Warum neue Raketentriebwerke entwickeln, anstatt die bestehenden Typen zu verwenden?

Ars Technica hat zwei Artikel , die einen Einblick geben , warum es wünschenswert ist, neue Designs zu verwenden: Die NASA hat an einer aktualisierten Version des F-1 (dem Triebwerk der ersten Stufe für den Saturn V) gearbeitet.

Einige der wichtigsten Unterschiede:

Ein weiterer deutlicher Unterschied ist die Konstruktion der Abgasdüse selbst. Die Düse des F-1 bestand aus zwei Teilen: Der erste Teil war eigentlich eine äußerst komplexe Reihe von Rohren, die zusammengelötet und mit Reifen verbunden waren, wie Dauben in einem Fass. Kerosinbrennstoff wurde durch die Rohre zirkuliert, um Wärme zu absorbieren und den Auspuff zu kühlen. Die Rohre erstreckten sich bis zum markanten Abgaskrümmer der Turbopumpe und führten dann wieder nach oben. Unterhalb des Krümmers, der sich wie ein Paar Finger um den Motor wickelte, befand sich eine abnehmbare Düsenverlängerung, die die Verbrennung des Motors fokussierte und dem Motor half, zusätzlichen Schub zu liefern.

Fortschritte in der Herstellungstechnik werden es dem F-1B ermöglichen, auf die komplizierten oberen Düsenrohre zu verzichten; Wie derzeit geplant, wird die neue Rakete über eine viel einfachere Schubkammer und Düse aus Stahl verfügen – laut Andy Crocker von Dynetics wird die Düse aus einer inneren Auskleidung und einem äußeren Mantel bestehen, die miteinander verlötet sind, wobei die Kühlung durch den durchströmenden Treibstoff erfolgt einfache Schlitze im Innenfutter. Dies ist viel einfacher und kostengünstiger zu bauen als das arbeitsintensive "Barrel Hoop" -Rohrwanddesign des ursprünglichen F-1.

Das Steuerungssystem basiert auf Software und nicht auf einem analogen, hydraulischen Computer:

Ein weiterer wesentlicher Unterschied wäre die Einbeziehung moderner Elektronik in die Zünd- und Zündsequenz des Motors. Der F-1 verwendete ein fast Rube-Goldberg-System von Ventilen und Druckkontrollen,

Der F-1 hatte einige Fehler eingebaut, weil sie das Verhalten des Motors nicht vollständig analysieren konnten. Das Problem der Verbrennungsinstabilität wurde zum Beispiel durch Versuch und Irrtum „behoben“. Heutzutage können Sie Simulationen an einem CAD-Modell durchführen und eine optimale Lösung finden.
CAD ermöglicht es Ihnen auch, das Design für minimales Gewicht zu optimieren: Der F-1 wurde überarbeitet (dh schwerer als nötig).

Obwohl die Prinzipien hinter der F-1 bekannt sind, waren einige Aspekte ihrer Funktionsweise damals einfach nicht vollständig verstanden. Das Problem der Schubinstabilität ist ein perfektes Beispiel. Als der F-1 gebaut wurde, neigten frühe Exemplare dazu, auf dem Prüfstand zu explodieren. Wiederholte Tests ergaben, dass das Problem durch die brennende Wolke des Treibmittels verursacht wurde, das sich drehte, als es in der Düse verbrannte. Diese Rotationen würden an Geschwindigkeit zunehmen, bis sie tausende Male pro Sekunde stattfanden, was zu heftigen Oszillationen im Schub führte, die schließlich den Motor auseinander sprengten. ... Ingenieure verwendeten schließlich eine Reihe von Stummelbarrieren (Leitblechen), die aus der großen, mit Löchern durchsetzten Platte herausragten, die Kraftstoff und flüssigen Sauerstoff in die Brennkammer (die "Injektorplatte") sprühte. Diese Leitbleche dämpften die Schwingung auf ein akzeptables Niveau,
Die Baffle-Anordnung „war nur eine Trial-and-Error-Sache“, erklärte Senior Propulsion Engineer RH Coates. "Aber wir würden das gerne modellieren und sagen, nun, was wäre, wenn Sie eine dieser Schallwände herausnehmen würden?" Da die Leitbleche direkt an der Einspritzplatte montiert sind, nehmen sie einen Oberflächenbereich ein, der andernfalls von mehr Einspritzlöchern eingenommen würde, die mehr Kraftstoff und Oxidationsmittel sprühen; Daher rauben sie dem Motor die Kraft. „Wenn Sie also die Leistung dieses Dings steigern möchten, können wir das mit modernen Analysetechniken auswerten und sehen, was das mit Ihrer Verbrennungsstabilität macht.“

Moderne Fertigungstechniken würden die Anzahl der Teile drastisch reduzieren:

„Eine Sache, die mir auffällt, wenn ich auf ältere Motoren zurückblicke“, kommentierte Coates, der leitende Ingenieur, „war genau das, worauf Nick und Erin anspielten: die Komplexität der Schweißnähte. Sie hatten nicht die Art von fortschrittlicher Fertigung, die wir hatten heute, ganz ehrlich, das waren handgemachte Maschinen, die wurden mit Lichtbogenschweißern zusammengenäht, und es ist ziemlich erstaunlich zu sehen, wie glatt und elegant das dabei herauskam Schweißnähte."

...F-1B-Triebwerke (werden) mit Techniken gebaut, die eher dem 3D-Druck ähneln als herkömmlichem Gießen oder Fräsen. Vor allem die Hauptbrennkammer und die Düse werden enorm vereinfacht und konsolidiert; Die Anzahl der Teile für diese beiden Baugruppen zusammen wird von 5.600 hergestellten Elementen im ursprünglichen F-1 auf nur 40 reduziert.

Also haben sie die Anzahl der Teile um den Faktor ~ 100 reduziert. Das ist keine kleine Ersparnis. Zusammen mit der Anzahl der Teile sinkt der manuelle Arbeitsaufwand um einen Faktor von mehr als 100 (weniger Teile und Teile, die automatisch hergestellt werden können, anstatt manuelle Schritte zu erfordern).

Es gibt auch nicht-technische Gründe, sich für ein neues Design zu entscheiden. Viele Raketentriebwerke werden von kommerziellen Unternehmen entwickelt, die ihre Entwürfe nicht mit anderen teilen. In anderen Fällen wollen Nationen eine unabhängige Raumfahrtindustrie aufbauen, also akzeptieren sie, dass ihre Industrie das Rad bis zu einem gewissen Grad neu erfinden muss.

Schließlich spielen Größe und Komplexität eine Rolle. Sie benötigen Motoren, die für die Menge an Nutzlast geeignet sind, die Sie starten möchten. Sie könnten mit 3 SSME eine Rakete ähnlich der Falcon 9 bauen, aber dann würden Sie die Engine-Out-Fähigkeit der Falcon 9 verlieren.
Die SSME ist auch sehr teuer, zum Teil, weil sie für die Wiederverwendung konzipiert wurde. Ein Hersteller von Verbrauchsraketen würde etwas Einfacheres und Billigeres wollen.