¿Qué desafíos existen para más motores de combustible líquido más pequeños en lugar de uno grande?

Surgieron algunas preguntas sobre las dificultades de crear motores de combustible líquido regulables.

Me pregunto por qué la alternativa obvia no es más común: múltiples motores, de los cuales solo se encenderán algunos; posiblemente unos de empuje variado para que pueda ajustar su empuje seleccionando qué motores están activos simultáneamente.

Varios lanzadores soviéticos usaban cuatro motores. Los transbordadores utilizaron tres motores. Falcon Heavy utiliza 27 motores Merlin. Soyuz utiliza 20 cámaras de combustión en cinco motores, por lo que la solución multimotor no es desconocida, pero no es tan común como las de un solo motor. ¿Qué factores deciden sobre su popularidad relativamente baja?

¿LF es combustible líquido?
Eficiencias de escala, en su mayoría. Un grupo de motores diminutos que entregan x empuje total tendrán una masa de más de 1 x motor de empuje.
@Hobbes: Sí, hidrógeno/oxígeno o similar; a diferencia de los SRB.

Respuestas (2)

Tener una amplia gama de configuraciones de empuje es importante para los aterrizajes, no tanto para los lanzamientos. Durante un lanzamiento, desea algo de aceleración para reducir las cargas alrededor de max-Q, pero por lo demás, un lanzamiento es más eficiente cuando se realiza lo más rápido posible. Entonces, en los lanzadores no reutilizables, no tiene sentido poder apagar algunos de sus motores.
Cuando usa más motores, la cantidad de piezas, el costo y el peso aumentan y su confiabilidad disminuye.
Si tiene suficientes motores (alrededor de 5 motores parece ser suficiente), obtiene la opción de continuar la misión si falla un motor, pero para la mayoría de los diseños esa decisión no se ha tomado (más lanzadores con una pequeña cantidad de motores que con capacidad de apagado del motor).

Continúe y publique eso como una nueva pregunta, es una pregunta interesante que necesita una respuesta más amplia que la que se puede hacer en los comentarios.

Como se discutió en este otro hilo , el mayor problema de tener muchos motores pequeños es que muchos motores pequeños significan muchas líneas pequeñas de combustible y oxidante (mientras que, si usa algunos motores grandes, puede salirse con la suya usando unos pocos grandes). líneas de combustible y comburente). Lo que, a su vez, crea dos problemas:

  1. Una plomería más complicada hace que sea mucho más difícil garantizar que el flujo de combustible y oxidante sea estable y uniforme, especialmente cuando tiene muchos más motores que necesitan producir la misma cantidad de empuje. Como resultado, los diseños con una gran cantidad de motores a menudo tienen problemas graves con la inestabilidad del flujo de combustible y oxidante, lo que conduce a la inestabilidad de la combustión, lo que hace que fluctúe la presión de la cámara del motor que la sufre, lo que afecta la cantidad de combustible y oxidante que entra en el motor, lo que agudiza la inestabilidad, todo lo cual induce vibraciones (llamadas "pogo oscilaciones") en la estructura del vehículo , llevándonos al segundo gran problema:
  2. Tener muchas líneas pequeñas de propulsor hace que las tuberías del cohete sean mucho más frágiles: las líneas más pequeñas y delgadas se rompen más fácilmente que las más grandes, y hay más líneas que pueden romperse. Cuando tiene un vehículo que ya es propenso a oscilaciones pogo severas, la plomería frágil no es su mejor amigo.

Mire el cohete soviético N1 como ejemplo de los problemas que pueden surgir cuando se usan muchos motores pequeños. De las cuatro fallas de lanzamiento del N1 (que comprendían todo el historial operativo del N1), tres ocurrieron después de que partes del nido de ratas de las tuberías que alimentan los 30 (!) motores en la primera etapa del N1 se rompieron por una razón u otra (oscilación de pogo en la primera lanzamiento, una turbobomba que explota en el segundo, el combustible/oxidante equivalente a un golpe de ariete en el cuarto), incendiando partes del escenario, que rápidamente quemaron varios componentes importantes.

TL; DR: tener muchos motores pequeños significa tener muchas tuberías frágiles y complicadas, lo que generalmente no es bueno para un cohete.

La Soyuz tiene 20 cámaras de combustión conectadas a 5 pares de tanques. El Falcon Heavy tiene 27 motores conectados a tres pares de tanques. Pero el N1 tenía 30 motores conectados a un solo par de tanques para combustible y oxidante. Varios cohetes exitosos tienen de 4 a 9 motores por par de tanques.
Lo único que realmente aprendemos del N1 es que los motores poco confiables hacen que el cohete no sea confiable. Sospecho que el tiempo mostrará que los 27 motores del Falcon Heavy están bien.
@PhilipNgai: Los motores están perfectamente bien: era el cohete que intentaba alimentar a treinta de ellos a la vez desde un solo conjunto de tanques de propulsor que seguían explotando.
@PhilipNgai: El motor NK-33 tuvo un uso posterior exitoso.
Primer lanzamiento: motores defectuosos. enlace Al final resultó que, seis segundos después del despegue, las vibraciones de alta frecuencia habían arrancado una tubería de medición de presión de gas ubicada aguas abajo de la turbobomba en el motor No. 2. Para empeorar las cosas, en T + 25 segundos, una tubería para medir la presión del combustible antes de que el generador de gas también se hubiera roto, arrojando queroseno en las tripas del cohete.
Segundo lanzamiento: motores defectuosos. El análisis de enlace de la telemetría disponible, fotos y grabaciones de películas reveló que mientras el sistema de propulsión había estado disparando con el cohete aún en la plataforma de lanzamiento, una turbobomba que suministraba oxígeno líquido al motor No. 8 explotó un cuarto de segundo antes del despegue. La turbobomba del motor No. 8 presentaba señales de fusión y daño por explosión interna, a diferencia de los otros 29 motores. La fuerza de esta explosión fue fatal para todo el cohete. Se cortaron varias arterias que conducían a otros motores.
Aún más información: el enlace de los motores de vuelo reales no se pudo probar estáticamente. Muchas válvulas se abrieron y cerraron con pirotecnia en lugar de energía hidráulica o neumática. Después de una prueba de funcionamiento, las válvulas se soldaron y no pudieron abrirse.
La política de prueba era aceptar motores de la fábrica en lotes de 6. 2 se enviaron a las instalaciones de prueba de la Oficina Kuznetsov y se probaron y luego se desecharon. Si estos dos completaban una quema completa, los otros 4 se enviaban a Baikonur y se instalaban en las etapas sin ninguna prueba. Por lo tanto, no sorprende que de los 120 motores de vuelo en funcionamiento, hubo dos explosiones de turbobombas y una fuga de gas caliente (la causa real de la falla del primer vuelo).
La idea de que el N-1 podría haber tenido éxito con los motores NK-33 mejorados queda refutada por el pésimo historial de estos motores en el programa Antares. Esa placa de falla derribó muchos NK-33 en stock en Aerojet y descubrió que faltaba metal en aproximadamente 1/3 del eje de la turbobomba. Probablemente se trató de un error de mecanizado del turno de noche en la fábrica de Kuznetsov que el control de calidad no detectó.
@PhilipNgai: Primer lanzamiento: partes de la tubería fueron rotas por vibraciones. Eso es un problema con la fragilidad de la plomería. Segundo lanzamiento: la explosión de la turbobomba condenó al cohete porque desgarró lo suficiente de las tuberías para iniciar un incendio que dañó varios de los otros motores lo suficiente como para que se apagaran automáticamente; El sistema de control del motor del buggy N-1 hizo esto apagando todo el escenario (excepto por un motor que no pudo recibir el mensaje: ¿un cable roto, tal vez?). Una plomería más resistente habría resistido la onda expansiva, ergo no fuego, ergo no kaboom.
Parte de las cañerías de LA MOTORA quedaron rotas.
@PhilipNgai: Exactamente. LA FONTANERÍA QUE CONDUCE AL MOTOR. NO el motor en sí.
Esa tubería ERA parte del motor.
¿Qué desafíos existen para más motores de combustible líquido más pequeños en lugar de uno grande?
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