¿Por qué los motores aerospike lineales no son de uso común?

Los Aerospikes son notoriamente difíciles de enfriar de manera eficiente.

Con una boquilla de campana, tiene una pequeña parte del escape de expansión rápida (+ enfriamiento) que toca la boquilla ancha y enfriada activamente, lo que significa poca transferencia de calor por conducción, gradiente de temperatura más bajo, mucho área para tuberías de refrigerante en el exterior (o en el interior) la campana y el área exterior irradian mucho calor (o lo pasan al aire mientras está en la atmósfera) además de que el refrigerante lo aleja.

En aerospike, la presión (y temperatura) del gas permanece muy alta a lo largo de la superficie de la punta, y la punta afilada deja muy poco espacio para los sistemas de enfriamiento. Tiene una gran cantidad de gas muy denso y extra caliente en contacto con la punta estrecha que debe pasar todo el refrigerante y disipar el calor de alguna manera, para no derretirse.

Eso significa que las pruebas cortas de motores aerospike, que prueban todos los beneficios, son perfectamente viables, pero las plataformas experimentales se apagan antes de que puedan sobrecalentarse y sufrir daños críticos. Simplemente no podían funcionar continuamente durante el tiempo que un cohete típico necesita para llevar la carga útil a la órbita. Se está trabajando en el enfriamiento eficiente y a prueba de fallas de los motores, pero no es tan fácil como en el caso de las boquillas de campana, un desafío importante que dificulta seriamente la adopción generalizada de este tipo de motor.

Dinero. La mayoría de los diseños de motores que estamos usando ahora son una evolución de la era de la carrera espacial de una forma u otra, desde los tiempos en que financiar la investigación en el diseño de motores de cohetes/boquillas no era un problema tan importante. El pico lineal cambia fundamentalmente el diseño del cohete, para una estructura de soporte del motor, y como tal requeriría una revolución en la ingeniería si alguien espera que sea económico. La evolución constante simplemente no es lo suficientemente buena, los cambios requeridos son demasiado grandes.

Entonces, la investigación y el desarrollo de motores de cohetes recibirían una gran inyección de dinero de algún lado, o alcanzaríamos algún avance de ingeniería que no requiera tanto, como quizás simuladores de ingeniería más confiables ( un buen ejemplo , pero no suficiente). Aparte de eso, los ciclos de diseño, construcción y prueba son simplemente demasiado caros. El lado de la ingeniería es desafiante, pero ningún ingeniero le dirá que es imposible.

The Everyday Astronaut acaba de publicar un video de una hora que investiga esta pregunta.

Algunos de los puntos principales son:

• Los Aerospikes son especialmente ventajosos para los vehículos en órbita de una sola etapa, y las compañías espaciales actuales no los están construyendo. Realmente no hay una ventaja en los SSTO en comparación con los cohetes de varias etapas.
• La ventaja de eficiencia de los aerospikes en realidad no es tan grande, si es que existe. Los aerospikes tienen un impulso específico más alto en comparación con las boquillas de campana, es decir, convierten el calor y la presión en velocidad de escape, pero las numerosas cámaras de combustión pequeñas que requieren los aerospikes reducen la eficiencia de la reacción (convierten la energía química en calor y presión) en comparación con una sola cámara de combustión grande. Esto fue mencionado por Elon Musk como parte de la razón por la que no persiguieron aerospikes.
• Los Aerospikes pueden tener algunas ventajas físicas en comparación con las boquillas de campana, pero tienen muchos inconvenientes de ingeniería. Una gran cantidad de cámaras de combustión pequeñas requieren un orden de magnitud más de enfriamiento que una sola cámara grande. Si bien no es insuperable, ¿por qué invertiría en él cuando la ventaja sobre las boquillas de campana es pequeña o inexistente?
• La investigación de aerospike financiada por la NASA se canceló por razones que no tenían mucho que ver con los aerospikes en sí, pero que se reducen a elecciones políticas y problemas técnicos con otras partes de los proyectos de los que formaban parte. Un motor aerospike habría sido una actualización del Saturn V, otro fue para el Venture Star. Por qué se cancelaron estos proyectos es una pregunta diferente, pero al final la elección quedó en manos del gobierno de los EE. UU. Uno de los ingenieros del motor Venture Star aerospike dice que espera que el motor haya funcionado bien y haya podido alcanzar sus objetivos de diseño si el proyecto se hubiera completado.
• Elon Musk de SpaceX dice que lo investigaron y su conclusión fue que invertir en aerospikes no valía la pena, debido a las razones anteriores. Pero les encantaría que se les demuestre que están equivocados.

Después de haber trabajado en Rocketdyne durante muchos años, entendí que aunque querían ponerlo en el transbordador espacial, la política de una sola fuente hizo que la NASA escribiera una propuesta que requería las toberas de cohete habituales.
En ese momento no había fondos para terminar el desarrollo a gran escala y las pruebas de vuelo.

La respuesta es simple

• falta de confiabilidad comprobada

• falta de experiencia comprobada de vuelo

• falta de validación de rendimiento..

  • más superficie expuesta al gas caliente. Por lo tanto, debe enfriarse, lo cual es difícil ...

Firefly Aerospace utilizará un motor aerospike (anular) con su cohete Alpha. Tienen un lanzamiento previsto en 2018.

Arcaspace ha estado construyendo un motor de prueba de peróxido de hidrógeno que esperan encender más adelante en 2018, con el objetivo declarado de volar un RP1/H2O2 eSSTO. https://newatlas.com/arc-aerospike-linear-engine-complete/51431/

Esta respuesta es complementaria a las otras excelentes respuestas aquí.

Este video de Curious Droid también confirma que es solo una cuestión de tiempo y dinero. Las primeras palabras "La historia está llena de decisiones..." Debido a los detalles de la historia del desarrollo, las boquillas en forma de campana lo hicieron primero y la gente se quedó con él.

Esto puede recordar un poco a la actual falta de uso de energía nuclear basada en torio , aunque eso también está relacionado con la necesidad de desarrollar armas nucleares.