¿Por qué SpaceX eligió propulsores de gas en lugar de ruedas de reacción/CMG?

Torque y/o masa.

Puedes ir con ruedas de reacción pequeñas que apenas pueden afectar la actitud, o con ruedas masivas, que... apenas afectan la actitud.

Son buenos para los satélites que permanecen en órbita durante años, donde puede pagar horas por maniobra, pero necesita años de funcionamiento. Mientras tanto, RCS se quedará sin combustible bastante rápido, pero puede proporcionar un buen par rápidamente. Con un cronograma apretado para el reingreso en la trayectoria correcta, Falcon 9 necesita esa reacción rápida.

Cualquier embarcación de atraque requiere RCS para las maniobras de traslación para el atraque; ciertamente tiene algunas ruedas de reacción además de eso, pero RCS sigue siendo imprescindible.

Editar:

Echemos un vistazo al artículo vinculado desde la página de Wikipedia que habla de "unos cientos de vatios y 100 kg de masa... miles de newton metros de par".

Calculemos la primera etapa del F9 en el momento de la separación, antes de la maniobra de mayor torsión de giro de 180 grados, como 100 toneladas .

Vamos a aproximarnos a una vara de 41,2 metros de longitud . El momento de inercia será de alrededor de 14.000.000$kg m^2$.

No sé cuántos miles de newton metros de torque significaba la oración en Wikipedia, pero supongamos generosamente cien mil.

La aceleración angular será entonces de 0,007 rad/s^2.

$\phi = 0.5 \alpha t^2$. Necesitamos acelerar por 1/4 de vuelta, luego desacelerar por el 1/4 de vuelta restante para completar una vuelta de 180 grados. Por lo tanto, la mitad del tiempo necesario ocurrirá después de$0.5 \pi$radianes del giro.$t = \sqrt{ 2\phi \over \alpha} = \sqrt{\pi/0.007} s = 21s$. El doble para la mitad de frenado del giro, durante 42 s para toda la maniobra.

42 segundos todavía son factibles dentro del presupuesto de tiempo del lanzamiento de F9.

OTOH, el documento muestra que el CMG con el par más alto disponible comercialmente es del orden de 100 Nm, no 100,000 Nm. Un CMG de 1000 Nm (diez veces más fuerte que el superior) necesitará 420 segundos para dar la vuelta al escenario.

Mientras tanto, en un brazo de, digamos, 20 m (41,2 m/2 menos el margen para no colocarlos en las puntas) se pueden lograr 100 000 Nm (los mismos 42 de arriba) con dos motores de cohete de 2500 N, que es un valor muy modesto. .

Alguien revise mis matemáticas. Revisé las matemáticas, mostré ediciones. Para girar la primera etapa en un minuto usando una rueda de acero de 2 metros de diámetro ( o plomo, tungsteno o uranio empobrecido ) con una masa igual a una carga útil típica (~ 5000 kg), necesitaría descargar un Tesla model-S Powerwall batería (alrededor de 5 kWh) en 10 segundos para hacerla girar hasta 1800 180 RPM, luego vuelva a descargar la energía en la batería medio minuto después para detenerla. Suponga que a la primera etapa le queda un 10% de propulsores.

Podemos tomarnos un minuto para hacer una pausa y disfrutar de esa imagen, pero los propulsores tienen una cosa a su favor.

Lo bueno de los propulsores es que puedes ponerlos en los extremos, donde puedes aprovechar la longitud del cuerpo (r^2). Esa "pequeña" rueda de 5000 kg en el medio está en clara desventaja.

Los ingenieros estructurales se estremecerán ante la idea de aplicar el par de torsión en el medio mientras que la mayor parte de la masa está en los extremos, otra ventaja de tener los propulsores en lugares donde se concentra la masa.