Starship está destinado a imitar (hasta cierto punto) la asequibilidad de los aviones de pasajeros. Esto se aplica tanto a los viajes de Tierra a Tierra como a los viajes espaciales.
Los aviones de pasajeros comenzaron con 4 motores, pero desde entonces han migrado a usar 2, independientemente del tamaño. Donde la cantidad de motores podría haber aumentado para una generación anterior de aviones de fuselaje ancho, ahora, como con el 777X, las empresas simplemente fabrican motores más grandes para cada nuevo diseño. Esta configuración twinjet se elige para ahorrar costos, ya que cada motor requiere un servicio, papeleo y certificados por separado.
¿Por qué no se aplica lo mismo a Starship?
Economía de escala, estrictamente. SpaceX se centra en gran medida en la racionalización y automatización de la producción de estos motores. Alto costo inicial, pero bajo costo unitario por motor una vez que se perfecciona el proceso.
Cuanto más grandes sean los motores, mayor será el costo inicial, ya que surgen problemas de estabilidad de la combustión, refrigeración, durabilidad del material, etc.; este es un problema bien conocido de los motores masivos, uno que también enterró el plan soviético de alunizaje tripulado.
Luego está el problema de los errores de producción, por ejemplo, impresiones 3D defectuosas, problemas que se hacen evidentes en las pruebas después de completar la impresión. Digamos que la impresora 3D tiene una probabilidad de 1 en 10 de fallar una vez en un día determinado, produciendo una falla que arruina el motor impreso actualmente. Si el motor es más pequeño y tarda 1 día en completar la impresión, uno de cada 10 motores estará defectuoso, se desperdiciará el 10 % del tiempo de trabajo de la impresora y se perderá el 10 % de la producción. Ahora aumente el tamaño del motor, por lo que tarda 2 días en imprimirse. Las mismas posibilidades de que un problema técnico lo arruine, pero ahora se desperdician dos días, un motor de cada cinco es un rechazo y se desperdicia el doble de materiales con cada rechazo. Eso significa automáticamente que el costo por unidad de los motores aumenta, ya que la pérdida debida al motor defectuoso se distribuye entre cuatro buenos, en lugar de nueve.
Luego está el tema de la redundancia. Si tiene, digamos, 15 motores, 2 o 3 incendiándose no significará la pérdida de la misión. Si tienes dos y pierdes uno, no irás al espacio hoy.
La industria de la aviación es mucho más madura ahora: al principio usaban muchos motores más pequeños porque escalar tanto simplemente no era tecnológicamente viable, y también por razones similares a las de SpaceX actualmente, economía de escala, confiabilidad, redundancia. Con un flujo constante y estable de ingresos de la producción existente de motores más pequeños, innovación, mejoras en seguridad y confiabilidad y competencia activa, pudieron desarrollar motores cada vez más grandes y más potentes sin enfrentar los problemas de "mortalidad infantil" de la nueva producción, donde antes de que sea rentable, hay muchos problemas que resolver y costos que asumir.
Porque con la tecnología actual, la mayor parte del gasto en la construcción de un motor de cohete no es la construcción individual, sino la investigación necesaria para su diseño. Y es más simple, más fácil y más barato diseñar un motor de cohete de tamaño moderado, que un monstruo colosal de un motor (como el F1 que usó Saturno V)
Incluso con los aviones comerciales, los ENORMES motores turbofan no se seleccionan porque son baratos de fabricar, sino todo lo contrario. Un solo General Electric GE9X como el que usa el Boeing 777 cuesta 44,5 millones de dólares. ¡Cada! Mientras que cada motor en un 747 solo cuesta alrededor de 13 millones, sin embargo, produce un 60% más de empuje cada uno.
Los enormes motores de un 777 se seleccionan porque ofrecen una mejor economía de combustible que múltiples motores más pequeños y un costo de mantenimiento ligeramente menor.
Desafortunadamente, los motores de cohetes no están ni cerca de la madurez de desarrollo que tienen los motores turboventiladores de aviones.
No me queda claro a partir de su pregunta si está preguntando sobre Starship o sobre Super Heavy.
Starship es la etapa superior del lanzador Starship/Super Heavy, y tiene 6 motores relativamente moderados; 3 Raptors "a nivel del mar" que pueden cardán para apuntar su empuje más tres más optimizados para el rendimiento en vacío con grandes boquillas fijas. Se requiere un motor a nivel del mar en funcionamiento del conjunto de tres para aterrizar en la Tierra; la falta de encendido de al menos un motor garantiza la destrucción del vehículo. Los motores de vacío no se pueden usar aquí.
A diferencia de un avión comercial, los motores se apagan durante la mayor parte del descenso y solo arrancan unos segundos antes de aterrizar, lo que agrega un gran factor de riesgo (como han demostrado dolorosamente los vuelos de desarrollo de Starship). Además, un avión de pasajeros incluso tiene una buena oportunidad de aterrizar sin motores en funcionamiento. Por lo tanto, los modos de aterrizaje no son directamente comparables y la redundancia real de 3:1 no es excesiva.
Super Heavy, por su parte, monta 29 motores. Aquí, el conductor es el motor en común con la etapa superior y la economía de escala. SpaceX solo tiene que desarrollar un motor de metano realmente bueno y luego concentrarse en cómo reducir los costos de producción en una gran cantidad de ellos.
Otros ya han mencionado las ventajas en redundancia y escala de fabricación. Otras ventajas:
A medida que mejoró la seguridad de las aerolíneas, se enfocaron más en el costo. Sin seguridad, el costo no importaba. Los ingenieros de SpaceX preguntaron "¿cuál es el motor más grande que podemos fabricar y todavía tenemos espacio para motores de vacío y capacidad de varios motores para aterrizar?" La respuesta fue el tamaño actual del motor del raptor. Hubo más factores, pero esa es la esencia.
Luego, dado que los motores son tan caros, decidieron producir en masa ese tamaño. La producción en masa conduce a innovaciones en costo y calidad, lo que debería aumentar la seguridad.
Por último, desea un empuje máximo en el despegue para reducir los costos de combustible. Entonces llenas el propulsor con ellos, lo que termina siendo 29-32 motores. Eso más 3 en el barco y 6 más con boquillas de vacío significa 38-41 en total, que es mucho.
A medida que se prueba la seguridad y mejora la tecnología, es posible que veamos menos motores más grandes en Starship V2. Históricamente, más grande ha significado más eficiente, y menos podría conducir a un costo más bajo. Pero para entonces, la impresión 3D o alguna otra innovación podría hacer que menos motores o más grandes sean una mala estrategia. El tiempo dirá.
Digamos que quieres construir un gran cohete (o avión). Vas a necesitar mucho empuje. Puede obtener mucho empuje de un montón de motores pequeños o solo de unos pocos grandes. Ahora, sabemos que más motores son más caros que menos motores, ¿verdad?
¡Pero espera! ¿Cuántos cohetes vamos a construir? Probablemente no mucho. De los cohetes de carga pesada, solo ha habido 13 Saturn V, 5 Shuttles, 2 Energias, y probablemente solo habrá 10 SLS (¿es?). Consideremos Starship: será reutilizable, por lo que aunque Musk quiere una tasa de lanzamiento loca, probablemente nunca se construirán más de 15-30.
Entonces, ¿qué pasa si ponemos solo unos pocos motores masivos en cada uno de nuestros vehículos? Probablemente alguna vez se construyan 50 (¡como máximo!). Si bien eso no es lo suficientemente bajo como para que básicamente todos los motores sean hechos a mano, estará bastante cerca. Construir las herramientas para hacer un motor de cohete siempre será muy costoso, y con solo 50 motores para dividir ese costo, cada motor será tremendamente costoso.
Comparemos esto con los motores de los aviones. El PW4000 y el GE90 , dos de los motores más comunes que encontrará en un Boeing 777, han tenido más de 2500 fabricados cada uno ; y recuerde, esto representa un siglo de trabajo incremental en la fabricación de motores a reacción por parte de P&W y GE. Es probable que muchas de sus herramientas se compartan con motores anteriores. Estos son mucho, mucho más baratos que los 50 motores que planeas construir.
Entonces, al construir un cohete, un mercado en el que el volumen es muy bajo y los costos de desarrollo son muy altos, en realidad es más costoso usar menos motores, porque muy pocos de ellos se construirán alguna vez. Tiene más sentido desarrollar un motor más pequeño, algo que (no hemos mencionado esto todavía) es MUCHO más fácil de diseñar y validar que un motor muy grande, y simplemente hacer un montón de ellos.
Nota: ni siquiera hemos mencionado los problemas de redundancia aún; si uno de los 20 motores falla, no es gran cosa. Si uno de los 4 motores muere, no irás al espacio hoy.
Pensamientos posteriores: si alguna vez llegamos al punto en que se construyen cientos o miles de cohetes al año, y el diseño del motor ha madurado para ser muy confiable, espero que comience a ver solo unos pocos motores por cohete. Pero estamos construyendo 10s (¡absolutamente mejor!) de cohetes por año.
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