químicos naturales, lo que resulta en un daño mínimo por su escape. Los cohetes de combustible sólido tienen un escape un poco más exótico, que causará más daño que el agua, pero aun así son relativamente benignos. En pocas palabras, depende del tipo de combustible que use, hay opciones buenas y malas para el medio ambiente entre cada uno. Los líquidos tienden a ser más extremos en lo bueno/malo que los sólidos, que tienden a estar más consistentemente en el medio del camino.

Esta es una pregunta bastante interesante en retrospectiva ahora.

Cuando se preguntó en 2013, la reutilización del refuerzo fue solo un destello en el ojo de SpaceX. El primer intento del Falcon 9 de aterrizar un propulsor no fue hasta 2015. Pero claramente el precio de SpaceX ya era un problema para la ESA, el Falcon 9 es aproximadamente equivalente al Ariane 5 en capacidad de lanzamiento, pero siempre ha tenido un precio de aproximadamente 1/3 un precio de Ariane 5. Entonces, una pregunta es, ¿cómo obtuvo SpaceX una ventaja de costos tan masiva antes de que incluso dominara la reutilización?

Una razón importante de la ventaja de costos de SpaceX fueron los motores de cohetes de combustible líquido. SpaceX diseñó el Falcon 9 con nueve motores Merlin idénticos y una variante menor, el Merlin de vacío de segunda etapa. Lanzaron veintidós cohetes Falcon 9 entre 2014 y 2016 sin reutilizar ninguno. Eso requirió construir más de 70 motores Merlin al año. Esencialmente, convirtieron lo que antes era un proceso construido a mano en una línea de ensamblaje con todas las ventajas que eso conlleva. Mayor productividad de ensamblaje, las piezas estandarizadas se pueden comprar/construir menos costosas que las piezas personalizadas, un proceso reglamentado que produce productos uniformes y la capacidad de mejorar el proceso y el producto con el tiempo.

Esa mejora claramente ocurrió en el producto final. El primer motor Merlin (para el Falcon 1) solo producía 100 000 lbs de empuje, la versión actual (FT) genera 210 000 lbs.

Los motores de cohetes sólidos no tienen partes móviles, son simples de fabricar y difíciles de mejorar. Incluso si SpaceX se hubiera decidido por nueve cohetes sólidos para su primera etapa, habría habido muchas menos oportunidades de mejorarlos o reducir sus costos.

La otra respuesta obvia que no fue abordada por los otros encuestados es la reutilización del refuerzo. No tirar los propulsores, cada lanzamiento es potencialmente enorme, Elon Musk afirmó una vez que los costos de combustible para un lanzamiento de Falcon 9 eran de solo $ 200,000, o alrededor del 3% del precio de lanzamiento.

Los propulsores de cohetes sólidos no se pueden reutilizar fácilmente, en todo caso. Los propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial tenían que ser completamente renovados después de cada vuelo. Aterrizaron en agua salada a una buena velocidad, lo que no era bueno para su reutilización. En última instancia, el costo de reacondicionamiento no fue mucho menor que el costo de los nuevos impulsores.

ESA comprendió tanto las oportunidades de reutilización como el volumen de fabricación. De hecho, su compromiso con los grandes motores de cohetes puede haberles costado la capacidad de reutilización. Según wikipedia (usándolo como enlace porque la fuente original está en francés).

https://en.wikipedia.org/wiki/Ariane_6#cite_note-FSReusableLiquidMethaneStage-36

"Simultáneamente con la investigación del propulsor de retorno líquido a finales de los 90 y principios de los 2000, el CNES, junto con Rusia, concluyó estudios que indicaban que reutilizar la primera etapa era económicamente inviable, ya que fabricar diez cohetes al año era más barato y factible que la recuperación, renovación y pérdida de rendimiento causada por la reutilización.[36] Se sugirió que con la cadencia de lanzamiento de Arianespace de 12 vuelos por año, un motor que podría reutilizarse una docena de veces produciría una demanda de solo un motor por año, lo que respaldaría un suministro continuo de fabricación de motores. cadena inviable".

Usar solo un motor por lanzamiento significa que doce lanzamientos al año no desarrollan casi el mismo volumen de fabricación para mejorar los costos y el rendimiento del motor. El uso de propulsores de cohetes sólidos para complementar significa que solo puede volar de regreso el propulsor central, por lo que la reutilización solo ahorraría una parte mucho menor de los costos de su pila de lanzamiento.

Creo que ya sabes la respuesta, no es realmente una cuestión técnica, es (principalmente) política. Los alemanes tienen experiencia con motores líquidos (hacen piezas importantes para el motor líquido principal de Ariane 5) y los italianos tienen experiencia con combustible sólido (hacen parte de los propulsores sólidos para Ariane 5 y la mayoría de los cohetes Vega de combustible sólido). ). Hay otros involucrados en los diferentes motores, pero eso es lo básico. Los franceses (aunque también participan en el motor principal líquido) probablemente prefieran el combustible sólido porque existe una relación directa entre los propulsores sólidos del Ariane 5 y los misiles nucleares basados ​​en submarinos franceses.

Comentarios rápidos sobre su resumen:

• Una etapa de cohete con motores líquidos se puede probar antes del lanzamiento para asegurarse de que funciona. Vuelva a llenarlo de combustible y láncelo. SpaceX enciende los motores en la plataforma de lanzamiento durante un par de segundos como prueba final un par de días antes del lanzamiento. No se puede hacer eso con sólidos...

• Sí, los cohetes sólidos vibran más, pero eso no es realmente un problema a menos que estés lanzando personas. Un montón de cohetes, en su mayoría de combustible sólido, que lanzan satélites en el mundo. El cohete de la NASA sugerido para el lanzamiento de personas usando un impulsor sólido del transbordador como primera etapa aparentemente tenía serios problemas con las vibraciones.

• El ácido clorhídrico y los compuestos de aluminio son la contaminación del combustible sólido. Entonces, por razones ambientales, tal vez uno debería ceñirse al oxígeno líquido + hidrógeno líquido, solo el vapor de agua como escape. Y solo se necesita agua y electricidad para hacer las cosas.

Para terminar. El verdadero problema de Ariane 6 (y 5) es que ninguno de ellos puede competir con SpaceX. Europa realmente debería tratar de eludir la ineficiencia política de la misma manera que lo está tratando de hacer la NASA, con una verdadera competencia de libre mercado.