Warum hat der Falcon 9 9 Motoren?

SpaceX wollte ursprünglich einen Motor kaufen, konnte aber keinen auf dem Markt finden, der es ihnen ermöglichen würde, ihre Ziele zu erreichen.

Als sie sich entschieden, ihre eigenen zu entwickeln, mussten sie ihre Ziele berücksichtigen: Zuverlässigkeit und reduzierte Kosten.

Neun Triebwerke bedeuten, dass Sie höchstens zu jeder Zeit im Flugprofil ein Triebwerkausfall-Ereignis behandeln können. Der Saturn V mit 5 F-1-Motoren hat dies erlebt und ausgenutzt. Ein SpaceX Falcon 9 1.0 auf einer CRS-Mission verlor einen Motor und lieferte weiterhin die primäre Nutzlast in den Orbit. (Sekundäre Nutzlast hätte geliefert werden können, aber die NASA-Sicherheitsregeln um ISS-Umlaufbahnen bedeuteten, dass sie die Kriterien nicht erfüllten, um die Nutzlast mit ausreichender Sicherheit freizugeben, dass sie die ISS nicht beeinträchtigen würde, wenn etwas schief gehen würde).

Über den einfachen Start hinaus haben sie seit langem eine Wiederherstellung geplant. Die Theorie besagt, dass Sie die Preise nicht ernsthaft senken können, wenn Sie die Hardware bei jedem Flug wegwerfen.

Um eine erste Stufe zu landen, müssen Sie sie langsam genug durch die Atmosphäre bringen, um zu überleben. Fallschirme funktionierten nicht, aber Retrothrust tat es.

Eine erste Stufe benötigt beim Start den gesamten Schub, den sie bekommen kann, da sie zu über 90 % aus Brennstoff und Oxidationsmittel besteht.

Eine erste Stufe bei der Landung wiegt nur 10 % des Gewichts, und tatsächlich besteht das Problem darin, dass Sie die Motoren nicht niedrig genug drosseln können.

Aber durch die Verwendung einer großen (9) Anzahl von Motoren können Sie den Schub steuern, indem Sie alle neun nach Bedarf drosseln und die Motoren nach Bedarf abschalten. Tatsächlich schalteten sie während des Starts zwei Triebwerke mitten im Flug ab, um den Schub zu verringern, während das Fahrzeug Kraftstoff und Oxidationsmittel verbrennt.

Für die Wiederherstellung der ersten Stufe zünden sie drei Triebwerke (es ist unklar, ob die ersten beiden von drei Verbrennungen 3 Triebwerke verwenden oder nur das erste), und schließlich hat ein Triebwerk, das so niedrig wie möglich gedrosselt wurde, immer noch zu viel Schub, um es tatsächlich zu tun schweben. Aber es erlaubt ihnen, den von ihnen verwendeten "Hover-Slam" -Ansatz anzuwenden. (Kommen Sie schnell herein und stoßen Sie, um langsamer zu werden, sodass Sie mit 0 m/s auf dem Boden aufschlagen).

Die Verwendung von 9 Motoren (oder 5 oder 3) gibt ihnen einen Mittelmotor, der für die Landung ausbalanciert ist. Es ermöglicht Drosselung. Es ermöglicht die Fähigkeit, den Motor auszuschalten. Es ist nicht verrückt wie der N-1 mit 30 Motoren. Es ist ein vernünftiger Kompromiss, der bisher bei einem Dutzend Flügen gut zu funktionieren scheint.

Nach der Falcon 1 plante SpaceX zunächst eine 5-strahlige Rakete (ca. 2003). Dieser Falcon 5 wäre die Minimalkonfiguration mit Engine-Out-Fähigkeit basierend auf der Merlin-Engine.

Um 2005 änderten sich die Pläne. Aufgrund von Kundenanforderungen wollte SpaceX eine Version mit 9 Motoren. Sie erweiterten die 1+3+1-Konfiguration auf ein 3x3-Gitter, was eine maximale Gemeinsamkeit ergab.

Der Falcon 5 wurde schließlich eingestellt, aber bis dahin war das Design des Falcon 9 so weit fertig, dass sie für die ersten paar Starts weiterhin die 3x3-Rasteranordnung verwendeten.

Die Anordnung wurde später zum 8+1 „Octaweb“ geändert, das wir auf dem Falcon 9v1.1 sehen, das eine effizientere (leichtere) Struktur verwendet, um den Schub von den Triebwerken auf den Rumpf zu übertragen.

Viele Raketenhersteller verwenden unterschiedliche Motoren für verschiedene Stufen, die auf ihren Zweck zugeschnitten sind.

SpaceX hingegen versucht Kosten zu sparen, indem es möglichst viele standardisierte Teile verwendet. Anstatt also für jeden einzelnen Zweck neue Motoren von Grund auf neu zu entwickeln, entwickelten sie nur einen Raketenmotor für die unteren Stufen all ihrer Raketen: den Merlin . Ja, es gibt die Varianten 1A, 1B, 1C und 1D, aber das sind inkrementelle technische Verbesserungen für einen Motor, die alle den gleichen Zweck erfüllen. Die einzige Variante des Merlin, die ein Spinoff und keine inkrementelle Verbesserung ist, ist die Vakuumversion des C- und D-Motors, die der normalen Version in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich sind.

Aber was machen sie, wenn ihr Motor zu schwach ist und sie mehr Leistung benötigen, wie in der ersten Stufe einer Rakete mit mittlerem Auftrieb wie der Falcon 9? Sie verwenden nur mehr davon. 9-Triebwerke sind zufällig das ideale Schub-Gewichts-Verhältnis für die erste Stufe der Falcon 9-Rakete.

Wenn Sie die Anzahl der Raketentriebwerke erhöhen, treten gewisse Probleme auf. Der Staudruck steigt, die Vibrationen nehmen zu, - in beiden Fällen denke ich, dass dies der Tatsache geschuldet ist, dass alle Motoren irgendwann alle zu einer einzigen Kraftstoffleitung vom Kraftstofftank führen müssen, wo die Auswirkungen eines einzelnen Motors alle beginnen zusammengesetzt werden - ich nehme Stabilität im Allgemeinen an. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie nicht einfach mehr Motoren hinzufügen und mehr Leistung erwarten können, ohne ernsthafte negative Auswirkungen zu haben - es ist sehr wohl ein Kompromiss. Hoffentlich kann jemand mit mehr Fachwissen meine Antwort erläutern.