Los motores principales del transbordador espacial operaron durante aproximadamente 8,5 minutos en cada lanzamiento del transbordador, sin embargo, se retiraron del orbitador después de cada vuelo y se sometieron a una revisión, a menudo intercambiando piezas de un motor a otro. Esto es espantoso en comparación incluso con los turborreactores más primitivos (los modelos posteriores Junkers Jumo 004 hechos de hierro revestido de aluminio tenían un MTBO de 5 horas como mínimo) y también con muchos otros motores de cohetes, incluso los reutilizables, por ejemplo, el motor del Breeze-M se quema durante 50 minutos, el XLR99 reutilizable tenía un MTBO de >1 hora y (aunque no es realmente comparable debido a su naturaleza de enfriamiento radiativo alimentado por presión) el propio OMS del transbordador fue clasificado para 1000 reinicios y 15 horas de tiempo de ejecución.
¿Esta remoción y revisión siempre fue realmente necesaria? De no ser así, ¿por qué no hubo cambios en el procesamiento en tierra para eliminar las reparaciones en algunos vuelos y, de ser así, por qué no se hizo ningún trabajo serio para hacer que los motores fueran más reutilizables dado su propósito?
† Supuestamente, las mejoras en la vida útil se realizaron en la Fase I y el Bloque IIA, pero como no resultaron en la reactivación sin revisión de un motor, fueron objetivamente insignificantes.
Ninguna pregunta sobre el transbordador espacial es simple, ya que fue un programa largo con muchos impulsores diferentes más allá de la perfección de la ingeniería*, por lo que la respuesta corta es "sí, con dinero, tiempo y una gestión/dirección perfecta se podría haber construido un motor reinflable". La respuesta más larga es más compleja.
La carga útil del transbordador espacial era de alrededor de 22 toneladas, cada motor pesaba 3,5, si cambia para permitir que el motor vuele 2-3 veces el doble del peso, agrega 16,5 toneladas, lo que deja una carga útil de 5,5 toneladas y necesita volar cuatro veces más para lo mismo. capacidad, por lo que los números de servicio por año son similares o superiores y está pagando por muchos más lanzamientos (y poniendo a la tripulación en mayor riesgo).
Obviamente, obtener dos lanzamientos de un motor en el mundo real no duplicaría el peso, ya que muchas partes son estructurales y no se 'desgastan' solo por sostener cargas, pero la matemática general de 'necesitamos poner en órbita x toneladas por año, ¿cómo ¿Hacemos eso de la manera más efectiva? Es cierto cuando cada ciclo de lanzamiento/vuelo/recuperación tiene un costo fijo de personas y equipos.
Una pregunta muy relevante es , que sugiere que, entre otras cosas, los sellos de las bombas eran un elemento clave para el servicio, lo cual tiene sentido ya que operan en un ambiente químicamente hostil y sufren desgaste mecánico. También se relacionan directamente con el rendimiento, ya que hacerlos más grandes/más gruesos/más resistentes puede afectar directamente el rendimiento de la bomba y, por lo tanto, el empuje, en lugar de solo el peso.
Dado que se necesitaba acceder a las partes internas de la bomba de todos modos, hay poco beneficio en hacer que otras partes del motor duren más, y si encuentra durante el servicio que una parte puede sobrevivir a múltiples vuelos, la pregunta es 'hey, tal vez hacer esto más liviano y menos robusto, nosotros puede poner otro kg en órbita'. A >$10k por kg para orbitar, la matemática ingenua es que las piezas más ligeras (posiblemente menos exóticas/más baratas) son un buen negocio.
En nuestra línea de tiempo actual, los motores afectaron varios vuelos y la pérdida de Challenger y Colombia colocó la gestión de riesgos bajo un escrutinio minucioso. La decisión de gastar más dinero para cambiar algo que ya funcionaba de una manera que reducía los controles de seguridad y la carga útil habría sido una venta política difícil, incluso si las matemáticas puras lo hicieran perfectamente sensato.
En una línea de tiempo diferente donde los objetivos del programa original de poder dar la vuelta a un orbitador completo para volver a volar tuvo éxito, el intercambio de un porcentaje de la carga útil por intervalos de servicio del motor más largos tiene mucho sentido, y es por eso que, por ejemplo, los aviones no tienen postquemadores o similares . Tan pronto como 'algo' necesita un trabajo intrusivo en cada vuelo, la capacidad de volver a volar todos los sistemas relacionados se vuelve menos útil y el servicio de intercambio de carga útil se convierte en una opción válida (inherentemente costosa) .
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* Mirando alrededor en 2019, parece que la respuesta a 'cómo hacer mejores motores de transbordador' es no enviarlos completamente a la órbita y eliminar a la tripulación .
El SSME es un motor excepcionalmente complejo, que produce una gran cantidad de empuje en un paquete compacto. Está trabajando mucho más cerca de los márgenes de lo que es posible que cualquiera de sus puntos de comparación. Esto fue en gran parte el resultado de una especificación muy ambiciosa; para alcanzar la relación empuje-peso requerida y el alto impulso específico, tenía que funcionar muy cerca de sus límites mecánicos, mientras que los motores menos ambiciosos pueden funcionar con menos estrés. Imagine dos motores de automóvil idénticos, uno funcionando a 3000 rpm y el otro a 6000 rpm. Definitivamente uno va a ganar la carrera, pero querrás inspeccionar el motor después.
Según Wikipedia:
dado que la NASA estaba interesada en impulsar el estado del arte en todos los sentidos, decidió seleccionar un diseño mucho más avanzado [para el SSME] para "forzar un avance en la tecnología de motores de cohetes".
En retrospectiva, la NASA puede haber ido demasiado lejos con esta estrategia; El desarrollo de SSME fue desafiante y costoso y, como notará, el motor requirió más mantenimiento que el ideal para un lanzador reutilizable. Desafortunadamente, el tamaño, la masa y el empuje de los motores se fijaron en la especificación antes de que se supiera lo difícil que sería construirlos y operarlos. Un diseño de motor menos "de vanguardia" habría reducido severamente la carga útil del transbordador espacial.
En algún universo alternativo, la NASA de alguna manera obtuvo un presupuesto para desarrollar el transbordador espacial sin tener que ceder a los requisitos de la Fuerza Aérea; este tiene una bahía de carga útil más pequeña y alas rechonchas como el X-37 , y tal vez habría usado un motor más simple que no necesitaba tanto mantenimiento entre vuelos.
Esto es espantoso en comparación incluso con los turborreactores más primitivos.
Los turboventiladores modernos de derivación alta más potentes de la familia GE90 producen alrededor de 500 kN de empuje con un motor de 8,7 toneladas; SSME produce 1890 kN a nivel del mar con un motor de 3,5 toneladas. Los rotores GE90 funcionan a 2355 rpm y 9332 rpm; el SSME tiene cuatro turbobombas; las vueltas más lentas a 5150 rpm y las más rápidas a más de 35000 rpm , casi 600 revoluciones por segundo.
el motor del Breeze-M arde durante 50 minutos
SSME produce 100 veces el empuje del motor del Briz-M . Tiene mucha más calefacción con la que lidiar. En el transcurso de su encendido de 8,5 minutos, mueve alrededor de 10 veces más masa a través de sus bombas que Briz en un encendido de 50 minutos. El motor de Briz-M tiene una relación empuje-peso de alrededor de 27:1; SSME alrededor de 73:1.
(aunque en realidad no es comparable debido a su naturaleza de enfriamiento radiativo alimentado por presión), el propio OMS del transbordador fue clasificado para 1,000 reinicios y 15 horas de tiempo de funcionamiento.
OMS utiliza un motor notablemente simple . Sin enfriamiento regenerativo, sin bombas, como observa; mientras la cámara permanezca intacta, los únicos puntos de preocupación son las válvulas, que funcionan a una presión relativamente baja. No sé cuánto trabajo se hizo en estos entre vuelos; probablemente sería posible cambiar las válvulas por otras completamente nuevas cada vez a una pequeña fracción del costo de las inspecciones/revisiones de SSME.
el XLR99 reutilizable tuvo un MTBO de >1 hora
Una vez más, un motor bastante modesto que no tenía que alcanzar el rendimiento del SSME.
¿Esta remoción y revisión siempre fue realmente necesaria?
Esto, en realidad no lo sé.
UH oh