Qualität vs. Quantität für Raketentriebwerke

Ich habe vor einiger Zeit über die berühmte sowjetische N-1 gelesen, die von einigen als die stärkste Rakete (in Bezug auf den Schub beim Start) in der Geschichte bezeichnet wird. Es verwendete in seiner ersten Phase unglaubliche 30 Motoren. Der amerikanische Saturn V hingegen verwendete in seiner ersten Stufe nur fünf F-1-Motoren. Der Unterschied bestand darin, dass jeder F-1 viel leistungsstärker war als ein einzelner der (ursprünglich NK-15) Motoren, die im N-1 verwendet wurden. Der Vorteil des 30-Motoren-Systems war, dass es Backups gab, wenn ein Motor ausfiel, und mehr Kraftstoff zu oder von anderen verschoben werden konnte, um dies zu kompensieren (obwohl dies zu einigen amüsanten Pannen mit dem KORD-Computer führte, der die Motoren steuerte).

Was sind die anderen Vor-/Nachteile für jedes der Systeme (30-Engines vs. 5-Engines)? Warum wählten die Sowjets ein 30-Motoren-System, während die Amerikaner ein 5-Motoren-System wählten?

Wow! 11 Millionen Pfund Schub beim Abheben! Shuttle war nur rund 7 Millionen, Saturn V - 7,5 Millionen, Energia 7,8 Millionen. SLS wird etwa 7-8 Millionen Pfund betragen. Wild.
Verwandte Spargelinszenierung (ja, ich weiß - KSP). Dies wird im realen Leben in der schweren Trägerrakete Falcon verwendet.

Antworten (2)

Verbrennungsinstabilität ist ein sehr schwer zu knackendes Problem. Je größer der Motor wird, desto schwieriger wird es.

Die Amerikaner nahmen die Herausforderung eines 1,5 Millionen Pfund Schubmotors an und schlugen ihn (F-1, ich nehme an, sogar der J-2 auf der zweiten (5) und dritten Stufe (1)). Die Sowjets versuchten es und scheiterten und gingen mit einem kleinen (NK-15) Motor. Sie brauchten den Schub, also gruppierten sie sie.

Irgendwann verbinden sich die Kraftstoffleitungen, und Gegendruck kann Vibrationen in anderen Zuleitungen verursachen. Saturn V litt selbst mit nur 5 Motoren unter Pogo-Oszillationen, Sie können sich vorstellen, dass der N-1 mit 30 größere Probleme gehabt hätte.

Interessant wäre zu hören, wie sich dies auf Falcon 9 mit 9 Motoren ausgewirkt hat. Ich denke, es ist die größte Anzahl von Motoren auf einer Bühne, die derzeit fliegt. (Oder jemals? Seit dem N-1? Was hatte mehr Motoren?)

+1. Ich habe mit einigen der Leute gesprochen, die beschuldigt wurden, das Pogo-Problem angegriffen zu haben. Sie haben das Problem nicht wirklich gelöst, zumindest nicht im theoretischen Sinne. Sie fanden nur Ad-hoc- Möglichkeiten, die es anscheinend verschwinden ließen. Gut genug!
@DavidHammen Meine Erinnerung an das, was die N-1 getötet hat, war im Grunde Pogo, groß geschrieben. 30 Instanzen von Pogo, die miteinander interagierten, rissen das Ding auseinander.
Exakt. Es gibt einen großen Unterschied zwischen Theorie und Praxis. Die Theorie winkt all diese unangenehmen Probleme mit der Hand weg. Die Praxis sagt, dass Sie das nicht tun können, damit sich Ihr Fahrzeug nicht wie ein Pogo-Stick verhält.
@geoffc Ich habe alle 4 Bände von Boris Chertoks Rockets and People gelesen. Chertok war für das Design des KORD verantwortlich. Es war im Grunde das elektronische Gehirn, das für 30 Motoren verantwortlich war. Der wichtigste Konstruktionspunkt war, wenn ein Motor Probleme hatte, sollte KORD ihn abschalten und auch den gegenüberliegenden Motor , um den symmetrischen Schub aufrechtzuerhalten. N-1 war mit 30 Triebwerken "überdimensioniert", so dass es 4 Abschaltungen oder 2 Paar Abschaltungen erleiden konnte und es dennoch in die Umlaufbahn schaffte. KORD hat nie richtig funktioniert. Die damalige analoge Technik machte es offenbar unmöglich.
Aber Chertok war Elektroingenieur, also sind seine Bücher aus dieser Perspektive. Wenn jemand Memoiren eines Raketenkonstrukteurs kennt, lasst es mich bitte wissen. Der Motorschaden, mit dem sich KORD befassen sollte, hätte sowieso von Pogo kommen können. Aus dem Gedächtnis erinnerte ich mich an die 4 Ausfälle von N-1: 1. hatte Motorprobleme gegen Ende des Laufs der ersten Stufe, 2. nahm einen losen Gegenstand ein und explodierte 2 Sekunden nach dem Start, 3. drehte sich aufgrund der seltsamen Aerodynamik von 30 Motorabgasen zu stark. und der 4. schaffte es fast bis zur zweiten Stufe vor dem Motorschaden.
30 Triebwerke mit POGO klingen schlechter als 5 Triebwerke mit POGO, aber die Rakete mit 30 Triebwerken hat kleinere Triebwerke und das Ausmaß ihres POGO-Effekts ist wahrscheinlich viel geringer. Unabhängig davon besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass sich ihr POGO aufhebt oder zumindest nicht verstärkt, genau wie 6- oder 8-Zylinder-Automotoren glatter sind als 4-Zylinder-Motoren.

Sie könnten den Vorteil haben, dass Sie eine größere Menge einzelner Motoren herstellen, ähnlich wie es SpaceX vorhat. Statt Raketen mit 1 oder 2 Triebwerken herzustellen, setzt SpaceX jetzt auf 9 pro Rakete und kann die Herstellung mit den Methoden verbessern, die so viele industrialisierte Dinge heute so viel billiger gemacht haben. Das ist, was ich über SpaceX gelesen habe, und es könnte auch die Entscheidung dieser älteren Rakete beeinflusst haben.

Der Hauptfaktor war, dass die Russen das Problem der Verbrennungsinstabilität in einer großen Brennkammer nicht lösen konnten. Weder Russland noch die USA verfügten über gute Computermodellierungskapazitäten, aber die USA hatten mehr Geld, um Prototypen zu bauen und verschiedene Dinge auszuprobieren, bis sie auf etwas stolperten, das funktionierte. Russland verwendet immer noch das Konzept der kleinen Brennkammer, wie es in Motoren wie dem RD-170 mit 4 Kammern, die von einer Turbopumpe angetrieben werden, zu sehen ist.
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