Warum war die Wiederverwendbarkeit der SSMEs so schlecht, und warum wurde dies angesichts ihres Zwecks, ein wiederverwendbares Fahrzeug auf den Markt zu bringen, als akzeptabel angesehen?

Keine Space-Shuttle-Frage ist einfach, da es ein langes Programm mit vielen verschiedenen Antrieben war, die über die technische Perfektion hinausgingen*, daher lautet die kurze Antwort: „Ja, mit Geld, Zeit und perfektem Management/Richtung hätte ein refliegbarer Motor gebaut werden können“. Die längere Antwort ist komplexer.

Die Nutzlast des Space Shuttles betrug etwa 22 Tonnen, jeder Motor wog 3,5, wenn Sie Änderungen vornehmen, damit der Motor 2-3 mal das doppelte Gewicht fliegen kann, fügen Sie 16,5 Tonnen hinzu, was eine Nutzlast von 5,5 Tonnen ergibt und dafür viermal so oft fliegen muss Kapazität, so dass die Servicezahlen pro Jahr ähnlich oder höher sind und Sie für viel mehr Starts bezahlen (und die Besatzung einem höheren Risiko aussetzen).

Offensichtlich würde die reale Welt, zwei Starts aus einem Triebwerk zu bekommen, das Gewicht nicht verdoppeln, da viele Teile strukturell sind und sich nicht nur durch das Halten von Lasten „abnutzen“, sondern die allgemeine Mathematik „wir müssen x Tonnen pro Jahr in die Umlaufbahn bringen, wie machen wir das am effektivsten?“ gilt, wenn jeder Start-/Flug-/Bergungszyklus mit festen Kosten für Personal und Ausrüstung verbunden ist.

Eine sehr relevante Frage ist , die darauf hindeutet, dass unter anderem die Dichtungen an den Pumpen ein Schlüsselelement für den Service waren, was sinnvoll ist, da sie in einer chemisch aggressiven Umgebung arbeiten und mechanischem Verschleiß unterliegen. Sie hängen auch direkt mit der Leistung zusammen, sodass sie größer/dicker/härter zu werden, sich direkt auf den Pumpendurchsatz und damit auf den Schub auswirkt und nicht nur auf das Gewicht.

Da auf die Pumpeninnenteile sowieso zugegriffen werden musste, bringt es wenig Gewinn, andere Teile des Motors langlebiger zu machen, und wenn Sie während der Wartung feststellen, dass ein Teil mehrere Flüge überstehen kann, stellt sich die Frage: „Hey, vielleicht machen wir das leichter und weniger robust kann ein weiteres kg in die Umlaufbahn bringen. Bei > 10.000 $ pro kg für die Umlaufbahn ist die naive Mathematik, dass leichtere (möglicherweise weniger exotische / billigere) Teile ein gutes Geschäft sind.

In unserer aktuellen Zeitleiste wirkten sich die Triebwerke auf eine Reihe von Flügen aus , und der Verlust von Challenger und Kolumbien stellte das Risikomanagement unter die Lupe. Eine Entscheidung, mehr Geld auszugeben, um etwas zu ändern, das bereits so funktionierte, dass Sicherheitsüberprüfungen und Nutzlast reduziert wurden, wäre ein harter politischer Verkauf gewesen, selbst wenn die reine Mathematik es absolut vernünftig gemacht hätte.

In einer anderen Zeitachse, in der die ursprünglichen Programmziele, einen ganzen Orbiter für den Reflight umdrehen zu können, erfolgreich waren, ist es durchaus sinnvoll, einen Prozentsatz der Nutzlast für längere Triebwerkswartungsintervalle einzutauschen, und deshalb haben beispielsweise Verkehrsflugzeuge keine Nachbrenner oder ähnliches . Sobald „etwas“ bei jedem Flug Eingriffe erfordert, wird es weniger nützlich, alle zugehörigen Systeme neu fliegen zu können, und der Handel mit Bodendiensten gegen Nutzlast wird zu einer gültigen (inhärent teuren) Wahl .

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* Wenn man sich 2019 umsieht, scheint die Antwort auf die Frage, wie man bessere Shuttle-Motoren herstellt, darin zu bestehen, sie nicht den ganzen Weg in den Orbit zu schicken und die Besatzung zu löschen .

Der SSME ist ein außergewöhnlich komplexer Motor, der aus einem kompakten Paket eine sehr große Schubkraft erzeugt. Es arbeitet viel näher an den Rändern dessen, was möglich ist, als jeder Ihrer Vergleichspunkte. Dies war größtenteils das Ergebnis einer sehr ehrgeizigen Spezifikation; Um das erforderliche Schub-Gewichts-Verhältnis und den hohen spezifischen Impuls zu erreichen, musste es sehr nahe an seinen mechanischen Grenzen laufen, während weniger ambitionierte Motoren unter geringerer Belastung laufen können. Stellen Sie sich zwei identische Automotoren vor, einer läuft mit 3000 U/min, der andere mit 6000 U/min. Einer wird das Rennen definitiv gewinnen, aber Sie werden danach den Motor inspizieren wollen.

Laut Wikipedia:

Da die NASA daran interessiert war, den Stand der Technik in jeder Hinsicht voranzutreiben, entschieden sie sich, ein viel fortschrittlicheres Design [für die SSME] auszuwählen, um "eine Weiterentwicklung der Raketentriebwerkstechnologie zu erzwingen".

Rückblickend ist die NASA mit dieser Strategie vielleicht zu weit gegangen; Die SSME-Entwicklung war herausfordernd und teuer, und wie Sie bemerken, erforderte die Engine mehr Wartung, als für einen wiederverwendbaren Launcher ideal wäre. Leider wurden Größe, Masse und Schub der Motoren in der Spezifikation festgelegt, bevor bekannt war, wie schwierig es sein würde, sie zu bauen und zu betreiben. Ein weniger "Bleeding-Edge"-Motordesign hätte die Nutzlast des Space Shuttles stark beeinträchtigt.

In einem alternativen Universum bekam die NASA irgendwie ein Budget, um das Space Shuttle zu entwickeln, ohne den Anforderungen der Air Force nachgeben zu müssen; Dieser hat eine kleinere Nutzlastbucht und Stummelflügel wie der X-37 , und vielleicht hätte er einen einfacheren Motor verwendet, der zwischen den Flügen nicht so viel Wartung benötigt hätte.

Das ist selbst im Vergleich zu den primitivsten Turbojets entsetzlich

Die leistungsstärksten modernen High-Bypass-Turbofans der GE90-Familie erzeugen rund 500 kN Schub aus einem 8,7-Tonnen-Triebwerk; SSME erzeugt 1890 kN auf Meereshöhe aus einem 3,5-Tonnen-Motor. Die Rotoren des GE90s laufen mit 2355 U/min und 9332 U/min; die SSME hat vier Turbopumpen; die langsamste dreht sich bei 5150 U/min und die schnellste bei über 35000 U/min – fast 600 Umdrehungen pro Sekunde.

der Motor des Breeze-M brennt 50 Minuten lang

SSME erzeugt den 100-fachen Schub des Briz-M-Triebwerks . Es hat viel mehr Erwärmung zu bewältigen. Im Laufe seiner 8,5-minütigen Verbrennung bewegt es etwa 10-mal so viel Masse durch seine Pumpen wie Bris bei einer 50-minütigen Verbrennung. Der Motor von Briz-M hat ein Schub-Gewichts-Verhältnis von etwa 27:1; SSME etwa 73:1.

(obwohl aufgrund seiner druckgespeisten, strahlungsgekühlten Natur nicht wirklich vergleichbar) wurde das Shuttle-eigene OMS für 1.000 Neustarts und 15 Stunden Laufzeit ausgelegt.

OMS verwendet eine bemerkenswert einfache Engine . Keine regenerative Kühlung, keine Pumpen, wie Sie bemerken; Solange die Kammer intakt bleibt, sind die einzigen Probleme die Ventile, die unter relativ niedrigem Druck arbeiten. Ich weiß nicht, wie viel Arbeit an diesen zwischen den Flügen geleistet wurde; Es wäre wahrscheinlich möglich, die Ventile jedes Mal zu einem winzigen Bruchteil der Kosten der SSME-Inspektionen / -Überholungen gegen brandneue auszutauschen.

der wiederverwendbare XLR99 hatte eine MTBO von >1 Stunde

Wieder ein ziemlich bescheidener Motor, der nicht annähernd die Leistung des SSME erreichen musste.

War dieser Ausbau und die Überholung wirklich immer notwendig?

Das weiß ich eigentlich nicht.