¿Por qué no mantener el motor para cohetes de etapas múltiples?

Hay algunos desafíos importantes con esto. Para empezar, los motores de la primera etapa producen demasiado empuje para la última etapa, lo que requeriría una masa estructural adicional para permitir que el cohete se mantuviera unido, y no permitiría cohetes tripulados en absoluto, ya que los humanos tienen una fuerza g bastante estrecha. límites. Si reduce el empuje para manejar estos problemas, está transportando mucho peso muerto hasta la órbita, en lugar de solo parte del camino. Por lo tanto, debe, como mínimo, organizar la mayor parte de la masa del motor de la primera etapa.

También hay desafíos al colocar los tanques de combustible entre los motores y la carga útil: ¡los tanques son estructurales! ¿Cómo se deshace de parte de la estructura en el medio y permite que se vuelva a conectar de manera segura y confiable?

Tal vez coloque los tanques en la parte superior y simplemente deje caer los tanques superiores en etapas, pero entonces tiene más problemas para los cohetes tripulados, ya que ahora la carga útil queda atrapada entre los motores y los tanques, y los astronautas no pueden usar una torre de escape. Además, debe empujar los tanques vacíos hacia un lado, de alguna manera, en lugar de simplemente desconectarlos.

Tal vez coloque los motores sobre los tanques, pero ahora debe tener tanques de mayor presión (es decir, más masivos) para alimentar las bombas, y los motores deben estar inclinados hacia afuera unos pocos grados o más para que el escape despeje los tanques. , lo que significa que pierde empuje.

Suponga que deja todo esto y solo tiene etapas paralelas. Este es el mejor enfoque, pero aún tiene algunos problemas: el área frontal es mucho más grande de lo que debe ser, lo que aumenta sustancialmente la resistencia, además los puntos de conexión deben ser más fuertes y los tanques tienen una forma menos óptima porque son demasiado delgados. por su altura. Además, la mayor parte del tiempo de vuelo del cohete se dedicará a transportar varios tanques medio vacíos, en lugar de una cantidad menor de tanques completamente llenos y un tanque parcialmente vacío. Así que hay una serie de sanciones masivas a esto que lo hacen menos que sorprendente.

Hay un refinamiento final para probar: la puesta en escena de espárragos, también conocida como alimentación cruzada. Falcon Heavy originalmente tenía la intención de usar una versión moderada de esto, pero se abandonó debido a la falta de demanda y la dificultad de ingeniería. La puesta en escena de espárragos utiliza etapas paralelas, pero bombea combustible de las que se arrojarán más pronto a las demás, lo que garantiza que los tanques (y los motores) se descarguen tan pronto como el cohete en su conjunto consuma suficiente combustible, en lugar de esperar hasta que cada una de las etapas. etapas ha consumido suficiente combustible que los más pequeños están vacíos.

Desafortunadamente (lo has adivinado) esto también tiene problemas. La mayoría de los problemas se relacionan con las dificultades para hacer que la alimentación cruzada funcione de manera confiable y segura: las bombas deben tener un tamaño diferente para cada etapa (incluso si los motores son los mismos), hay muchas tuberías que deben desconectarse de manera confiable sin dañar el exterior, y asegurarse de que la alimentación no estropee el delicado equilibrio de presión de las tomas de la turbobomba no es trivial. En principio, esto probablemente podría resolverse con algunas sanciones masivas modestas, pero en la práctica no ha valido la pena hacerlo todavía.

La respuesta de Nathan es buena y cubre casi todo, pero déjame agregar un último dato:

La tobera de un motor puede optimizarse para una sola presión ambiental de altitud determinada. Esto tiene un gran impacto en el rendimiento del cohete.

Probablemente no querrías arrastrar ese motor pesado e ineficiente hasta el final, incluso si pudieras.

Algunos diseños intentan eludir este problema, como el motor aerospike, pero aún son prototipos.

¿Por qué no mantener el motor para cohetes de etapas múltiples?

No querrás llevar motores inútiles todo el camino hasta la órbita.

Los motores de cohetes son un gran peso en un cohete de varias etapas.

La premisa es incorrecta. Solo los motores de primera etapa son pesados, los motores de segunda y tercera etapa son mucho más pequeños y de peso insignificante en comparación con los primeros.

En realidad, desea deshacerse de los motores de la primera etapa tan pronto como el cohete se haya vuelto lo suficientemente liviano como para que la segunda etapa tome el relevo. Solo eche un vistazo al cohete Atlas y su esquema de escenario único. Atlas retuvo los tanques de combustible, pero dejó caer dos de los tres motores en el camino hacia arriba.