Почему с точки зрения затрат не имеет смысла иметь так много двигателей на Starship?

Starship призван имитировать (в некоторой степени) доступность пассажирских самолетов. Это относится как к путешествиям с Земли на Землю, так и к космическим путешествиям.

Реактивные лайнеры начинались с 4 двигателей, но с тех пор перешли на использование 2, независимо от размера. Там, где количество двигателей могло быть увеличено для более раннего поколения широкофюзеляжных самолетов, теперь, как и в случае с 777X, компании просто производят двигатели большего размера для каждой новой конструкции. Эта двухреактивная конфигурация выбрана для экономии средств, поскольку каждый двигатель требует отдельного обслуживания, оформления документов и сертификатов.

Почему то же самое не относится к Starship?

Я подозреваю, что вы сами ответили на свой вопрос здесь - доступные технологии приближают нас к «шесть, превращаясь в четыре горящих» B-36 en.wikipedia.org/wiki/Convair_B-36_Peacemaker , чем 777X
Простой ответ заключается в том, что полет на ракете имеет очень мало общего с полетом по воздуху. Во-первых, амортизированная стоимость ракеты за полет по сравнению с затратами на топливо совсем не сопоставима с амортизированной стоимостью 777 по сравнению с топливом (и гораздо менее аналогична, если смотреть на F9). Но и профили полета и введенные напряжения также совершенно другие.
Точно так же гоночный автомобиль F1 имеет совершенно другой двигатель и форму и имеет мало общего с высокоэффективной 4-цилиндровой Honda.
Авиакомпании на самом деле не производят значительно большие двигатели для каждого нового поколения, они обычно строят самолеты меньшего размера. Например, 777X, на который вы ссылаетесь, значительно меньше, чем 4-двигательный 747, а более крупный, чем 747 Airbus A380, использует 4 двигателя.
Возможно ли с технологической точки зрения просто увеличить мощность двигателей Raptor? Saturn V имел тягу 35 МН при использовании 5 двигателей. Super Heavy Booster имеет 70 МН с использованием 29 многоразовых двигателей.
@Michael масштабирует все без других модификаций - точно не сработает (нестабильность горения и т. Д.). Но почти наверняка благодаря CFD, 3D-печатным деталям и т. д. SpaceX действительно сможет разработать более крупную версию с гораздо меньшими затратами на НИОКР, чем первоначальная версия. И очень возможно, что в конце концов они это сделают, хотя сейчас приоритет явно заключается в том, чтобы доставить эту штуку на орбиту и обратно с имеющимися у них двигателями.
Масштабирование ракетных двигателей не очень хорошо работает. Чем больше двигатель, тем больше у вас проблем с нестабильностью. Нестабильный ожог имеет тенденцию быть чрезвычайно драматичным.
Не много знаю о самолетах, но вполне возможно, что они перешли от 4 к 2 двигателям, потому что двигатели со временем стали более безопасными, а отказ двигателя гораздо менее вероятен.
До недавнего времени у космических ракет была привычка выбрасывать двигатели после каждого использования. С этой точки зрения иметь еще несколько движков, но использовать их повторно, вероятно, кажется отличной идеей.

Ответы (6)

Строго говоря, экономия на масштабе. SpaceX уделяет большое внимание оптимизации и автоматизации производства этих двигателей. Высокие первоначальные затраты, но низкие удельные затраты на двигатель после усовершенствования процесса.

Чем больше двигатели, тем выше будут первоначальные затраты, поскольку возникают проблемы со стабильностью сгорания, охлаждением, долговечностью материалов и т. Д .; это хорошо известная проблема массивных двигателей, которая также похоронила советский план пилотируемой посадки на Луну.

Кроме того, существует проблема производственных ошибок — например, дефектные 3D-принтеры, проблемы, которые становятся очевидными при тестировании после завершения печати. Допустим, у 3D-принтера есть шанс 1 из 10, что он даст сбой один раз в определенный день, вызвав ошибку, которая разрушит печатаемый в настоящее время двигатель. Если двигатель меньше, и для завершения печати требуется 1 день, один из 10 двигателей будет неисправным, 10% рабочего времени принтера будет потрачено впустую, 10% продукции потеряно. Теперь увеличьте размер движка, чтобы печать заняла 2 дня. Такой же шанс, что какой-нибудь сбой разрушит его, но теперь два дня потрачены впустую, один движок из пяти бракованный, и с каждым браком тратится в два раза больше материалов. Это автоматически означает увеличение удельной стоимости двигателей, поскольку потери из-за неисправного двигателя распределяются между четырьмя исправными двигателями вместо девяти.

Тогда есть вопрос избыточности. Если у вас, скажем, 15 двигателей, сгоревшие 2 или 3 не означают потери миссии. Если у вас есть два и вы потеряете один, вы не полетите сегодня в космос.

Авиационная промышленность сейчас намного более зрелая — вначале они использовали много двигателей меньшего размера, потому что такое масштабирование было просто технологически нецелесообразным, а также по причинам, аналогичным сегодняшним SpaceX: экономия масштаба, надежность, избыточность. Благодаря постоянному, стабильному потоку доходов от существующего производства двигателей меньшего размера, инновациям, улучшениям в области безопасности и надежности, а также активной конкуренции они смогли постепенно разрабатывать более крупные и мощные двигатели, не прибегая к проблемам «детской смертности» нового производства, где прежде чем он станет прибыльным, необходимо решить множество проблем и затрат.

Вероятность того, что сбой разрушит двигатель, выше для большого двигателя, 20 % вместо 10 % для меньшего.
@Uwe Вообще говоря, если вы увеличиваете свои зазоры линейно с размером, вы не используете масштаб в своих интересах. Если бы вы увеличили зазор подшипника скольжения с масляной смазкой, вам пришлось бы закачивать в него гораздо больше масла и делать это при более высоком давлении, чтобы детали не соприкасались. Масляной пленке все равно, насколько велики детали, пока вокруг есть тонкая масляная пленка. Таким образом, было бы гораздо разумнее увеличить количество масляных каналов, питающих подшипник, и оставить размер зазора таким же, если это возможно. Однако изменения размера из-за температуры могут привести к увеличению зазоров.
Я думаю, что с более надежными приводами большие были бы не только более экономичными, но и более эффективными. Привод, способный создать двойную тягу, скорее всего, будет весить вдвое меньше, а его производство будет стоить меньше вдвое.
@peterh "Лучшее - враг хорошего". Сначала SpaceX нужно получить работающий и приносящий доход Starship, затем они могут работать над оптимизацией.
Я думаю, что здесь справедливы два аргумента: экономия на масштабе (производство тысяч двигателей мощностью 2 МН каждый дешевле «на Н», чем производство сотен двигателей мощностью 20 МН каждый); а избыточность - большой бонус, о чем свидетельствуют (частично) успешные миссии, несмотря на отказы одного двигателя. Тем не менее, часть «большее влияние производственного сбоя с более крупными двигателями» кажется фальшивым: 10% - это 10%.
@Peter-ReinstateMonica - «Производство тысяч двигателей по 2 МН каждый дешевле «на N», чем производство сотен по 20 МН каждый». У вас есть источник для этого? Как упоминалось ранее, ракетные двигатели не обязательно масштабируются простым способом.
@WhatRoughBeast Железный закон промышленного производства гласит, что стоимость единицы продукции падает с количеством единиц. Мы видим это с солнечными батареями и ветряными турбинами. Увеличение количества необходимо для снижения себестоимости продукции. Это естественно и неудивительно. (Представьте, что вы производите только один двигатель с тягой в GN, одноразовый прототип, по сути, собранный вручную: это был бы худший случай.) Было бы лучше всего произвести миллион двигателей в 1 кН, но это слишком. много двигателей. Использование столько, сколько помещается под ракету, вероятно, является оптимальным. Вам понадобится причина для отклонения от этого основного правила.
@WhatRoughBeast Наращивание числа и снижение стоимости — это именно та точка, в которой сейчас находится SpaceX, см. эту часть функции, которую Everyday Astronaut сделал на заводе SpaceX: «Как мы делаем Raptor, когда стоимость за тонну тяги составляет меньше тысячи долларов». Ответ заключается в том, чтобы приложить много усилий к производственному процессу (который «в 10-100 раз сложнее, чем конструкция двигателя»), который имеет лучшую окупаемость при большом количестве единиц.
@ReinstateMonica - это не отвечает на мой вопрос. Иногда небольшое количество больших единиц более экономично, чем большое количество маленьких. Тягачи-трейлеры против минивэнов — хороший пример, по крайней мере, для дальних перевозок. Морские перевозчики сырой нефти - еще один. А также грузовые контейнеровозы. Дальнемагистральный пассажирский/грузовой самолет. Оборудование для открытых горных работ. Авианосцы.
@Peter-ReinstateMonica То же самое можно сказать и о процессорах. Та же скорость заполнения на см^2 пластины, но сделайте ЦП достаточно большим, и вы практически гарантируете, что где-то будет неисправность, и ваш выход упадет примерно до 20% (производители спасают его, отключая неисправные ядра и продавая 8-ядерный ЦП как 6-ядерный, 4-ядерный, 2-ядерный...). Сделайте его крошечным и пришитым, и большая часть продукции будет в порядке, неисправные блоки хорошо изолированы.
В наши дни все злоупотребляют ссылками XKCD, но ваша была тонкой и уместной.
@WhatRoughBeast «Иногда небольшое количество более крупных единиц более экономично, чем большое количество маленьких». - Посмотрите внимательно, когда это "иногда" бывает, как это верно для всех ваших примеров: зрелая отрасль, где "большое количество мелких" - это период в прошлом, когда отрасль быстро развивалась и росла, а нынешняя рост привел его туда ... и особенно то, что в ваших примерах это не «небольшое количество более крупных единиц», это БОЛЬШОЕ количество более крупных единиц - при поддержке множества мелких становится несостоятельным.
Кроме того, "тысячи 2МН против сотен 20МН" - "ракетные двигатели не обязательно масштабируются простым способом". инжекторные системы, возможно, многокамерная конструкция, новые проблемы, связанные с тепловым расширением, и всевозможные проблемы, отсутствующие в двигателях меньшего размера. По мере увеличения размера до определенного момента $ /N постепенно падает, но затем резко возрастает. Раптор находится в центре внимания.

Потому что при современных технологиях наибольшую часть расходов при создании ракетного двигателя составляет не индивидуальная конструкция, а исследования, необходимые для его проектирования. И проще, легче и дешевле сконструировать ракетный двигатель среднего размера, чем колоссальный двигатель-монстр (например, F1, который использовал Saturn V).

Даже с авиалайнерами ОГРОМНЫЕ ТРДД выбираются не потому, что они дешевы в производстве, верно как раз обратное. Один двигатель General Electric GE9X, используемый в Boeing 777, стоит 44,5 миллиона долларов. Каждый! В то время как каждый двигатель Боинг-747 стоит всего около 13 миллионов, но при этом выдает на 60% больше тяги.
Огромные двигатели для 777 выбраны потому, что они обеспечивают лучшую экономию топлива, чем несколько двигателей меньшего размера, и немного меньшие затраты на техническое обслуживание.

К сожалению, ракетные двигатели далеки от той зрелости развития, которую имеют турбовентиляторные двигатели для авиалайнеров.

Интересно, как это соотносится с заявлениями Маска о том, что дизайн прост, производство сложно.
@СФ. массовое производство затруднено, производство отдельного двигателя не так сложно. Отдельные двигатели на самом деле довольно просты и легки в сборке по сравнению с реактивными двигателями. По оценкам, Raptor от SpaceX имеет температуру кислородной камеры сгорания около 800 К по сравнению с ~ 2300 К для камеры сгорания турбореактивного двигателя. Давление высокое, а жидкости плотные, поэтому турбины и насосы намного меньше, а для охлаждения используется огромный поток топлива. Вы видите тщательно подобранную металлургию, но не лопатки турбины из монокристаллического суперсплава со встроенными каналами охлаждения, которые вы видите в реактивных двигателях.
@ChristopherJamesHuff: Примечание по терминологии: современные авиалайнеры используют двигатели с турбонаддувом , при этом большая часть мощности используется для вращения байпасного вентилятора. Турбоструйный двигатель означает полное отсутствие байпаса, поскольку вся тяга исходит от выхлопного воздуха с очень высокой скоростью. Это гораздо менее эффективно; в наши дни даже истребители используют ТРДД с малой двухконтурностью. В чем разница между турбореактивными и турбовентиляторными двигателями? . Тем не менее, я думаю, что температура камеры сгорания в основном одинакова для турбовентиляторных и реактивных двигателей, поэтому ваша точка зрения по-прежнему актуальна.
Действительно большой диаметр вентилятора современных ТРДД с большой степенью двухконтурности является одной из причин, по которой нам нужны такие прочные материалы для лопастей вентилятора: из-за огромной центростремительной силы, необходимой для их удержания. (Вентилятор — это большая круглая часть спереди, которую вы можете увидеть, глядя на реактивный двигатель.) Несмотря на то, что лопасти вентилятора не подвергаются воздействию температуры сгорания. (Так что это отдельная проблема от лопаток турбины, о которых вы упомянули, которые должны питать камеру сгорания и извлекать работу из выхлопных газов.)
Я специально имел в виду турбореактивные двигатели как более похожие на турбонасосы ракетного двигателя (особенно в полнопоточном двигателе, таком как Raptor), и чтобы избежать путаницы с большими, но низкотемпературными вентиляторами турбовентиляторных двигателей.
@ChristopherJamesHuff «Двигатели… довольно просты… по сравнению с реактивными двигателями» — я не думаю, что вы можете так выразиться. Просто задачи другие . Коррозия, полимеризация и нестабильность горения для ракет гораздо более проблематичны, не говоря уже о проблеме с криогенными температурами.
Турбореактивные двигатели также работают с тяговооруженностью, которая НАМНОГО меньше , чем у ракетных двигателей. У двигателя GE90 TWR равен 6, у Merlin 1Dvac TWR в 30 раз лучше. (в основном потому, что в ТРД основное внимание уделяется не TWR, а экономии топлива, в то время как ракета - это тяга и ISP)
Маск и ОП используют «дизайн» двумя разными способами. Маск имеет в виду фактический дизайн реальной ракеты. OP включает производственный дизайн в термин «дизайн». Производство сложное — вот почему лучше распределить затраты на выяснение того, как на самом деле построить двигатель, на 500 двигателей, а не на 50. Зачем тратить всю эту работу на разработку инструментов только для того, чтобы выпустить горстку двигателей?

Из вашего вопроса мне непонятно, спрашиваете ли вы о Starship или о Super Heavy.

Starship — это верхняя ступень ракеты-носителя Starship/Super Heavy, на которой установлены относительно умеренные 6 двигателей; 3 «Раптора» «уровня моря», которые могут поворачиваться на шарнире, чтобы направить свою тягу, а также еще три, оптимизированных для работы в вакууме с большими фиксированными соплами. Для посадки на Землю требуется один работающий двигатель уровня моря из трех; отказ от зажигания хотя бы одного двигателя гарантирует гибель транспортного средства. Вакуумные двигатели здесь неприменимы.

В отличие от авиалайнера, двигатели выключаются на протяжении большей части спуска и запускаются только за несколько секунд до приземления, что добавляет большой фактор риска (как болезненно показали опытные полеты Starship). Кроме того, авиалайнер имеет хорошие шансы приземлиться даже с нулевыми работающими двигателями. Таким образом, режимы посадки просто несопоставимы напрямую, и реальная избыточность 3:1 не является чрезмерной.

С другой стороны, Super Heavy имеет 29 двигателей. Здесь драйвером является унификация двигателя с разгонным блоком и экономия на масштабе. SpaceX нужно разработать только один действительно хороший двигатель на метане, а затем сосредоточиться на том, как снизить производственные затраты на большом их количестве.

Конкретно звездолет. 6 все же больше, чем 2
Но для посадки можно использовать только 3.
Ну, им лучше научиться обходиться двумя, потому что остальным из нас ниже линии кармана приходится :)
Авиалайнеры перед посадкой хорошо знают, правильно ли работают их двигатели, и даже имеют шанс приземлиться с нулевыми работающими двигателями. Режимы посадки просто нельзя сравнивать напрямую.
Это хорошие моменты.
@Рассел Шанс на бой? Когда планирующий авиалайнер приближается к аэропорту, он, как правило, преуспевает, и многие посадки за пределами аэропорта также приводят к взлетам (TACA 110 @ NASA Michoud; Alrosa 514). Единственный случай, когда отказ двух двигателей приводит к падению авиалайнера, — это «слишком скоро после взлета» (Салли), использование направляющего уклона захода на посадку ниже глиссады самолета без двигателя (British Airways 38) или где-то, где нет аэропорта в пределах дальности планирования (Air Transat 236; Pinnacle). 3701; Трансэйр 810). Обратите внимание, что каждая из последней группы включает грубые ошибки.
@Harper-ReinstateMonica Спасибо, я не хотел преувеличивать уровень успеха и в итоге занижал его. Я изменил на "хороший шанс".

Другие уже упоминали преимущества резервирования и масштаба производства. Другие преимущества:

  • Конструктивно более эффективно размещать двигатели рядом с обшивкой автомобиля. В частности, этим пользуется сверхтяжелый ускоритель, внешнее кольцо двигателей которого фактически несколько выступает за пределы диаметра транспортного средства.
  • Использование большого количества двигателей значительно упрощает достижение широкого эффективного диапазона дроссельной заслонки за счет выключения двигателей, что важно для восстановления транспортного средства.
  • Меньшие и легкие двигатели легче транспортировать и обслуживать. Raptors достаточно малы, чтобы их можно было перемещать с помощью вилочных погрузчиков, что упрощает их установку или замену.
  • Меньшие двигатели легче тестировать. Стенды для испытаний двигателей меньше, и автомобили могут тестировать отдельные двигатели или их части.
  • Меньшие двигатели с меньшей вероятностью могут нанести серьезный ущерб транспортному средству в случае серьезной неисправности.
  • Большое количество двигателей меньшего размера на самом деле тише из-за того, что некогерентные источники шума суммируются. Короче говоря, при одинаковой общей звуковой мощности несколько некогерентных источников частично компенсируют друг друга, что приводит к более низким средним уровням давления.
  • То же самое касается вибраций внутри автомобиля. Люди, которые летали как на Crew Dragon, так и на Шаттле, отмечали, насколько гладкой была часть полета с 9-двигательным ускорителем по сравнению с ним, и как разгонный блок с 1 двигателем на самом деле ощущался более грубым, чем на Шаттле.
«Raptors достаточно малы, чтобы их можно было перемещать с помощью вилочных погрузчиков, что упрощает их установку или замену». - Действительно. SpaceX значительно сократила время установки. Всего год назад на установку двигателя уходил примерно день, а пару недель назад за одну ночь установили все 29 двигателей на В4. (Хотя это была только проверка прилегания, так что, возможно, водопровод не был зацеплен.) Установка двигателя перед статическим огневым испытанием B3 заняла всего около часа на каждый двигатель.

По мере повышения безопасности авиакомпаний они больше внимания уделяли затратам. Без безопасности стоимость не имела значения. Инженеры SpaceX спросили: «Какой самый большой двигатель мы можем сделать, и при этом еще есть место для вакуумных двигателей и возможность использования нескольких двигателей для посадки?» Ответом был текущий объем двигателя Раптора. Факторов было больше, но это суть.

Затем, поскольку двигатели очень дорогие, они решили производить их серийно. Массовое производство приводит к инновациям в стоимости и качестве, что должно повысить безопасность.

Наконец, вам нужна максимальная тяга при взлете, чтобы снизить затраты на топливо. Таким образом, вы наполняете их ракетой-носителем, и в итоге получается 29-32 двигателя. Это плюс 3 на корабле и еще 6 с вакуумными форсунками итого 38-41, что очень много.

Поскольку безопасность доказана, а технологии совершенствуются, мы можем увидеть меньше двигателей большего размера на Starship V2. Исторически больше означало большую эффективность, а меньшее количество могло привести к снижению затрат. Но к тому времени 3D-печать или какие-то другие инновации могут сделать меньшее или большее количество двигателей плохой стратегией. Время покажет.

Возможно, я не очень умен, но я не вижу, какие дополнительные факты (помимо предположений) принес этот ответ, на что уже намекал вопрос ОП и на что уже ответили другие.
Последний абзац примерно то, что произошло с авиационными реактивными двигателями. Боингу 747-100 требовалось четыре двигателя отчасти из-за технического ограничения мощности двигателя, а отчасти из-за технического ограничения надежности двигателя.

Допустим, вы хотите построить большую ракету (или самолет). Вам понадобится много тяги. Вы можете получить большую тягу от группы небольших двигателей или от нескольких больших. Теперь мы знаем, что больше двигателей дороже, чем меньше двигателей, верно?

Но ждать! Сколько ракет мы собираемся построить? Вероятно, не так много. Из тяжелых ракет-носителей было только 13 Сатурн V, 5 Шаттлов, 2 Энергии и, вероятно, когда-либо будет только 10 SLS (ов?). Давайте рассмотрим Starship — он будет многоразовым, поэтому, хотя Маск хочет сумасшедшую скорость запуска, вероятно, никогда не будет построено больше 15-30.

А что, если мы поставим на каждый из наших автомобилей всего несколько массивных двигателей? Вероятно, когда-либо будет построено 50 (максимум!) машин. Хотя это недостаточно низко , чтобы практически каждый двигатель собирался вручную, оно будет довольно близко. Изготовление инструментов для изготовления ракетного двигателя всегда будет очень дорогим, и если разделить эту стоимость всего на 50 двигателей, каждый двигатель будет очень дорогим.

Давайте сравним это с авиационными двигателями. PW4000 и GE90 , два наиболее распространенных двигателя, которые вы найдете в Boeing 777, были изготовлены более чем по 2500 штук каждый — и, напомню, это столетняя работа над производством реактивных двигателей P&W и GE. Большая часть их инструментов, вероятно, используется совместно с предыдущими движками. Это намного дешевле, чем 50 двигателей, которые вы планируете построить.

Таким образом, при создании ракеты, объем рынка которой очень мал, а затраты на разработку очень высоки, на самом деле дороже использовать меньшее количество двигателей, потому что так мало их когда-либо будет построено. Имеет больше смысла разработать меньший движок — что-то, что (мы еще не упомянули об этом) НАМНОГО проще спроектировать и проверить, чем очень большой движок — и просто сделать их кучу.

Примечание: мы еще даже не упомянули о проблемах избыточности — если один из 20 движков выйдет из строя, это не такая уж большая проблема. Если один из 4-х двигателей сдохнет, вы сегодня не полетите в космос.

Запоздалая мысль: если мы когда-нибудь дойдем до того, что в год будет строиться 100 или 1000 ракет, а конструкция двигателя станет очень надежной, я ожидаю, что вы начнете видеть только несколько двигателей на ракету. Но мы строим 10 (в АБСОЛЮТНО лучшем случае!) ракет в год.

«Вероятно, никогда не будет построено более 15-30 кораблей», — подсчитал Илон Маск, им нужно около 1000 звездолетов. Приблизительно один ускоритель на каждые 5 кораблей (с моей стороны совершенно неосведомленное предположение), то есть всего ~1200 ракет с общим количеством ~15000 двигателей. Они уже построили 17 машин и приступили к строительству еще как минимум 2-х; они также построили около 70 двигателей. 8 из этих машин и около 18 таких двигателей уже летали.
«Но мы строим 10 (в АБСОЛЮТНО лучшем случае!) ракет в год» — SpaceX уже строит 10 кораблей в год вручную : у них еще даже нет завода! И они намерены иметь несколько заводов рядом с несколькими стартовыми площадками (весьма вероятно, по крайней мере, один на звездной базе и один на мысе Канаверал), в том числе на Марсе.
Вы должны были проконсультироваться с каким-нибудь общедоступным манифестом запуска, таким как этот
ясно надо было уточнить: 10 ракет на конструкцию в год. Это не похоже на общие двигатели 777 и а321, и их следует учитывать в одном и том же счете массового производства. Я не идиот; Я знаю, что между «Альтас V» и «Долгими походами», «Соколами», «Антаресами», «Союзами» и H-2 (?) и тем, что запускает ISRO, и «Дельтой IV» запускается более 10 ракет, когда им удается не тереться. Они все совместно используют инструменты двигателя? точно нет.
А! Это имеет смысл. Спасибо.
Почему с точки зрения затрат не имеет смысла иметь так много двигателей на Starship?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v