¿Qué es la mejora de la eficiencia en el motor cohete Rutherford?

Esta afirmación de "eficiencia" es objetivamente precisa pero casi sin sentido como medida del rendimiento de un cohete. Es similar a señalar que un automóvil tiene faros LED de alta eficiencia. Eso es genial, pero no necesariamente significa que el auto tendrá un mejor desempeño o economía.

En un ciclo de generador de gas, se quema una pequeña cantidad de combustible y oxidante para crear gas caliente a alta presión que luego pasa a través de una turbina. La turbina convierte la energía del gas en trabajo, que utiliza para hacer funcionar una bomba de combustible o de oxidante. Las turbinas tienen límites prácticos y teóricos para su eficiencia; el gas de escape de la turbina es más frío y tiene una presión más baja que el gas que ingresa, pero todavía lleva aproximadamente la mitad de la energía del gas que ingresa. Por lo tanto, 50% de eficiencia (aproximadamente, típicamente). Un motor eléctrico no está limitado por la misma ley termodinámica que la turbina. Los motores de corriente continua sin escobillas modernos pueden convertir el 95 % de la energía eléctrica entrante en energía mecánica, perdiendo solo el 5 % por el calor residual.

Pero la métrica de conducción general para los cohetes de lanzamiento no es la eficiencia de la bomba de combustible, es el costo en dólares/kg de la carga útil. Las cosas que influyen en eso son la eficiencia del cohete, el costo de construcción y los costos de prueba y operación.

Las turbobombas impulsadas por un ciclo generador de gas son omnipresentes en los cohetes principalmente debido a su increíble relación potencia-peso. El generador de gas en sí mismo (quemador) es básicamente un conjunto de láminas de metal de alta ingeniería. Es luz. Las turbinas mismas están diseñadas para operar a temperaturas y velocidades muy altas y extraer una cantidad de energía impía para su peso. Por ejemplo, la turbobomba oxidante de alta presión SSME tenía una potencia de salida de 23 260 hp y medía solo 600 por 900 mm (24 por 35 pulgadas). Eso es para la turbina Y la bomba. El combustible que queman tiene peso, pero ya está a bordo y se agota a medida que asciende el cohete.

Los motores eléctricos tienen una gran relación potencia-peso, pero no tan buenos como las turbinas de gas. La batería es un sistema adicional que pesa lo mismo al final de la quema del cohete que al principio. Un análisis detallado probablemente mostraría que un ciclo de generador de gas le ahorraría a su cohete una gran cantidad de libras, y esas libras ahorradas irían directamente a la capacidad de carga útil, lo que reduciría sustancialmente los $/kg. Sin embargo, las turbinas utilizadas en las turbobombas de los cohetes se encuentran entre las partes de todo el cohete con el tiempo de desarrollo más prolongado, las más exhaustivamente probadas y las más costosas. Reemplazarlos con motores eléctricos y baterías de alta eficiencia representa un ahorro sustancial de costos y tiempo tanto en el desarrollo como en la producción final.

Lo que Rutherford ha hecho es tomar la decisión de ingeniería de que, dadas las características específicas de su cohete (su tamaño, volúmenes anticipados, su presupuesto de desarrollo y cronograma), es mejor usar baterías y motores eléctricos "baratos pero pesados" que uno "ligero pero caro". generador de gas y turbina. El aumento de dólares/kg debido a la pérdida de carga útil por el sistema de bomba eléctrica más pesado será más que compensado por el (presumiblemente) tiempo de comercialización más rápido y menores costos de desarrollo y producción. Señalar que un motor eléctrico es más eficiente que una turbina de gas es la idea de alguien de un buen punto de marketing, pero no tiene sentido desde el punto de vista del rendimiento del cohete.