Как 9-двигательная ракета Falcon может быть дешевле, чем ракеты с одним двигателем?

Насколько я понимаю, двигатель обычно является самой дорогой частью каждой ракеты, за исключением полезной нагрузки.

Я изо всех сил пытаюсь понять, как SpaceX может иметь одну из самых дешевых ракет-носителей на рынке, когда она летает с конфигурацией из 9 двигателей, в то время как многие другие ракеты-носители имеют меньше двигателей.

Разве стоимость производства девяти отдельных двигателей Merlin «теоретически» не в девять раз дороже, чем производство одного большого двигателя?

Рассмотрим 9 двигателей Honda Civic против 1 двигателя Ferrari.
Если изготовление девяти малых двигателей обходится в девять раз дороже, чем изготовление одного большого двигателя, это должно означать, что изготовление маленького двигателя стоит столько же, сколько изготовление большого. С какой стати это так?
Возможность повторного использования деталей? Как это было недавно продемонстрировано с посадочной частью ракеты.
Ниже приведены хорошие ответы, но стоит отметить, что этим занимается не только SpaceX. У «Союза» 5 двигателей, но у каждого двигателя по 4 камеры сгорания и 4 сопла, поэтому в нижней части ракеты вы видите 20 сопел.
@DavidRicherby Я думаю, вопрос в том, является ли стоимость двигателя как функция его мощности / размера / тяги сублинейной или суперлинейной (большие двигатели дороже, но они более или менее в девять раз дороже). Вероятно, это сложнее, чем простой степенной закон.
Я ожидаю, что простое размерное масштабирование окажет сублинейное влияние на стоимость, но увеличение тяги или отношения тяги к весу часто достигается за счет увеличения сложности, которая, как я ожидаю, будет сверхлинейной.
Кроме того, оптимизация процесса — экономия на масштабе. Если вы производите, скажем, 6 двигателей в год, трудно оправдать запуск производственной линии. Если вы производите 200 штук в год, производственная линия просто необходима, и хотя начальная стоимость растет, себестоимость единицы продукции быстро падает.

Ответы (7)

Нет, наоборот. Чем мощнее двигатели, тем они дороже. Только взгляните на огромное количество полномасштабных испытаний, которые им потребовались, чтобы обеспечить бесперебойную работу двигателей F-1 главной ступени Saturn V. А теперь представьте, вы тратите все эти деньги на разработку огромного двигателя и хотите его производить. Для этого вам понадобится первоклассный машинный парк. Создание такого двигателя включает в себя множество шагов, таких как получение огромного куска космического сплава и его фрезерование почти всего, закрытие канала охлаждения с помощью медленного гальванического процесса, возможно, кое-где электронно-лучевая сварка.

Проще говоря, чтобы сделать огромный двигатель, вам нужно огромное количество сырья, огромные машины и огромный постоянный персонал, чтобы управлять всем этим.

Теперь, с другой стороны, если вы хотите сделать несколько небольших двигателей, конструкция становится менее рискованной, и вам не нужны такие огромные машины. Более того, поскольку теперь вам нужно намного больше двигателей, у вас есть что-то вроде производственной линии, и все машины работают одновременно, а не каждый двигатель проходит через процесс, как на мануфактуре.

Почти на каждом этапе пути вы экономите деньги, но несколько двигателей меньшего размера, как правило, тяжелее. Еще большим недостатком является то, что если вам нужно, чтобы каждый двигатель работал, чтобы ваша ракета достигла орбиты, у вас больше шансов на отказ.

В SpaceX запланировано некоторое резервирование, но это связано с дополнительными затратами с точки зрения полезной нагрузки.

В конце концов, все сводится к стоимости килограмма до целевой орбиты для клиента, и количество факторов, которые здесь влияют, слишком велико для ответа SE. SpaceX сделала ставку на кластеризацию, Европа продолжит использовать большие двигатели. Только время покажет, кто сделал лучший звонок.

Также обратите внимание, что у Saturn V было пять таких двигателей, что ближе к девяти, чем к одному :-)
@Rikki-Tikki-Tavi Похоже, Маск продемонстрировал CEP для пристани размером порядка 1 метра. :) То есть не хуже крылатой ракеты. Выглядит опасным парнем, которого сейчас можно разозлить. Он может передать вам 180 000 фунтов тяги и 100 000 фунтов первой ступени, если он действительно этого хочет. :) Доктор Зло действительно.
@jamesqf В основном верное замечание, с небольшой проблемой, что 9-5=4=5-1.
@ToddWilcox с точки зрения математики вы правы, но с точки зрения философии и сборочных линий jamesqf был прав.
Кроме того, если один двигатель выходит из строя или требует замены по другой причине в группе из 9 двигателей (перед запуском), его замена дешевле, чем если бы у вас отказал один двигатель эквивалентной мощности.
@Todd Wilcox: Да, я должен был сказать «больше похоже», а не «ближе к». Я имел в виду, что это похоже в смысле использования нескольких двигателей, а не одного большого двигателя.
@ToddWilcox равен вычитанию, но часто это не лучший способ. Оценка Ферми через xkcd
@ChrisH Хороший вопрос. 10 намного ближе к 10, чем к 0. :-) Моя маленькая математическая галиматья примерно на 60% была сделана в шутку. Ферми подсчитал, что это стопроцентная шутка.
@ToddWilcox: Вы уверены, что логарифмическая шкала здесь не подходит?

Традиционно двигатели стоят дорого, потому что для их изготовления требуется много ручного труда. Поскольку они производятся в небольшом количестве, нет смысла вкладывать средства в автоматизированный завод, который может производить их дешевле. Они также оптимизированы для максимальной производительности, требуя сложной конструкции и дорогих материалов.

SpaceX хочет изменить это уравнение. Создавая 10 двигателей на ракету, становится экономически выгодным создание производственной линии. Они также разработали двигатели, которые будут дешевыми в производстве, даже если это немного снижает производительность.

В дополнение к другим ответам, я думаю, также стоит отметить несколько дополнительных моментов:

  • Посадка . Требуется только один из этих двигателей, дросселированный до минимальной тяги, чтобы посадить ступень для повторного использования (ключевая конструктивная особенность). Любое большее количество тяги, чем это, сделало бы посадку еще более сложной. Таким образом, если бы вместо 9 кречетов использовался один большой двигатель, то у него было бы дополнительное конструктивное требование, заключающееся в возможности дросселировать все до эквивалентного уровня кречета при минимальной тяге, что, по-видимому, увеличило бы стоимость. Или иметь специальный небольшой двигатель для посадки, что увеличило бы вес и стоимость.

  • Этап 2 . На 2-й ступени этой ракеты-носителя используется один кречет . Если бы для 1-й ступени использовался один большой двигатель, то было бы 2 конструкции двигателя вместо одной.

  • Избыточность . Из википедии :

Как и в серии «Сатурн» из программы «Аполлон», наличие нескольких двигателей первой ступени может позволить завершить миссию, даже если один из двигателей первой ступени выйдет из строя в полете.

Один большой двигатель не мог удовлетворить это требование безопасности/надежности за счет резервирования. Таким образом, он должен был бы иметь дополнительную требуемую надежность как неотъемлемую часть своей конструкции, что также увеличило бы стоимость.

Аспект регулирования является ключевым моментом для повторного использования. Большой двигатель должен был бы слишком сильно дросселировать, чтобы быть практичным. Я очень удивлен, что вы единственный, кто высказал это мнение. Мне непонятно, понимала ли это SpaceX поначалу — больше похоже на эволюцию Falcon 1, но как бы то ни было, это было здорово.
Во время очень важной первой миссии Falcon на МКС один из девяти двигателей вышел из строя , что непреднамеренно «продемонстрировало конструкцию Falcon 9 с выключенным двигателем».

Это зависит от очень многих вещей. SpaceX выбрала множество экземпляров меньшего двигателя, который, как правило, проще построить, чем один большой, а сложность связана со стоимостью.

Они выбрали топливо и топливный цикл, который проще большинства. Выбрали надежный и простой инжектор. С жидким водородом очень сложно работать, и он очень дорог. Так что РС-68/68А по сравнению с ним будет намного дороже. SSME находится в своем собственном классе по затратам.

Таким образом, реальным сравнением будет что-то вроде пары РД-193 или одного РД-180, совокупная тяга которых составляет порядка 800 000 фунтов тяги. Каждый Merlin приближается к 180 000 фунтов тяги, начав с 75 000 фунтов тяги.

Кроме того, SpaceX заявила, что они привлекли инженеров-технологов из Tesla, чтобы сосредоточиться на вопросах, связанных с созданием большого количества двигателей, прислушиваясь к советам автомобильной промышленности по снижению затрат.

Если вы производите в общей сложности 10 двигателей в год, то все расходы на персонал предприятия распределяются на стоимость этих 10 двигателей. Если вы заработаете 400 (заявленная цель SpaceX), она будет распределена еще больше.

Я думаю, что говорить о том, что жидкий водород дорог, значит упрощать до такой степени, что это уже неверно. Дорогая обработка, инфраструктура, клапаны и т. д., а не сам материал.
@Rikki-Tikki-Tavi Поскольку мы говорим о двигателе, я согласен, что упрощаю, но подразумеваю всю систему. Стоимость топлива сама по себе в основном несущественна. Стоимость использования топлива - это то, что я пытался решить. И я даже не имел в виду предметы, на которые вы ссылаетесь. Сами двигатели LH построить намного сложнее, чем двигатели RP1 или CH4.
почему ты так думаешь?
@Rikki-Tikki-Tavi Сам двигатель должен работать от холода до жары более экстремально, чем RP1. LH очень легко протекает, поэтому трубопровод двигателя более сложный. Материалы дороже, так как они становятся хрупкими. Так что да, поддержка земли сложнее, но и сам двигатель тоже.
Все верно, но у RP1 есть свои проблемы. LOX-RP1 гораздо более подвержен нестабильности, чем LOX-LH2, и RP1 может закоксовываться в каналах охлаждения.
Правда конечно. Но с точки зрения масштаба/стоимости LH и RP1 — огромная разница в стоимости. У RP1 больше проблем в большем масштабе, чем в меньшем. О боже, кажется, это действительно ракетостроение! :)

Стоимость SpaceX, в дополнение ко всем другим отмеченным пунктам, дешевле, потому что они строят все дома и на протяжении многих лет прилагают преднамеренные усилия для снижения своей стоимости. Большинство других игроков не так много работают над снижением своих затрат, и не так усердно, как SpaceX. SpaceX использует множество компонентов, не предназначенных для использования в космосе, которые, как было установлено экспериментально, работают. Все это снижает затраты

  • нарисуйте график зависимости стоимости фунта тяги от объема двигателя, и вы обязательно найдете минимум
  • экономия на масштабе - массовое производство одинаковых деталей
  • избыточность
Это было бы лучше, если бы не было так кратко и бессвязно....

Дело в том, что они уже проектировали ракетный двигатель для однодвигательных запусков. Собрать 9 вместе — это своего рода гибкая работа, проделанная компанией, которая разрушает дремлющих гигантов.

Как 9-двигательная ракета Falcon может быть дешевле, чем ракеты с одним двигателем?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v