Los cohetes rusos a menudo tienen muchas boquillas pequeñas; el Saturno V tenía cinco enormes. ¿Cuál es la compensación de ingeniería?

Answer 1

Hola a todos: encontré esta pregunta ‘por accidente’, pero pensé que podría intentar contribuir:

Los ejemplos que probablemente esté citando son el refuerzo Soyuz y el N-1. Ambos tenían un gran número de boquillas, pero por diferentes razones.

El refuerzo Soyuz, que se remonta al R-7 ICBM, tenía un sistema de propulsión que se desarrolló a principios de mediados de la década de 1950. Tuve la suerte de poder hablar con varios ‘rusos’ (en realidad eran ucranianos, y DETESTAN que los llamen ‘rusos’) sobre los sistemas de motor R-7. Durante este tiempo, los soviéticos tenían limitaciones fundamentales de su capacidad de máquina herramienta. Este tipo de “sesgo” hacia la construcción de combinaciones de boquilla / cámara de combustión individuales más pequeñas. Además, cuando intentaron construir otros más grandes, experimentaron inestabilidad de la combustión (al igual que todos los demás que lo intentaron) y simplemente ‘retrocedieron’ a la cámara / boquilla individual más grande que pudieron construir en el tiempo asignado que funcionaría de manera confiable. Fue durante este período que desarrollaron su “estilo” de construir un sistema de motor que tenía 4 cámaras de empuje, todas suministradas por una sola turbobomba. Consideran que las 4 cámaras de empuje y 1 bomba son un sistema de motor de cohete, no 4.

En el caso del N-1, los motores NK-15 fueron construidos por la oficina de diseño de Kuznetsov, porque la oficina de diseño del motor de cohete ‘primario’ (Glushko y compañía) no se llevaban bien con Korolev. El trabajo de la Oficina Kuznetsov era motores de aviones, no cohetes. Parte de la razón por la que los NK-15 eran relativamente pequeños para el trabajo N-1 (alrededor de 380,000 – 390,000 libras de empuje cada uno) era simplemente que no tenían experiencia previa, y construyeron el sistema de motor más grande en el que se sentían ‘seguros’. Parece ser un número difícil de motores, particularmente en vista de la dinámica del sistema de alimentación y los problemas de control que se encontraron cuando intentaron volar ese vehículo.

Por cierto, si puede encontrar una sección transversal de la turbobomba NK-15 / NK-33 y estudiarla, ¡la influencia del diseño del motor del avión es inconfundible! Nos llevó bastante tiempo descubrir por qué hicieron las cosas de la manera en que lo hicieron.

El motor F-1, por otro lado, tuvo su origen en un requisito completamente político (que vino de ARPA, el precursor de DARPA) de tener un motor de cámara única con ‘más’ empuje de lo que entendimos el R-7 ICBM para tener. Eso fue todo. Eso fue lo que inició el programa F-1. El desarrollo del F-1 estaba en marcha 4 años antes de que existiera un vehículo Saturn 5 para usarlo. Von Braun siempre había codiciado la noción de motores F-1 en los vehículos Saturn, por lo que el F-1 fue asignado como el Saturn 5 motor de refuerzo.

Ahora, hablando desde un punto de vista puramente técnico, el F-1 era demasiado grande para un solo motor. Desde el punto de vista de minimizar el peso, los niveles de empuje de alrededor de 400 K en un solo motor LOX / RP-1 GG Cycle a una PC de 1000 psia dan como resultado un motor de peso mínimo. Además, desde el punto de vista de la estabilidad de la combustión, las “soluciones” necesarias para estabilizar el F-1 dieron como resultado un motor con un rendimiento bastante bajo. El rendimiento de velocidad característica del F-1 (la eficiencia C * es de lo que estoy hablando aquí) fue del 90 por ciento bajo. Un motor de un solo barril de 400 K más o menos (con toda probabilidad) funcionaría significativamente mejor (porcentaje de mediados de los 90, por ejemplo) que esto, ya que su diámetro interno sería menor, las frecuencias naturales en cuestión serían proporcionalmente más altas y una amortiguación suficiente sería Más fácil de aplicar.

¡Pero seguro que hubiera sido divertido ver correr un F-1!

Muchas gracias.

Answer 2

En general, los componentes para motores de cohetes más pequeños son más fáciles de fabricar. Los motores de cohetes más pequeños también requieren una infraestructura menos especializada. Los motores de cohete de combustible líquido más pequeños incluso pueden ser fabricados por algunos aficionados (avanzados).

Sin embargo, cuando tiene más motores de cohete, es mucho más difícil asegurarse de que todos arranquen y disparen simultáneamente, de manera uniforme y correcta; resultando en un lanzamiento exitoso. Si solo un motor no arranca correctamente (o comienza tarde), el cohete no se lanzará verticalmente; se volcará.

Y ese es literalmente el mejor caso de “mal funcionamiento activo” (como me recordó el usuario de Quora). Dios no permita que uno de esos motores explote. Un Saturno V estadounidense en explosión destruye el equipo y el material para 5 motores de cohete; ¡Un explosivo cohete ruso N1 destruye 30!

Los componentes de motores de cohetes más grandes son mucho más difíciles de fabricar y requieren una gran inversión en equipos altamente especializados que es muy poco probable que se puedan utilizar para hacer cualquier otra cosa. Sin embargo, tener menos motores para controlar significa que hay muchas menos variables para administrar durante el proceso de lanzamiento. Eso hace que superar un lanzamiento exitoso sea más fácil.

Una nota lateral rápida: Para ser justos con los científicos de cohetes rusos, me gustaría señalar que este es un caso de casi texto de “retrospectiva es 20/20”. Hoy, parece “obvio” que los rusos deberían haber intentado al menos hacer menos cohetes más grandes; incluso lanzar 10 motores de cohete hubiera sido exponencialmente más fácil que lanzar 30.

Sin embargo, en ese momento, no estaba claro qué método de ingeniería funcionaría mejor; eran 6 de una o 1/2 docena de la otra. ¿Quieres luchar (y posiblemente fallar) para construir el cohete o luchar (y posiblemente fallar) para lanzarlo?

Construir 5 motores de cohetes enormes e intentar lanzar simultáneamente 30 motores de cohetes eran una tarea de ingeniería desalentadora que nunca antes se había probado, y hasta que la luna aterrizó, los rusos habían estado muy por delante de los EE. UU. Para casi todos los logros importantes en la carrera espacial. Mucha gente muy inteligente (en ambos lados) tenía buenas razones para creer que los rusos podrían haberlo sacado.

Answer 3

Los motores rusos son más pequeños que los estadounidenses pero más potentes. Por lo tanto, puede poner muchos de ellos en un recipiente y obtener una victoria gana, motores más potentes.

Confieso que no soy un científico de cohetes, pero básicamente, mientras nadie miraba y la Rusia comunista se derrumbaba a su alrededor, un grupo de diseñadores de motores de cohetes rusos liderados por un tipo llamado Korolev desarrolló el mejor motor de cohetes de la historia. Mucho más pequeño que los motores estadounidenses y mucho más potente peso por peso.

Cuando los rusos se dieron cuenta de que habían perdido la carrera espacial, el gobierno les dijo a estos científicos que destruyeran todos los motores. En cambio, los escondieron en un almacén. Finalmente, cuando los Estados Unidos fueron a buscar motores, se les presentó el motor Korolev “imposible de construir”. Como dijo un científico estadounidense, aquí estaban en un almacén, todo un bosque de motores.

Solo sé esto porque vi esta y otras películas. (Esta no es la película que originalmente presenté, esta es la mejor con diferencia)

Answer 4

Porque depurar una enorme cámara de combustión, que son propensas a la inestabilidad, es una molestia. Los estadounidenses tenían dinero para gastar, así que se comprometieron, los rusos no.

Además, Saturno V era un cohete demasiado grande para que funcionara con muchos motores pequeños: los rusos lo demostraron a sí mismos tratando de construir su equivalente de Saturno V de esa manera: el infame N-1. También hay un problema puramente geométrico que hace que un mayor número de motores de menor empuje ocupe más espacio en la parte inferior del cohete debido a la forma en que la escala del motor, N-1 tuvo que hacerse en forma de cono para acomodarlos.

Para cohetes más pequeños, más motores pequeños como realmente mejores, y Saturno I y ahora Falcon 9 hacen exactamente eso, y se ha demostrado que es un mejor enfoque que uno grande (al menos porque si falla un solo motor, también lo hace el cohete, mientras que F-9 sobrevivió a la falla del motor durante el vuelo con pocos problemas).

Answer 5

En el momento del Saturno V, los rusos no podían producir motores grandes y de alto empuje, por lo que Sergei Korolev concibió la idea del N-1 con su amplia base y muchos motores más pequeños. Este diseño en realidad hubiera sido más eficiente que los gigantescos motores de cohete F-1 del Saturn V porque las plumas de escape estarían menos dispersas pero la compensación era la fiabilidad. El mayor número de motores significaba más piezas móviles y líneas de combustible más complicadas, lo que significaba que la posibilidad de explosiones y mal funcionamiento aumentaba considerablemente.