¿Por qué no es preocupante desde una perspectiva de costos tener tantos motores en Starship?

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?

Sospecho que ha respondido a su propia pregunta aquí: la tecnología disponible nos acerca más a los 'seis girando cuatro en llamas' del B-36 en.wikipedia.org/wiki/Convair_B-36_Peacemaker que 777X
La respuesta simple es que el vuelo en cohete tiene muy poco en común con el vuelo aéreo. Por un lado, el costo amortizado del cohete por vuelo frente a los costos de combustible no es en absoluto comparable al costo amortizado de un 777 frente al combustible (y es mucho menos análogo cuando se observa F9). Pero también los perfiles de vuelo y las tensiones introducidas también son completamente diferentes.
De manera similar, un auto de carreras de F1 tiene un motor y una forma muy diferentes y tiene poco en común con un Honda de 4 cilindros altamente eficiente.
Las compañías aeronáuticas en realidad no fabrican motores significativamente más grandes para cada nueva generación, generalmente construyen aviones más pequeños. Por ejemplo, el 777X al que hace referencia es considerablemente más pequeño que el 747 de 4 motores, mientras que el Airbus A380 más grande que el 747 usa 4 motores.
¿Sería incluso factible desde un punto de vista tecnológico simplemente ampliar los motores Raptor? El Saturno V tenía 35MN de empuje usando 5 motores. Super Heavy Booster tiene 70MN usando 29 motores reutilizables .
@Michael escalando todo sin otras modificaciones; ciertamente no funcionaría (inestabilidad de la combustión, etc.). Pero bastante seguro gracias a CFD, piezas impresas en 3D, etc., SpaceX podría desarrollar una versión más grande con un costo de I + D mucho menor que el original. Y muy posiblemente lo hagan eventualmente, aunque por ahora la prioridad es claramente poner la cosa en órbita y regresar con los motores que tienen.
Ampliar los motores de cohetes no funciona muy bien. Cuanto más grande es el motor, más problemas de inestabilidad tienes. Una quemadura inestable tiende a ser extremadamente dramática.
No sé mucho sobre aviones, pero sería posible que solo pasaran de 4 a 2 motores porque los motores se volvieron más seguros con el tiempo y una falla del motor era mucho menos probable.
Hasta hace poco, los cohetes espaciales tenían la costumbre de tirar los motores después de cada uso. Desde esa perspectiva, tener algunos motores más, pero reutilizarlos, probablemente parezca una gran idea.

Respuestas (6)

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.

La posibilidad de que un fallo arruine el motor es mayor para el motor más grande, un 20 % en lugar del 10 % para el más pequeño.
@Uwe En términos generales, si aumenta sus espacios libres linealmente con el tamaño, no está utilizando la escala a su favor. Si aumentara el espacio de un cojinete deslizante lubricado con aceite, necesitaría bombear mucho más aceite y hacerlo a una presión más alta para evitar que las partes se toquen. A la película de aceite no le importa el tamaño de las piezas, siempre que haya una fina película de aceite alrededor. Como tal, sería mucho más prudente aumentar la cantidad de canales de aceite que alimentan el rodamiento y mantener el mismo tamaño del espacio si es posible. Sin embargo, los cambios de tamaño debido a la temperatura pueden forzar espacios más grandes.
Creo que con unidades más confiables, las más grandes no solo serían más económicas, sino también más efectivas. Una unidad capaz de generar doble empuje probablemente pesaría menos del doble, y producirlo costaría menos del doble.
@peterh "Mejor es enemigo de lo bueno". Primero, SpaceX necesita obtener un Starship que funcione y genere ingresos, luego pueden trabajar en la optimización.
Creo que dos argumentos aquí son válidos: economía de escala (producir miles de motores con 2MN cada uno es más barato "por N" que producir cientos con 20MN cada uno); y la redundancia es una gran ventaja, como lo demuestran las misiones (parcialmente) exitosas a pesar de las fallas de un solo motor. Sin embargo, la parte del "impacto de falla de producción más grande con motores más grandes" parece falsa: 10% es 10%.
@ Peter-ReinstateMonica: "producir miles de motores con 2MN cada uno es más barato" por N "que producir cientos con 20MN cada uno" ¿Tiene una fuente para eso? Como se mencionó anteriormente, los motores de cohetes no necesariamente escalan de una manera simple.
@WhatRoughBeast Es una ley de hierro de la producción industrial que el costo unitario cae con la cantidad de unidades. Lo vemos con células solares y turbinas eólicas. Aumentar los números es esencial para reducir los costos de producción. Eso es natural y no sorprende. (Imagine que produciría un solo motor con un GN de ​​empuje, un prototipo único, esencialmente construido a mano: ese sería el peor de los casos). Producir un millón de motores a 1 kN sería lo mejor, pero eso es demasiado. muchos motores Usar tantos como quepan debajo del cohete es probablemente lo óptimo. Necesitaría una razón para una desviación de esa regla básica.
@WhatRoughBeast Aumentar los números y reducir el costo es exactamente el punto en el que se encuentra SpaceX ahora, vea esta parte de la función que Everyday Astronaut hizo en la fábrica de SpaceX: "¿Cómo hacemos un Raptor donde el costo por tonelada de empuje es menos de mil dólares". La respuesta es poner mucho esfuerzo en el proceso de fabricación (que es "de 10 a 100 veces más difícil que el diseño del motor"), que tiene una mejor recompensa con números de unidad altos.
@ReinstateMonica - Eso no responde a mi pregunta. A veces, una pequeña cantidad de unidades más grandes ES más económica que una gran cantidad de unidades pequeñas. Tractor-remolques vs minivans es un buen ejemplo, al menos para el transporte de larga distancia. Los petroleros marítimos son otro. Así mismo buques portacontenedores de carga. Avión de pasajeros/carga de largo alcance. Equipos de minería a cielo abierto. Portaaviones.
@ Peter-ReinstateMonica Considere lo mismo para las CPU. La misma tasa de filtrado por cm ^ 2 de oblea, pero haga que la CPU sea lo suficientemente grande y prácticamente garantizará que habrá una falla en alguna parte, su rendimiento caerá quizás a un 20% (los fabricantes lo salvan al deshabilitar los núcleos defectuosos y vender la CPU de 8 núcleos como 6 núcleos, 4 núcleos, 2 núcleos...). Hágalo pequeño y cosido, y la mayor parte de la producción estará bien, las unidades defectuosas estarán bien aisladas.
Todo el mundo está abusando de las referencias XKCD en estos días, pero la tuya fue sutil y bien ubicada.
@WhatRoughBeast "A veces, una pequeña cantidad de unidades más grandes ES más económica que una gran cantidad de unidades pequeñas". - Mire detenidamente cuándo sucede eso "a veces", ya que es cierto para todos sus ejemplos: una industria madura, donde una "gran cantidad de pequeños" es un período en el pasado cuando la industria se estaba desarrollando y creciendo rápidamente, y el actual el crecimiento lo llevó allí ... y especialmente que en sus ejemplos no es una "pequeña cantidad de unidades más grandes", es una GRAN cantidad de unidades más grandes, cuando mantener una gran cantidad de unidades pequeñas se vuelve insostenible.
Además, "miles de 2MN frente a cientos de 20MN" - "los motores de cohetes no necesariamente se escalan de una manera simple". sistemas de inyectores, posiblemente construcción de cámaras múltiples, nuevos problemas relacionados con la expansión térmica y todo tipo de problemas ausentes en motores más pequeños. A medida que aumenta el tamaño, hasta cierto punto $ /N cae gradualmente, pero luego aumenta. Raptor está en el punto óptimo.

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.

Me pregunto cómo se relaciona eso con las afirmaciones de Musk, que el diseño es fácil, la producción es difícil.
@SF. la producción en masa es difícil, producir un motor individual no es tan difícil. Los motores individuales son bastante simples y fáciles de construir en comparación con los motores a reacción. Se estima que el Raptor de SpaceX tiene temperaturas de prequemador de oxígeno de ~ 800 K, en comparación con ~ 2300 K para la cámara de combustión de un turborreactor. Las presiones son altas y los fluidos son densos, por lo que las turbinas y las bombas son mucho más pequeñas y hay un gran flujo de propulsor para el enfriamiento. Se ve algo de metalurgia cuidadosamente elegida, pero no los álabes de turbina de superaleación monocristalina con canales de refrigeración integrados que se ven en los motores a reacción.
@ChristopherJamesHuff: Nota de terminología: los aviones modernos usan motores de turboventilador , y la mayor parte de la potencia se usa para hacer girar el ventilador de derivación. Turbo jet significa que no hay derivación en absoluto, con todo el empuje proveniente del aire de escape a muy alta velocidad. Esto es mucho menos eficiente; incluso los aviones de combate utilizan turboventiladores de derivación baja en estos días. ¿Cuál es la diferencia entre los motores turborreactores y turboventiladores? . Sin embargo, creo que las temperaturas de la cámara de combustión son básicamente similares para turbofan vs. jet, por lo que su punto sigue siendo relevante.
El diámetro realmente grande del ventilador de los modernos turboventiladores de derivación alta es parte de la razón por la que necesitamos materiales tan fuertes para las aspas del ventilador: debido a la enorme fuerza centrípeta necesaria para sostenerlos. (El ventilador es la gran parte redonda en la parte delantera que se puede ver al mirar un motor a reacción). Aunque las aspas del ventilador no están expuestas a temperaturas de combustión. (Así que ese es un desafío separado de las palas de la turbina que mencionaste que tienen que alimentar la cámara de combustión y extraer trabajo del escape).
Me refería específicamente a los turborreactores como más similares a las turbobombas de un motor de cohete (particularmente en un motor de flujo completo como Raptor) y para evitar confusiones con los ventiladores grandes pero de baja temperatura de los turboventiladores.
@ChristopherJamesHuff "Los... motores son... bastante simples... en comparación con los motores a reacción" - No creo que puedas expresarlo de esta manera. Los desafíos son simplemente diferentes . La inestabilidad de la corrosión, la polimerización y la combustión son mucho más problemáticas para los cohetes, sin mencionar el problema de las temperaturas criogénicas.
Los motores turborreactores también funcionan con relaciones de empuje a peso que son mucho, MUCHO MUCHO menos que las de los motores de cohetes. Un motor GE90 tiene un TWR de 6, un Merlin 1Dvac tiene un TWR 30 veces mejor. (principalmente porque el enfoque del turborreactor no es TWR, sino la economía de combustible, mientras que el cohete tiene que ver con Thrust e ISP)
Musk y OP están usando "diseño" de dos maneras diferentes. Musk significa diseño real del cohete real. OP incluye el diseño de fabricación en el término "diseño". La producción es difícil, por eso es mejor repartir el costo de descubrir cómo construir el motor entre 500 motores en lugar de 50. ¿Por qué gastar todo ese trabajo en el diseño de herramientas solo para gastar un pedo en un puñado de motores?

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.

Nave espacial específicamente. 6 sigue siendo bastante más que 2
Pero solo se pueden usar 3 para aterrizar.
Bueno, será mejor que aprendan a arreglárselas con 2, porque el resto de nosotros debajo de la línea karman tenemos que hacerlo :)
Los aviones de pasajeros saben bien antes del descenso si sus motores están funcionando correctamente, e incluso tienen la posibilidad de aterrizar sin motores en funcionamiento. Los modos de aterrizaje simplemente no son directamente comparables.
Estos son buenos puntos.
@Russell ¿Oportunidad de pelear? Cuando un avión de pasajeros que se desliza se acerca a un aeropuerto, tiende a tener éxito, y muchos aterrizajes fuera del aeropuerto también resultan en vuelos (TACA 110 @ NASA Michoud; Alrosa 514). La única forma en que la falla del motor dual hace que un avión se estrelle es "demasiado pronto después del despegue" (Sully), utilizando una pendiente de guía de aproximación por debajo de la pendiente de planeo sin motor del avión (British Airways 38) o en algún lugar donde ningún aeropuerto esté dentro del rango de planeo (Air Transat 236; Pinnacle 3701; Transair 810). Tenga en cuenta que cada uno de este último grupo incluye errores garrafales.
@Harper-ReinstateMonica Gracias, no quería exagerar la tasa de éxito y terminé subestimándola. He cambiado a "buena oportunidad".

Otros ya han mencionado las ventajas en redundancia y escala de fabricación. Otras ventajas:

  • Es estructuralmente más eficiente colocar los motores cerca de la piel del vehículo. El propulsor Superpesado en particular se aprovecha de esto, con su anillo exterior de motores que en realidad sobresale un poco más allá del diámetro del vehículo.
  • El uso de una gran cantidad de motores hace que sea mucho más fácil lograr un amplio rango efectivo de aceleración apagando los motores, lo cual es importante para la recuperación del vehículo.
  • Los motores más pequeños y livianos son más fáciles de transportar y manejar. Los Raptors son lo suficientemente pequeños como para moverlos con carretillas elevadoras, lo que los hace más fáciles de instalar o cambiar.
  • Los motores más pequeños son más fáciles de probar. Los bancos de prueba de motores son más pequeños y los vehículos pueden probar motores individuales o subconjuntos de sus motores.
  • Es menos probable que los motores más pequeños causen daños severos al vehículo en caso de una falla mayor.
  • Una gran cantidad de motores más pequeños son en realidad más silenciosos, debido a cómo se suman las fuentes de ruido incoherentes. En resumen, con la misma potencia de sonido total, las múltiples fuentes incoherentes se cancelarán parcialmente entre sí, lo que resultará en niveles de presión promedio más bajos.
  • Lo mismo ocurre con las vibraciones internas del vehículo. Las personas que han volado tanto en Crew Dragon como en el Shuttle han comentado cuán suave fue la parte del vuelo propulsada por el propulsor de 9 motores en comparación, y cómo la etapa superior de 1 motor en realidad se sintió más áspera que el Shuttle.
"Los Raptors son lo suficientemente pequeños como para moverlos con carretillas elevadoras, lo que los hace más fáciles de instalar o cambiar". - En efecto. SpaceX ha mejorado enormemente los tiempos de instalación. Hace solo un año, tomó aproximadamente un día instalar un motor, hace un par de semanas, instalaron los 29 motores en B4 en una noche. (Aunque eso fue solo una verificación de ajuste, por lo que podría ser el caso de que la tubería no estuviera enganchada). La instalación del motor antes de la prueba de fuego estático de B3 tomó solo alrededor de una hora por motor.

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.

Puede que no sea muy brillante, pero no veo qué hechos adicionales (aparte de las especulaciones) ha aportado esta respuesta, a lo que ya ha insinuado la pregunta OP y a lo que otros ya han respondido.
El último párrafo es más o menos lo que sucedió con los motores a reacción de los aviones. El 747-100 necesitaba cuatro motores en parte debido al límite tecnológico de la potencia de un motor y en parte debido al límite tecnológico de la fiabilidad de un motor.

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.

"Probablemente nunca se construyan más de 15-30": Elon Musk estimó que necesitan alrededor de 1000 Starships. Estimando alrededor de un refuerzo por cada 5 barcos (una suposición totalmente desinformada de mi parte), eso es un total de ~ 1200 cohetes con un total de ~ 15000 motores. Ya han construido 17 vehículos y han comenzado la construcción de al menos 2 más; también han construido alrededor de 70 motores. 8 de esos vehículos y unos 18 de esos motores ya han volado.
"Pero estamos construyendo 10 (¡absolutamente mejor!) de cohetes por año": SpaceX ya está construyendo 10 naves por año a mano : ¡ni siquiera tienen la fábrica todavía! Y tienen la intención de tener múltiples fábricas cerca de múltiples sitios de lanzamiento (muy probablemente al menos una en Starbase y otra en Cabo Cañaveral), incluso en Marte.
Deberías haber consultado algún manifiesto de lanzamiento público, como este
claramente debería haber aclarado: 10s de cohetes por diseño por año. No es como un 777 y un a321 que comparten motores y deberían contarse en la misma cuenta de producción en masa. No soy un idiota; Sé que se están lanzando más de 10 cohetes entre los Altas V y los Long Marches y los Falcons y los Antares y los Soyuzes y los H-2 (?) ¿Están todos compartiendo herramientas de motor? absolutamente no.
¡AH! Esto tiene sentido. Gracias.