Warum 31 Motoren für den BFR?

Weiß jemand, was die Geschichte ist?

Der Hauptgrund für die große Anzahl von Triebwerken in der BFR-Erststufe ist der Wunsch, ein gemeinsames Triebwerksdesign (wenn auch mit unterschiedlich optimierten Düsen) sowohl für die Boosterstufe als auch für die interplanetare Raumfahrzeugstufe zu verwenden. Das Bauen und Warten nur eines Motortyps macht die Dinge effizienter und ist eine Strategie, die für sie in Falcon 9/Heavy gut funktioniert hat. Die Oberstufe verwendet 6 davon (im Design vom September 2017), und diese Anzahl wird durch Redundanz- und Schubbereichsanforderungen bestimmt. Wenn die obere Stufe 6 verwendet, benötigt die viel größere Booster-Stufe viel mehr.

Sind größere Motoren unverhältnismäßig schwieriger zu konstruieren oder zu warten?

Große Motoren sind im Allgemeinen schwieriger zu bauen, obwohl sie nach Masse effizienter sein können. Verbrennungsinstabilitätsprobleme plagten die Entwicklung des F-1-Triebwerks, das in der Saturn-V-Rakete verwendet wurde.

SpaceX scheint gut darin zu sein, leichte, leistungsstarke Triebwerke zu bauen (die Merlin-Serie soll das höchste Schub-Gewichts-Verhältnis aller mit Flüssigbrennstoff betriebenen Raketentriebwerke haben), sodass sie keine großen Triebwerke benötigen, um effizient zu sein.

Mehr Motoren bedeuten mehr mögliche Ausfälle, aber solange die Fehlermodi auf einen einzigen Motor beschränkt sind, ist der Verlust eines von 31 Motoren weniger problematisch als der Verlust eines von 9. Die Motoren von SpaceX scheinen im Allgemeinen zuverlässig zu sein, also nicht scheinen auch bedenklich zu sein.

Die Antwort von Russell Borogove geht dem Problem auf den Grund. Sie wollten mindestens 6 Motoren auf dem BFS, was bedeutete, dass der BFR mehrmals mehr haben musste, und sie wählten die Nummer 31.

31 Düsen sind allerdings kein Rekord. Die Sojus hat 5 Kerne. Der mittlere Kern hat 4 Haupt- und 4 Noniusdüsen, und die Seitenkerne haben jeweils 4 Haupt- und 2 Noniusdüsen, was insgesamt 20 Hauptdüsen + 12 Noniusdüsen = 32 Düsen ergibt. Das sind insgesamt 32 Düsen und Brennkammern, aber jeder Kern hat nur einen Satz Turbopumpen, sodass sie normalerweise als ein Motor pro Kern für insgesamt 5 gezählt werden.

Die Russen/Sowjets bauen seit jeher Motoren mit einer einzigen Turbopumpe, die 4 Hauptbrennkammern (und manchmal einige Nonius-Brennkammern) speist. Der Grund dafür ist, die Probleme der Verbrennungsinstabilität zu vermeiden, die mit sehr großen Brennkammern einhergehen. Es spart wahrscheinlich auch Werkzeugkosten und Entwicklungskosten.

Die größte dieser 4 Brennkammerausführungen ist die RD170 / RD171M . Kleinere 2-Kammer- und 1-Kammer-Derivate wurden hergestellt. Die Energiya Uragan war eine vorgeschlagene Rakete mit einem zentralen Kern, der von acht Boostern mit jeweils einem RD170-Triebwerk umgeben war. Einschließlich der 4 Düsen auf dem zentralen Kern hätte es insgesamt 36 Düsen gehabt. Leider fiel dieses Design mit dem Zusammenbruch der Sowjetunion zusammen, und in den politischen und wirtschaftlichen Turbulenzen wurde das Raumfahrtprogramm auf Eis gelegt.

Das F1-Triebwerk der Saturn V (6770 kN Schub auf Meereshöhe) hatte bei weitem die größte Brennkammer aller Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke und war völlig ungedrosselbar. Die nächstgrößere Brennkammer befindet sich auf der RS-68 (Einzelkammer, 3137 kN Schub auf Meereshöhe, verwendet auf der Delta IV). Das ist etwa 4- bzw. 2-mal größer als die Raptor (1700 kN Schub auf Meereshöhe).

Daher wäre der Versuch, eine drosselbare Brennkammer zu entwickeln, die viel größer als Raptor ist, eine völlig neue technische Herausforderung gewesen, und kein einziger Spacex war daran interessiert – sie sind daran interessiert, das Schub-Gewichts-Verhältnis, den spezifischen Impuls und die Kosten zu optimieren.

SpaceX hätte einen ähnlichen Weg wie die Russen einschlagen und die BFR mit acht Turbopumpensätzen ausstatten können, die jeweils 4 Brennkammern für insgesamt 32 versorgen. Dies hätte es ihnen ermöglicht, ihre nominelle „Motorenzahl“ zu reduzieren und eine gewisse Gemeinsamkeit von Teilen beizubehalten mit dem BFS. Es hätte jedoch die Menge der erforderlichen Rohrleitungen im Vergleich zu ihrer gewählten Konstruktion nicht verringert.

SpaceX entschied sich stattdessen für 31 völlig unabhängige Motoren für eine größere Fehlertoleranz.

Oft wird auf den Ausfall der sowjetischen N-1-Mondrakete mit 30 Triebwerken als Grund verwiesen, keine große Anzahl von Triebwerken einzusetzen. Aber dies war ein überstürztes Design (das letztendlich von den Amerikanern abgebrochen wurde, die zuerst zum Mond kamen) und obwohl es einige Probleme mit der Installation gab, war das größte Problem der Versuch, all diese Motoren mit einem Computer aus den 1960er Jahren zu steuern, der so dumm war wie eine moderne Mikrowelle Ofen, und viel mühsamer zu programmieren!

Musk glaubt, dass bei modernen Computern eine große Anzahl unabhängiger Engines von Vorteil ist.

SpaceX hat einen Methan/LOX-Motor namens Raptor entwickelt, der etwa zweimal leistungsstärker ist als der Merlin-Motor. (Dies ist die erste Raptor-Iteration mit einem Schub von etwa 400 klb. Der erste Merlin (1A) war 75 klb, die aktuelle Version liegt näher bei 200 klb. Erwarten Sie also ein Leistungswachstum).

31 Triebwerke mit etwa 400 klb Schub ergeben etwa 12,4 Millionen Pfund Schub.

Welche Alternativen gibt es? Einige der größten jemals gebauten Triebwerke (nach Schub) waren die F-1 (USA) und RD-170 (Russland). Beide haben einen Schub von fast 1,5 bis 1,8 Millionen Pfund. (Der tatsächliche Wert ändert sich im Laufe der Zeit. Es gab zum Beispiel eine 1,8-mlbs-F-1-Version, die nie geflogen ist).

Sie würden immer noch einen Cluster solcher Motoren benötigen, 7 oder mehr, um die gleiche Leistung zu erzielen. Sobald Sie an diesem Punkt angelangt sind, stellt sich die Frage, wie Sie alles optimieren können. Es gibt wahrscheinlich viele mögliche Lösungen, SpaceX hat auf eine gewettet, die ihren Bedürfnissen entspricht.

SpaceX muss auch die Landung ausgleichen, bei der der Schub (wenn er so weit wie möglich gedrosselt wird) die Landung des Boosters/Schiffs ermöglichen sollte. Natürlich könnten Sie größere Motoren zum Starten und kleinere zum Landen verwenden, aber jetzt müssen Sie zwei Motoren entwickeln. Mehr kosten.

Wie sich herausstellt, entwickelt SpaceX zwei Versionen, Meeresspiegel und Vakuum, und sie schlagen vor, dass die obere Stufe hauptsächlich Vakuummodelle verwenden würde, mit 2 oder 3 (Iterationen ändern sich ständig) als Versionen auf Meereshöhe für die Landung, also nutzen sie bestehende Bedürfnisse, um bestehende Probleme zu lösen.

Die F-1 und RD-170 waren sehr schwer zu entwickeln. Motoren, die so groß sind, sind wirklich ziemlich hart.

SpaceX hat nach der Erfahrung mit der Entwicklung mehrerer Merlin-Iterationen offensichtlich viel Zeit damit verbracht, über die richtige Größe für eine Raptor-Engine nachzudenken. Einige ihrer Überlegungen wären gewesen, einfache Entwicklung, Landefähigkeit, Meereshöhe und Vakuumleistung.

Es ist wirklich einfach. Zuallererst war eine große Anzahl von Triebwerken erwünscht, um Ausfälle zu berücksichtigen, damit eines immer noch die Umlaufbahn erreichen kann. Zweitens sind die Raptor-Motoren in etwa so groß wie ein Merlin-Motor. Da sie ungefähr gleich sind, können sie von denselben Maschinen hergestellt werden.

Davon abgesehen wollen sie die meisten dieser Triebwerke so gut wie möglich in eine einzige Rakete einbauen. 31 wird passen, und das ist es, was sie planen.