¿Por qué los motores Rocket están en la base del cohete?

..que motivo hay para tener el motor abajo, ..

Para conocer la falla lógica fundamental en el deseo de mover los motores, consulte esta respuesta de Russell Borogove: se reduce a The Pendulum Falacy (exactamente la misma falacia que cometí al considerar otras razones para 'motores en la parte inferior de la pila'). Para obtener más información sobre The Pendulum Falacy, consulte los enlaces al final de esta respuesta y en la respuesta de Russell.

En pocas palabras, la falacia se basa en la suposición de que un diseño de "motor superior" es más estable que un diseño de "motor inferior". De hecho, son exactamente igual de (in)estables y, por lo tanto, otros factores determinan la decisión detrás de la ubicación del motor.

Esta lista a continuación es algunas de las otras razones:

• Calor. El escape de los cohetes está muy caliente, por lo tanto, antes de que el cohete esté a salvo de ellos, el escape tendría que salir del motor y pasar por los tanques largos de combustible/oxidante (que a menudo contienen combustible u oxidante a 'temperaturas criónicas'). ¹
• Control. Los cohetes ya necesitan un control sofisticado incluso para llegar a donde deben ir. Esa capacidad asegura automáticamente que el cohete 'no se caiga' incluso bajo aceleración máxima.
• Flujo de combustible. Es más difícil bombear combustible al motor de un cohete (contra la gravedad y la aceleración del cohete) que permitir que el combustible fluya hacia el motor. Este punto ha sido discutido en los comentarios a continuación, en el sentido de que no es una diferencia significativa. Esperamos más datos para determinar cuánta diferencia hace.
• Hagen von Eitzen mencionó en un comentario a continuación: "Muchos materiales y estructuras son más estables bajo presión que bajo tracción; de hecho, las cosas que empujas en principio ni siquiera necesitan estar fijadas entre sí".
• Hobbes también señala en un comentario: " Complica el diseño del motor: necesitaría una bomba turbo en la parte inferior del escenario y líneas presurizadas hasta la parte superior. Esto haría que usar un motor regenerativo (que descarga el escape de la turbobomba en la cámara de combustión) mucho más difícil".

1. Los cohetes de 'aborto de emergencia' de lanzadores estadounidenses particulares (al menos) colocan un pequeño motor de cohete sobre la cápsula, pero solo se esperaba que se disparara durante un tiempo muy corto (y podría haber usado propulsores sólidos que no necesitan ser bombeados en cualquier sitio). También tenga en cuenta cómo los escapes de los cohetes están inclinados hacia afuera en un esfuerzo por mantener la cápsula fría, pero al hacerlo desperdician parte del empuje de los motores de los cohetes.

Es un poco irónico que este 'ejemplo de la vida real' de motores por encima de la carga útil también se muestre en la página Falacia del cohete del péndulo discutida en la respuesta de Russell Borogove/comentario de Philipp. De hecho, ese pequeño chorro lateral cerca de la parte superior del cohete parece ser una forma de cambiar la dirección de la plataforma combinada de cohete/cápsula. IE es una prueba más de que un cohete de motor superior no se estabiliza por sí mismo y requiere una guía activa.

Poner las toberas del cohete más cerca de la parte superior no haría que el cohete fuera más estable; esta es la conocida falacia del cohete del péndulo .

De hecho, algunos cohetes han usado una configuración de tractor (motor en la parte superior) (el primer cohete de combustible líquido de Goddard en 1926, por ejemplo), pero las ventajas de la configuración de empuje como se describe en las otras respuestas aquí son dominantes.

Para ser claros, el punto de la falacia del péndulo no es "los cohetes tractores son inestables"; es "los cohetes tractores no se autoestabilizan y no son inherentemente más estables que los cohetes impulsores dada la misma aerodinámica y los mismos sistemas de guía y control".

Además del factor de calor planteado por Andrew Thompson, creo que otro gran problema es desacoplar las etapas pasadas. Si el escenario está debajo de usted durante el desacoplamiento, no hay forma de que físicamente pueda volver a subir y golpearlo nuevamente (a menos que se desacople mientras el propulsor aún está encendido). Si el escenario está por encima de ti, entonces necesitas algún tipo de truco para evitar que el resto del cohete se estrelle contra el escenario desacoplado ahora vacío.

Otro punto relacionado es el propio desacoplamiento: por su naturaleza, el desacoplador aplica una fuerza hacia abajo sobre el elemento de abajo y una fuerza hacia arriba sobre el elemento de arriba. Si el elemento a continuación es la etapa descartada, ¡genial! Ahora la chatarra cae más rápido y el cohete recibió un ligero impulso. Pero si es al revés, la chatarra recibe un impulso y el resto del cohete se ralentiza, desperdiciando Delta-V.

La idea de colocar el motor encima del cohete nunca pasó por mi mente. Una de las razones en contra que veo es la siguiente. En el caso del diseño tradicional (motor en la parte inferior), el vector de empuje de TODOS los motores está exactamente en la dirección del movimiento previsto del cohete. Mientras que en el caso del diseño del motor en la parte superior, no podemos dirigir el escape a lo largo de la línea del movimiento, simplemente porque debajo del motor está el resto del cohete. Eso significa que tenemos que usar varios motores más pequeños, cada uno arrojando su escape en ángulo con respecto al cuerpo del cohete (como en la imagen de la respuesta aceptada). Y los vectores de empuje de todos los motores deben sumarse para crear el vector de empuje principal en la dirección del movimiento previsto. Ahora, cuanto mayor sea el ángulo, menos potencia de cada motor se aplicará para mover el cohete. Cuando el ángulo es de 90 grados, no habrá empuje, y los motores compensarán completamente el empuje de los demás. En otras palabras, colocar el motor en la parte superior hace que toda la configuración sea menos efectiva desde el punto de vista energético, es decir, se requerirá más combustible para el mismo rendimiento.

Cuando expulsa gases calientes en la parte superior del cohete, debe proteger el cuerpo del cohete de esos gases. No quieres que el cuerpo se caliente y hierva el propulsor y el oxígeno.

Esos escudos tendrían que ser gruesos y pesados, lo que reduciría el rendimiento del cohete.

Además, miles de lanzamientos de cohetes (y millones de horas de vuelo de aviones con escapes de motores a reacción en la cola) han demostrado que la estabilidad no es un problema por el que valga la pena preocuparse.

Las otras respuestas han cubierto por qué no coloca el motor del cohete en la parte superior pero no cubrió este punto de la pregunta.

¿Por qué no bombeamos los gases de escape hasta la parte superior de los cohetes antes de expulsarlos?

Si está bombeando los gases de escape a la parte superior del cohete, el empuje de su cohete es exactamente la potencia de la bomba, menos las pérdidas debidas a la ineficiencia. ¿Qué está alimentando la bomba? ¿No sería mejor usar esa fuente de energía para impulsar el cohete directamente, en lugar de usarla para mover los productos de desecho de alguna reacción química desordenada?

Entonces, supongamos que solo quiere decir desviar el escape de un quemador en la parte inferior del cohete a las boquillas en la nariz. El poder de un cohete proviene de moldear cuidadosamente la cámara de combustión y la tobera de escape. Solo una parte del empuje proviene de la presión de los gases de escape que hacen que salgan a chorro de la cámara de combustión. La mayor parte del empuje proviene de la forma de la tobera , que reduce la presión de los gases de escape y los acelera a velocidades muy altas. Montar un tubo desde la parte inferior del cohete hasta la parte superior (que tendría que contener al menos un giro de 180°) arruinaría por completo la geometría de la boquilla, casi con toda seguridad hasta el punto de que dejaría de funcionar.

También necesitaría contener los gases de escape extremadamente calientes, que estarían tratando de derretir su tubería, perdiendo energía por completo.

No siempre están en la base del cohete. Aquí hay dos posibles contraejemplos, aunque ligeramente extravagantes, aunque en ambos casos parece que colocar la boquilla cerca de la parte superior en una configuración de "tractor" no mejora la estabilidad.

Goddard Rocket, de esta respuesta

Cohete Stabilo, de esta pregunta .