Welche Parameter bestimmen den Entwicklungsaufwand und die Kosten eines Flüssigkeitsraketentriebwerks für Orbitalwerfer (LEO - GEO)?

Ihre Frage fragt speziell nach "zuverlässigen" Triebwerken, erwähnt jedoch keine anderen Kriterien (z. B. ob sie für interplanetare Missionen verwendet werden). Ich werde mich bei dieser Antwort auf die Zuverlässigkeit konzentrieren, da die Kosten zu kompliziert und missionsabhängig sind. In diesem Fall sollten wir vor allem nach Einfachheit suchen. Einfacher kann zuverlässiger bedeuten, und in diesem Fall ist ein Kaltgasstrahlruder wahrscheinlich genau das Richtige für Sie. Es ist nur ein Tank, ein Ventil und eine Düse.

Das Triebwerk, das wahrscheinlich in die Rechnung für ein "minimal zuverlässiges Triebwerk" passt, das eine Chance auf einen interplanetaren Flug hat, wäre das Apollo LM-Aufstiegsstufentriebwerk. Einfach ausgedrückt, dieser Motor musste auf jeden Fall funktionieren - wenn der Motor der Abstiegsphase während des Abstiegs ausfiel, musste er in der Lage sein, die Landung abzubrechen, und es war der einzige Motor, den sie vom Mond abheben mussten.

Das Design wurde vereinfacht , um die Zuverlässigkeit zu erhöhen :

• Druckgespeist (warum sich mit Kraftstoffpumpen beschäftigen?)
• Hatte kein Gas (warum sich mit Gas beschäftigen?)
• Nicht kardanisch (warum sich mit der zusätzlichen Komplexität herumschlagen?)

Zu diesem Zeitpunkt war es nicht viel mehr als eine Brennkammer und eine Düse (na ja ...)

Lassen Sie uns dies also auf das herunterbrechen, was normalerweise mit "zuverlässig" gemeint ist: ein Raketentriebwerk, das zu Langzeit-Raumflügen fähig ist. Wo dieser Raumflug stattfindet, ist nicht relevant - LEO, Mondumlaufbahn, interplanetar usw. Lassen Sie uns weiter fordern, dass die Mission katastrophal beeinträchtigt wird, wenn unser Motor ausfällt. Was ich hier meine, ist im Grunde menschliche Langstrecken-Raumfahrt, bei der der Verlust des Triebwerks den Verlust der Besatzung bedeutet und wo das Triebwerk lange Zeit ausgeschaltet werden muss und wo das Triebwerk erneut zünden muss, um nach Hause zu kommen. Ich gehe weiterhin davon aus, dass wir nur Technologien betrachten, die im Weltraum erprobt wurden. Dies beschränkt uns mehr oder weniger auf chemische Motoren, da andere Arten von Motoren in der bemannten Raumfahrt nicht erprobt wurden.

Magischerweise hat die NASA genau diese Studie durchgeführt (lesen Sie hier mehr ). Wenn wir die Definition von "Raketentriebwerk" auf "mehrere unabhängige Triebwerke in einer einzigen Stufe" erweitern, was die Zuverlässigkeit auf Kosten der Komplexität erhöhen kann, sind die großen NASAs unten, aber es gibt noch mehr in diesem Dokument:

• Anzahl der Motoren auf der Bühne - theoretisch ist mehr besser, bis zu einem Punkt, an dem die Komplexität und die Ausfallraten einzelner Motoren überhand nehmen. Wie wir zumindest bei Apollo 13 gesehen haben, war der Ausfall eines Triebwerks in einer Stufe mit 5 Triebwerken kein Problem

• Betriebsdauer - Theoretisch sind Motoren, die kürzer laufen, zuverlässiger, da sie weniger Zeit zum Ausfall haben. Wenn die Delta-V-Anforderungen für die Mission jedoch hoch sind, kann es zuverlässiger sein, einen kleineren Motor länger zu fliegen.

• Motorschub - In der Studie, auf die ich verweise, müssen sie die Studie noch durchführen, erwarten jedoch, dass Motoren mit niedrigerem Schub zuverlässiger sind. Tatsächlich besagt die Studie, dass 90 % der Ausfälle allein mit dem Schubniveau (!)

• Neustart des Motors - ein Motor ist weniger zuverlässig, je öfter er starten und stoppen muss

Hier ist das vollständige Diagramm, was die Motorzuverlässigkeit beeinflusst. Ich fürchte, dass es komplexer ist, als eine SE-Antwort geben kann, also lesen Sie das Dokument!