Почему 31 двигатель для BFR?

Кто-нибудь знает, что за история?

Основной причиной большого количества двигателей на первой ступени BFR является желание использовать общую конструкцию двигателей (хотя и с различными оптимизированными соплами) как для ступени разгонного блока, так и для ступени межпланетного космического корабля. Создание и обслуживание только одного типа двигателя делает работу более эффективной, и эта стратегия хорошо сработала для Falcon 9/Heavy. В разгонном блоке используется 6 из них (в проекте от сентября 2017 г.), и это количество обусловлено требованиями к избыточности и дальности тяги. Если на верхней ступени используется 6, то на гораздо большей ступени ускорителя требуется гораздо больше.

большие двигатели несоизмеримо сложнее проектировать или обслуживать?

Большие двигатели, как правило, сложнее построить, хотя они могут быть более эффективными по массе. Проблемы нестабильности горения мешали разработке двигателя F-1, используемого на ракете Saturn V.

SpaceX, кажется, хороша в создании легких, мощных двигателей (говорят, что серия Merlin имеет самое высокое отношение тяги к весу среди всех жидкостных ракетных двигателей), поэтому им не нужны большие двигатели, чтобы быть эффективными.

Больше двигателей означает больше возможных отказов, но пока виды отказов относятся к одному двигателю, потеря одного из 31 двигателя является меньшей проблемой, чем потеря одного из 9. Двигатели SpaceX в целом кажутся надежными, так что это не похоже, тоже беспокоит.

Ответ Рассела Борогова доходит до сути проблемы. Они хотели, чтобы на BFS было как минимум 6 двигателей, а это означало, что у BFR должно было быть в несколько раз больше, и они выбрали число 31.

31 сопло, впрочем, не рекорд. У «Союза» 5 ядер. Центральный сердечник имеет 4 основных и 4 нониусных сопла, а боковые сердечники имеют по 4 основных и 2 нониусных сопла, что в сумме дает 20 основных сопла + 12 нониусных сопел = 32 сопла. Всего 32 сопла и камеры сгорания, но каждое ядро ​​имеет только один набор турбонасосов, поэтому они обычно считаются одним двигателем на ядро, всего 5.

У русских / Советов есть история создания двигателей, состоящих из одного турбонасоса, питающего 4 основные камеры сгорания (а иногда и несколько верньерных камер сгорания). Причина, по которой они это делают, состоит в том, чтобы избежать проблем нестабильности сгорания, которые возникают с очень большими камерами сгорания. Вероятно, это также экономит затраты на инструменты и затраты на разработку.

Самая большая из этих 4-х камер сгорания — РД170/РД171М . Были сделаны меньшие 2-камерные и 1-камерные производные. «Энергия Ураган» была предложенной ракетой, состоящей из центрального ядра, окруженного восемью ускорителями, каждый с одним двигателем РД170. Включая 4 сопла на центральном сердечнике, всего у него было бы 36 сопел. К сожалению, этот проект совпал с распадом Советского Союза, и из-за политических и экономических потрясений космическая программа была отложена.

Двигатель Saturn V F1 (тяга 6770 кН на уровне моря) имел самую большую камеру сгорания среди всех жидкостных ракетных двигателей и был абсолютно недросселируемым. Следующая по величине камера сгорания находится на RS-68 (однокамерная, тяга 3137 кН на уровне моря, используется на Delta IV). Это примерно в 4 и 2 раза больше, чем у Раптора (тяга 1700 кН на уровне моря) соответственно.

Поэтому попытка разработать дросселируемую камеру сгорания намного больше, чем у Raptor, была бы совершенно новой инженерной задачей, и в ней не заинтересован ни один Spacex — их интересует оптимизация тяговооруженности, удельного импульса и стоимости.

SpaceX могла бы пойти тем же путем, что и русские, и оснастить BFR восемью комплектами турбонасосов, обеспечивающих по 4 камеры сгорания каждая, всего 32. Это позволило бы им сократить номинальное «количество двигателей» и сохранить некоторую общность деталей. с БФС. Однако это не уменьшило бы количество необходимых трубопроводов по сравнению с выбранной ими конструкцией.

Вместо этого SpaceX решила иметь 31 полностью независимый двигатель для большей отказоустойчивости.

Люди часто указывают на отказ советской лунной ракеты Н-1 с 30 двигателями как на причину не использовать большое количество двигателей. Но это был поспешный проект (в конечном итоге он был отменен из-за того, что американцы первыми отправились на Луну), и хотя у него были некоторые проблемы с сантехникой, самой большой проблемой была попытка управлять всеми этими двигателями с помощью компьютера 1960-х годов, который был таким же тупым, как современная микроволновая печь. печь, и гораздо труднее программировать!

Маск считает, что с современными компьютерами большое количество независимых движков является преимуществом.

SpaceX разрабатывает метаново-кислородный двигатель под названием Raptor, который примерно в 2 раза мощнее двигателя Merlin. (Это первая итерация Raptor с тягой около 400 килофунтов. Первый Merlin (1A) был 75 килофунтов, текущая версия ближе к 200 килофунтам. Так что ожидайте роста производительности).

31 при тяге около 400 килофунтов дает около 12,4 млн фунтов тяги.

Каковы существующие альтернативы? Одними из самых больших двигателей, когда-либо построенных (по тяге), были F-1 (США) и РД-170 (Россия). Оба имеют тягу около 1,5-1,8 миллиона фунтов. (Фактическое значение со временем меняется. Например, была версия F-1 весом 1,8 млн фунтов, которая никогда не летала).

Вам все равно понадобится кластер из 7 или более таких движков для достижения той же производительности. Как только вы дойдете до этого момента, встанет вопрос, как все оптимизировать. Вероятно, есть много возможных решений, SpaceX сделала ставку на то, которое соответствует их потребностям.

SpaceX также необходимо сбалансировать посадку, где тяга (при максимальном снижении дроссельной заслонки) должна позволить приземлиться ракете-носителю/кораблю. Конечно, можно было бы использовать большие двигатели для запуска и меньшие для посадки, но теперь нужно разработать два двигателя. Больше затрат.

Как оказалось, SpaceX разрабатывает две версии, на уровне моря и в вакууме, и они предполагают, что верхняя ступень будет использовать в основном вакуумные модели, а 2 или 3 (итерации постоянно меняются) в качестве версий для посадки на уровне моря, поэтому они используют существующие потребности, для решения существующих проблем.

Разработка Ф-1 и РД-170 была очень сложной. Двигатели такого размера действительно очень тяжелые.

SpaceX после опыта разработки нескольких итераций Merlin, очевидно, потратила много времени на размышления о подходящем размере двигателя Raptor. Некоторыми из их соображений были простота разработки, способность приземляться, уровень моря и характеристики вакуума.

Это действительно просто. Прежде всего, требовалось большое количество двигателей, чтобы в случае сбоев все еще можно было выйти на орбиту. Во-вторых, размер двигателей Raptor примерно такой же, как у двигателя Merlin. Примерно одинаковые позволяют производить их на одних и тех же машинах.

При этом они хотят поставить как можно больше этих двигателей на одну ракету. 31 подойдет, и это то, что они планируют сделать.