Warum sind Stufen nicht durch die Motordüse verbunden? Warum werden Zwischenstufen verwendet?

Die Antwort fällt etwas differenzierter aus, als es Organic Marble darstellt. Es ist sinnvoll, einen Kraftausgleich vorzunehmen, um zu sehen, welche Teile des Motors welche Kraft aufnehmen können.

Schauen wir uns zuerst die Kammer an. Es hat einen statischen Druck$p_1$die überall durch die Wände ausgeglichen wird, außer an der Kehle, wo es eine große Lücke gibt. Dies führt zu einer Nettokraft von Größenordnung$p_1A_{throat}$. Ich habe einige Werte des Raptor-Raketentriebwerks eingefügt und festgestellt, dass dieser Beitrag etwa die Hälfte des Gesamtschubs ausmacht.

Die andere Hälfte entsteht dann durch die divergierende Düse/Glocke. Wiederum durch Kraftausgleich bedeutet dies, dass direkt nach der Kehle tatsächlich eine „Druckkraft“ vorhanden ist, die etwa der Hälfte des Gesamtschubs entspricht. Man könnte also meinen, man könne mindestens die Hälfte des Raketengewichts auf der Triebwerksglocke abstützen. Wir stellen jedoch fest, dass der Lastfall vom Abfeuern der Rakete und dem bloßen „Stehen“ auf der Glocke unterschiedlich ist. Beim Abfeuern der Rakete ist diese „Druckkraft“ auf eine verteilte Belastung des Düsendrucks zurückzuführen, während bei einer „stehenden“ Rakete die gesamte Kraft am Düsenrand konzentriert ist. Das bedeutet, dass im ersten Fall das Glockenende fast nur Umfangsspannung und keine Axialspannung erfährt, während im letzteren Fall die Glocke durchgehend axial belastet wird.

Aus diesen beiden Gründen (die Glocke trägt nur die Hälfte des Schubs und der Lastfall ist anders) müsste die Düse verstärkt werden, und schlimmer noch, nach dem Staging verlieren Sie diese zusätzliche strukturelle Masse nicht.

Ein letztes Problem besteht darin, dass die Zwischenstufe mehr Funktionen hat, als nur das Gewicht der beschleunigenden oberen Stufe zu tragen. Zusätzlich zur Festigkeit bietet es auch Steifigkeit gegen das "Biegen" der Rakete wie ein Zweig. Die Biegesteifigkeit wächst quadratisch mit dem Durchmesser (bei konstanter Wandstärke), daher ist es sinnvoll, diese Steifigkeit eher am äußeren Umfang als am Hals oder am Kardanmechanismus der Rakete zu erzeugen.

In Ihrer Frage liegt ein Missverständnis vor

„Die Triebwerksglocke(n) tragen bereits beim Zünden des Triebwerks die gesamte Druckspannung, die durch das Gewicht der darüber liegenden Stufen erzeugt wird …“

Nein, die Motorglocken nicht.

( Sutton, 7. Auflage, Kapitel 2.2 )

Die Glocken halten hauptsächlich den Differenzdruckkräften der sie durchströmenden Gase stand. Beachten Sie, dass diese Kräfte größtenteils in Querrichtung wirken, so dass diese "Umfangsfestigkeit" die primäre strukturelle Überlegung für Düsen ist. (Natürlich ist eine gewisse Längsfestigkeit erforderlich, damit die Düsen nicht herunterfallen und den kleinen Komponenten der auf sie einwirkenden Längsdruckkraft standhalten.)

An der Oberseite der Brennkammer wird der Großteil der Kraft auf das Fahrzeug übertragen, typischerweise über eine kardanische Befestigung.

( Bildquelle )

Daher wird die Zwischenstufe benötigt, um die strukturellen Lasten zu tragen, da die Triebwerksdüsen dies nicht können. Düsen, die stark genug sind, um die Längslasten zu handhaben, würden schwerwiegende Wärmeübertragungsprobleme haben und die Konstruktion des Schubvektorsteuersystems verkomplizieren.

Bei der Stufentrennung ist es wichtig, so viel Gewicht wie möglich von der oberen Stufe zu entfernen. Das Zwischenstufengewicht zählt nach der Trennung nicht, aber jede Verbesserung der Triebwerksdüse der oberen Stufe zählt.

Das Gewicht zwischen den Stufen ist klein im Vergleich zum Gewicht der oberen Stufen, aber es ist winzig im Vergleich zum Gewicht der unteren Stufen.

Natürlich trägt das untere Ende der Düse nur einen sehr geringen Teil des Stufengewichts, wie die anderen Antworten geschrieben haben. Daher würde der Düse viel zusätzliches Gewicht hinzugefügt. Das der Düse hinzugefügte Gewicht wäre unmittelbar nach der Trennung Eigengewicht.