¿Por qué el Falcon 9 usa RP-1/LOx y no LH2/LOx?

SpaceX observó el diseño de un propulsor con nuevos ojos. Su preocupación era el costo y la reutilización.

Combustibles diferentes, aunque más eficientes, son mucho más caros de administrar (dos sistemas de combustible) y de desarrollar (dos motores diferentes).

Adoptaron un enfoque más pragmático de si podemos construir un refuerzo eficaz que sea barato, en vez de tener un gran rendimiento.

Un clúster RL-10 como segunda etapa del Falcon 9 podría potencialmente aumentar bastante el rendimiento. Pero la cuestión es que el rendimiento es bastante bueno con LOX/RP1. Pero el RL-10 es muy caro en comparación con el motor Merlin. Por lo tanto, SpaceX tuvo en cuenta el costo, ¿a qué costo el rendimiento? Los resultados parecen hablar por sí mismos.

La principal consecuencia es que Falcon es excelente para LEO, bastante bueno para GTO, pero no muy bueno para misiones interplanetarias, en comparación con las etapas superiores basadas en RL-10 (Atlas V, Delta 4). Pero está bien, la gran mayoría de las misiones están en ese conjunto de parámetros.

Ahora SpaceX también está desarrollando un motor Raptor que funciona con metano (CH4) y LOX. Se ha especulado mucho sobre el rendimiento de una segunda etapa impulsada por Raptor. Pero luego se mira el costo. Nueva infraestructura en el pad (potencialmente 3 pads, LC-39A, LC-40 y SLC-4W) y un escenario superior básicamente completamente nuevo. Con la vida útil de Falcon 9 limitada por el próximo monstruo de BFR, es poco probable que gasten el dinero.

Además, SpaceX desarrolló el motor Merlin 1A y 1B (para Falcon 1) y el Kestrel (etapa superior de F1). Luego cambió al Falcon 9 y agrupó los motores (y continuó actualizando Merlin al 1D +++++ actual que están volando ahora. 75Klbs de empuje a 190Klbs de empuje gana el apodo de ++++).

Entonces, el desarrollo del F9 necesitaba mejoras en el motor, pero no un motor nuevo, sino combustible nuevo.

Al observar el cambio de las versiones F9 1.0 a 1.1 con el cambio de Merlin 1C a 1D, la retrospectiva sugiere que fue una buena decisión.

Además, si va a LH2/LOX, lo quiere en su etapa superior, no en su etapa inferior. Las etapas más bajas funcionan mejor con mayor empuje y mayor densidad.

Salga de la atmósfera y gire, luego deje que la segunda/tercera etapa haga el resto. El rendimiento es para el escenario superior.

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Para resumir, el hidrógeno líquido tiene una densidad muy baja de solo 70 kg/m3. RP1 , por otro lado, tiene una densidad muy cercana a la del agua, alrededor de 1000 kg/m3. Esto significa que para la misma masa de combustible de hidrógeno, necesitaría un tanque 14 veces más grande . Combine eso con la necesidad de mantener el LH2 criogénico o perderlo por ebullición, y se convierte en una compensación muy compleja entre eficiencia y complejidad.

No puedo decirle exactamente lo que estaban pensando los ingenieros de SpaceX, pero al final del día optaron por una solución RP-1/LOX menos eficiente pero más fácil de manejar para su primera etapa. Sin embargo, esto no es nuevo: los ingenieros que trabajaron en el Saturn V enfrentaron exactamente los mismos problemas y llegaron exactamente a la misma solución. El transbordador espacial (y otros cohetes con propulsores externos) también siguieron un paradigma similar. En el lanzamiento, un enorme 82% del empuje de los transbordadores provino de los SRB de bajo ISP pero de alta densidad (y empuje).

Por ejemplo, los propulsores de los transbordadores espaciales encapsulan casi perfectamente la compensación entre combustibles de baja y alta densidad. 4/5 partes del empuje provienen de motores que son una fracción del tamaño de un enorme tanque LH2/LOX.

SpaceX optimiza el costo sobre el rendimiento, y todo lo que hace SpaceX con respecto a la arquitectura Falcon trabaja hacia ese objetivo. SpaceX intercambiará gustosamente unos pocos m/s de ΔV si a) ahorra cantidades significativas de dinero yb) queda suficiente para completar las misiones que la mayoría de sus clientes necesitan.

Una optimización de costos significativa es usar los mismos materiales, motores y herramientas tanto para el amplificador como para la etapa superior. La única diferencia entre el Merlin en los EE. UU. y el Merlin en el refuerzo es la boquilla más grande. Esto no solo simplifica la construcción del vehículo, sino que también simplifica la construcción y las operaciones de la plataforma (solo un tipo de línea de combustible para manipular, solo se necesita un tipo de tanque de almacenamiento, etc.), lo que reduce aún más los costos. Y aunque el LH2 en sí mismo es relativamente barato (es aire líquido, vamos), es caro de almacenar y no produce mucho empuje por sí mismo (hay una razón por la que el SLS seguirá usando SRB). Y su baja densidad requiere tanques mucho más grandes (y correspondientemente más pesados).

Sí, hay una compensación de rendimiento definitiva. Mientras que el F9 puede enviar cargas útiles más pesadas a LEO que un Atlas, un Atlas con la etapa superior Centaur hydrolox puede impulsar una carga útil más pesada a órbitas más altas que el F9. Sin embargo, el F9 es lo suficientemente potente como para satisfacer las necesidades de la mayoría de los operadores de Comsat, a un costo mucho menor que el Atlas.

SpaceX está tratando de obtener el mayor rendimiento posible del F9, simplemente lo abordan desde una dirección diferente (materiales más livianos, componentes de motor impresos en 3D, propulsores densificados, etc.).

Creo que geoffc es correcto. Se trata principalmente de costos y, si eso es una preocupación importante, el hidrógeno queda descartado casi de inmediato. Es bueno para etapas superiores de alta eficiencia, pero como mencionaron las otras dos respuestas, es malo para una etapa inferior ya que el empuje está en el extremo inferior y los tanques son más pesados. Necesita un motor bastante avanzado solo para hacer posible una primera etapa de hidrógeno sin refuerzos para ayudar.

Todavía podría hacer una primera etapa Kerolox y una segunda etapa de hidrógeno, pero eso también tiene costos adicionales. Como señaló Geoffc, ha agregado costos de los sistemas terrestres en los sitios de lanzamiento y costos adicionales para el desarrollo de los dos tipos diferentes de motores, pero para SpaceX va más allá, ya que tienen similitudes significativas entre la primera etapa y la segunda etapa. Además de usar el mismo motor que están produciendo en cantidades relativamente significativas para motores de cohetes (~150 el año pasado por los lanzamientos que realizaron), las dos etapas también son del mismo tamaño y usan los mismos diseños de tanque para que puedan compartir herramientas y su la construcción es en gran medida similar.

Además, debe observar cómo funciona el cohete en su conjunto. La primera etapa del F9 se apaga relativamente pronto en comparación con otros cohetes, por lo que es más bajo y va más lento que, por ejemplo, una primera etapa Atlas o Delta cuando ha hecho su trabajo. Esto termina funcionando bien para la recuperación, pero significa que la segunda etapa tiene que hacer mucho más. Es un poco más grande que la mayoría de las otras segundas etapas y tiene mucho más empuje. Una segunda etapa F9 impulsada por hidrógeno requeriría un motor mucho más potente que el típico RL10 o posiblemente múltiples para obtener el empuje necesario.

La segunda etapa también necesitaría tanques mucho más grandes que una segunda etapa delta o atlas o incluso la etapa F9 actual. La primera etapa ya está en el límite de lo que es transportable por carretera, cualquier ronda más grande y no cabe debajo de los pasos elevados y más y las curvas serán un problema, por lo que realmente no puede empujarlo más, incluso si aún puede manejar la recuperación. . Hacer que la segunda etapa sea más grande para manejar el tanque de hidrógeno necesario podría comenzar a toparse con las mismas limitaciones de tamaño que la primera etapa. Todo el cohete en su conjunto ya es muy alto y delgado, y también sería difícil hacerlo aún más alto y delgado.

La transportabilidad por carretera también es importante para el costo y fundamental para la forma en que están configurados actualmente. El cohete se construye en California. Enviado a Texas para ser probado. Luego a Florida o de regreso a California para el lanzamiento. Eso se vuelve mucho más difícil y más costoso si no es transportable por carretera. Los cohetes más grandes generalmente se construyen cerca del sitio de lanzamiento (BO está construyendo New Glenn en Florida justo cerca del sitio de lanzamiento) o cerca del agua, como el BFR que se está construyendo en el Puerto de Los Ángeles.

También hay que tener en cuenta la historia de SpaceX y el propio F9. SpaceX no es la primera puesta en marcha de una compañía de cohetes, pero son los primeros en tener realmente éxito. Muchos otros fracasaron y quebraron y SpaceX estuvo muy cerca de seguir ese mismo camino. Regrese a septiembre de 2008. Han fallado en sus tres primeros intentos de lanzar el Falcon 1. Musk ha reunido suficiente dinero para un intento más de lanzar el Falcon 1 antes de que quiebren. Todo está en este lanzamiento y, si falla, SpaceX seguirá el camino de innumerables empresas emergentes de compañías de cohetes, pero el trabajo duro y la perseverancia valen la pena. Su lanzamiento es exitoso. Su plan de negocios en este momento es lanzar cargas útiles más pequeñas en el Falcon 1 para, con suerte, financiar a la compañía mientras trabajan en mejorar el Falcon 1 y, finalmente, construir un Falcon 5 y un Falcon 9 para lanzar cargas útiles progresivamente más grandes. Avance un par de meses hasta finales de 2008. La NASA le ha otorgado un contrato de Servicios de reabastecimiento comercial para entregar carga a la ISS. Su antiguo plan está fuera de la ventana, necesita un cohete mucho más grande. Debe poner en marcha el F9 y realizar entregas a la ISS lo antes posible en los plazos de desarrollo de cohetes. Eso significa que reutiliza todo lo que puede y ciertamente no tiene tiempo para diseñar un motor de hidrógeno completamente nuevo para la etapa superior. Su antiguo plan está fuera de la ventana, necesita un cohete mucho más grande. Debe poner en marcha el F9 y realizar entregas a la ISS lo antes posible en los plazos de desarrollo de cohetes. Eso significa que reutiliza todo lo que puede y ciertamente no tiene tiempo para diseñar un motor de hidrógeno completamente nuevo para la etapa superior. Su antiguo plan está fuera de la ventana, necesita un cohete mucho más grande. Debe poner en marcha el F9 y realizar entregas a la ISS lo antes posible en los plazos de desarrollo de cohetes. Eso significa que reutiliza todo lo que puede y ciertamente no tiene tiempo para diseñar un motor de hidrógeno completamente nuevo para la etapa superior.