SpaceX Merlin - SpaceX Merlin

Merlin 1D

Tragerea testului Merlin 1D la standul de testare McGregor al SpaceX
Tara de origine	Statele Unite
Producător	SpaceX
Cerere
LV asociat	Falcon 1 , Falcon 9 , Falcon Heavy
stare	Activ
Motor cu combustibil lichid
Propulsor	LOX / RP-1
Ciclu	Generator de gaz
Performanţă
Împingere (vid)	981  kN (221.000 lbf)
Tracțiune (nivelul mării)	854  kN (192.000 lbf)
Gama de accelerație	Nivelul mării: 845 - 482 kN (190.000 - 108.300 lbf) (57%) Vid: 981 - 626 kN (220.500 - 140.679 lbf) (64%)
Raportul forță-greutate	184
Presiunea camerei	9,7  MPa (1.410 psi)
Impuls specific (vid)	311 s (3,05 km / s)
Impuls specific (nivelul mării)	282 s (2,77 km / s)
Dimensiuni
Diametru	Nivelul mării: 0,92 m (3,0 ft) Vid: 3,3 m (11 ft)
Greutate uscata	470 kg (1.030 lb)

Merlin este o familie de motoare pentru rachete dezvoltate de SpaceX pentru utilizare pe vehiculele sale de lansare Falcon 1 , Falcon 9 și Falcon Heavy . Motoarele Merlin folosesc RP-1 și oxigenul lichid ca propulsori pentru rachete într-un ciclu de putere al generatorului de gaz . Motorul Merlin a fost inițial conceput pentru recuperarea și refolosirea pe mare.

Injectorul din inima lui Merlin este de tipul cu vârf care a fost folosit pentru prima dată în motorul de aterizare Apollo Lunar Module ( LMDE ). Propulsorii sunt alimentați de o turbopompa cu un singur arbore, cu două rotori . De asemenea, turbopompa asigură fluid de înaltă presiune pentru dispozitivele de acționare hidraulice , care apoi se reciclează în orificiul de admisie de joasă presiune. Aceasta elimină necesitatea unui sistem de acționare hidraulic separat și înseamnă că eșecul controlului vectorizării tracțiunii prin epuizarea fluidului hidraulic nu este posibil.

Revizuiri

SpaceX Merlin 1A

Merlin 1A

Versiunea inițială, Merlin 1A , a folosit o duză compusă din polimer armat cu fibră de carbon , ieftină, consumabilă, răcită ablativ și a produs 340 kN (76.000 lbf) de forță. Merlin 1A a zburat doar de două ori: prima pe 24 martie 2006, când a luat foc și a eșuat din cauza unei scurgeri de combustibil la scurt timp după lansare, și a doua oară pe 21 martie 2007, când a funcționat cu succes. De ambele ori Merlin 1A a fost montat pe o primă etapă Falcon 1 .

Turbopompa SpaceX a fost un design complet nou, cu foi curate, contractat Barber-Nichols, Inc. în 2002, care a efectuat toate proiectarea, analiza tehnică și construcția; compania a lucrat anterior la turbopompe pentru programele de motoare RS-88 (Bantam) și NASA Fastrac . Turbomba Merlin 1A a folosit un arbore principal sudat prin frecare , cu  capete Inconel 718 și un rotor RP-1 din aluminiu integral în mijloc. Carcasa turbopompei a fost construită folosind piese turnate de investiții, cu Inconel la capătul turbinei, aluminiu în centru și oțel inoxidabil din seria 300 la capătul LOX. Turbina a fost admisă parțial (adică, fluidul de lucru este admis doar printr-o parte a rotației turbinei; un arc, nu întreaga circumferință) proiectat de impuls și rotit la până la 20.000 rpm, cu o greutate totală de 68 kg ( 150 lb).

Merlin 1B

Motorul rachetă Merlin 1B a fost o versiune modernizată a motorului Merlin 1A. Actualizările turbopompei au fost gestionate de Barber-Nichols, Inc. pentru SpaceX. Acesta a fost destinat vehiculelor de lansare Falcon 1 , capabile să producă 380 kN (85.000 lbf) de forță la nivelul mării și 420 kN (95.000 lbf) în vid și să funcționeze cu un impuls specific de 261 s (2,56 km / s) pe mare nivel și 303 s (2,97 km / s) în vid.

Merlin 1B a fost îmbunătățit față de 1A cu o modernizare a turbinei , crescând puterea de la 1.500 kW (2.000 CP) la 1.900 kW (2.500 CP). Actualizarea turbinei a fost realizată prin adăugarea de duze suplimentare, transformând designul de admitere parțială anterior în admisie completă. Rotorele ușor mărite atât pentru RP-1, cât și pentru LOX au făcut parte din actualizare. Acest model a avut o viteză mai mare de 22.000 rpm și a dezvoltat presiuni de descărcare mai mari. Greutatea turbopompei a fost neschimbată la 68 kg (150 lb). O altă schimbare notabilă asupra 1A a fost trecerea la aprinderea TEA - TEB ( piroforică ) peste aprinderea torței.

Utilizarea inițială a Merlin 1B urma să se facă pe vehiculul de lansare Falcon 9 , pe a cărui primă etapă ar fi existat un grup de nouă dintre aceste motoare. Datorită experienței primului zbor al Falcon 1, SpaceX și-a mutat dezvoltarea Merlin la Merlin 1C, care este răcit regenerativ. Prin urmare, Merlin 1B nu a fost folosit niciodată pe un vehicul de lansare.

Merlin 1C

Merlin 1C în construcție la SpaceX

Au fost produse trei versiuni ale motorului Merlin 1C . Motorul Merlin pentru Falcon 1 avea un ansamblu de evacuare mobil cu turbopompa, care a fost folosit pentru a asigura controlul rolelor prin vectorizarea evacuării. Motorul Merlin 1C pentru prima etapă Falcon 9 este aproape identic cu varianta utilizată pentru Falcon 1, deși ansamblul de evacuare a turbopompei nu este mobil. În cele din urmă, o variantă de vid Merlin 1C este utilizată pe etapa a doua Falcon 9. Acest motor diferă de varianta Falcon 9 în prima etapă prin faptul că folosește o duză de evacuare mai mare optimizată pentru funcționarea în vid și poate fi limitată între 60% și 100%.

Merlin 1C folosește o duză răcită regenerativ și o cameră de ardere. Turbopompa folosită este un model Merlin 1B cu doar ușoare modificări. Acesta a fost tras cu o misiune completă de 170 de secunde în noiembrie 2007, a zburat pentru prima oară într-o misiune în august 2008, a alimentat „prima rachetă cu combustibil lichid dezvoltată privat care a atins cu succes orbita”, Falcon 1 Flight 4 , în septembrie 2008 și a alimentat Falcon 9 pe primul său zbor în iunie 2010.

Așa cum este configurat pentru utilizare pe vehiculele Falcon 1, Merlin 1C avea o forță la nivelul mării de 350 kN (78.000 lbf), o împingere la vid de 400 kN (90.000 lbf) și un impuls specific de vid de 304 s (2.98 km / s) . În această configurație, motorul a consumat 140 kg (300 lb) de propulsor pe secundă. Testele au fost efectuate cu un singur motor Merlin 1C care rulează cu succes un total de 27 de minute (numărând împreună durata diferitelor teste), ceea ce înseamnă zece zboruri complete Falcon 1 . Camera și duza Merlin 1C sunt răcite regenerativ cu 45 kg (100 lb) pe secundă de debit de kerosen și sunt capabile să absoarbă 10 MW (13.000 CP) de energie termică .

Un Merlin 1C a fost folosit pentru prima dată ca parte a celei de-a treia încercări nereușite de a lansa un Falcon 1. Discutând despre eșec, Elon Musk a remarcat: „Zborul primei noastre etape, cu noul motor Merlin 1C care va fi folosit în Falcon 9, a fost o imagine perfectă. " Merlin 1C a fost folosit în al patrulea zbor de succes al Falcon 1 pe 28 septembrie 2008.

Pe 7 octombrie 2012, un Merlin 1C (motorul nr. 1) al misiunii CRS-1 a experimentat o anomalie la T + 00: 01: 20, care apare pe videoclipul de lansare CRS-1 sub formă de flash. Eșecul s-a produs exact când vehiculul a atins max-Q (presiune aerodinamică maximă). Analiza internă a SpaceX a constatat că motorul a fost oprit după o pierdere bruscă de presiune și că doar carcasa aerodinamică a fost distrusă, generând resturile văzute în videoclip; motorul nu a explodat, deoarece controlul la sol SpaceX a continuat să primească date de la acesta pe tot parcursul zborului. Misiunea primară nu a fost afectată de anomalie din cauza funcționării nominale a celor opt motoare rămase și a unei reajustări la bord a traiectoriei zborului, dar sarcina utilă a misiunii secundare nu a reușit să atingă orbita țintă din cauza protocoalelor de siguranță în vigoare pentru a preveni coliziunile cu ISS. Aceste protocoale au împiedicat o a doua declanșare a etapei superioare pentru sarcina utilă secundară.

SpaceX plănuia să dezvolte o versiune Merlin 1C de 560 kN (130.000 lbf) pentru a fi utilizată în amplificatoarele Falcon 9 Block II și Falcon 1E. Acest motor și aceste modele de rapel au fost abandonate în favoarea motorului Merlin 1D mai avansat și a rapelului mai lung Falcon 9 v1.1.

Motor Merlin 1C cu vid la fabrica Hawthorne în 2008

Merlin Vacuum (1C)

La 10 martie 2009, un comunicat de presă SpaceX anunța testarea cu succes a motorului Merlin Vacuum. O variantă a motorului 1C, Merlin Vacuum are o secțiune de evacuare mai mare și o duză de expansiune semnificativ mai mare pentru a maximiza eficiența motorului în vidul spațiului. Camera sa de ardere este răcită regenerativ , în timp ce duza de expansiune din aliaj de niobiu lungă de 2,7 metri (9 ft) este răcită radiativ . Motorul oferă un impuls de vid de 411 kN (92.500 lbf) și un impuls specific de vid de 342 s (3.35 km / s). Primul motor Merlin Vacuum de producție a fost supus unei focuri de inserție orbitală cu durată completă (329 secunde) a etapei a doua integrate Falcon 9 pe 2 ianuarie 2010. A fost zburat pe a doua etapă pentru primul zbor Falcon 9 pe 4 iunie 2010 La putere maximă și începând cu 10 martie 2009, motorul Merlin Vacuum funcționează cu cea mai mare eficiență a oricărui motor rachetă alimentat cu hidrocarburi fabricat în America.

Un test de neplanificată a unui motor cu vid Merlin modificat a fost făcută în decembrie 2010. Cu puțin timp înainte de programat al doilea zbor al Falcon 9 , două fisuri au fost descoperite în duza de 2.7 metri lungime (9 ft) niobiu-aliaj de coli de Merlin Motor cu vid. Soluția tehnică a fost tăierea celor 1,2 m (4 ft) inferioare a duzei și lansarea două zile mai târziu, deoarece performanța suplimentară care ar fi fost obținută din duza mai lungă nu era necesară pentru a îndeplini obiectivele misiunii. Motorul modificat a plasat cu succes a doua etapă pe o orbită de 11.000 km (6.800 mi) altitudine.

Merlin 1D

Motorul Merlin 1D a fost dezvoltat de SpaceX între 2011 și 2012, cu primul zbor în 2013. Obiectivele de proiectare pentru noul motor au inclus fiabilitate sporită, performanță îmbunătățită și o fabricație îmbunătățită. În 2011, obiectivele de performanță ale motorului au fost o împingere în vid de 690 kN (155.000 lbf), un impuls specific de vid ( I _sp ) de 310 s (3,0 km / s), un raport de expansiune de 16 (spre deosebire de 14,5 anterioare) de Merlin 1C) și presiunea camerei în „punctul dulce” de 9,7 MPa (1.410 psi). Merlin 1D a fost inițial conceput pentru a accelera între 100% și 70% din forța maximă; cu toate acestea, îmbunătățiri suplimentare din 2013 permit acum motorului să se accelereze la 40%.

Raportul de bază al amestecului de combustibil / oxidant Merlin este controlat de dimensionarea tuburilor de alimentare cu combustibil pentru fiecare motor, cu o cantitate mică din debitul total tăiat de o „ supapă fluture controlată de servomotor ” pentru a asigura un control fin al raportul amestecului.

La 24 noiembrie 2013, Elon Musk a declarat că motorul funcționa de fapt la 85% din potențialul său și au anticipat să poată crește forța la nivelul mării la aproximativ 730 kN (165.000 lbf) și o forță de greutate-greutate raport de 180. Această versiune a Merlin 1D a fost utilizată pe Falcon 9 Full Thrust și a zburat mai întâi pe zborul 20 .

În mai 2016, SpaceX a anunțat planurile de a îmbunătăți în continuare Merlin 1D prin creșterea impulsului de vid la 914 kN (205.000 lbf) și a nivelului mării la 845 kN (190.000 lbf); potrivit SpaceX, forța suplimentară va crește capacitatea de încărcare utilă Falcon 9 LEO la aproximativ 22 de tone metrice într-o misiune complet consumabilă. SpaceX a remarcat, de asemenea, că, spre deosebire de iterația anterioară Full Thrust a vehiculului Falcon 9, creșterea performanței se datorează exclusiv motoarelor actualizate și nu sunt planificate public alte modificări semnificative ale vehiculului.

În mai 2018, înaintea primului zbor al Falcon 9 Block 5 , SpaceX a anunțat că obiectivul de 190.000 lbf (850 kN) a fost atins. Merlin 1D este acum aproape de propulsia la nivelul mării a motoarelor Rocketdyne H-1 / RS-27 retrase utilizate pe Saturn I , Saturn IB și Delta II .

Anomalii

Lansarea din 18 martie 2020 a sateliților Starlink la bordul unui Falcon 9 a suferit o oprire timpurie a motorului la urcare. Oprirea a avut loc la 2 minute și 22 de secunde după zbor și a fost însoțită de un „eveniment” văzut pe cameră. Restul motoarelor Falcon 9 au ars mai mult și au livrat sarcina utilă pe orbită. Cu toate acestea, prima etapă nu a fost recuperată cu succes. Într-o investigație ulterioară, SpaceX a constatat că alcoolul izopropilic , utilizat ca fluid de curățare, a fost prins și aprins, provocând oprirea motorului. Pentru a aborda problema, într-o lansare următoare, SpaceX a indicat că procesul de curățare nu a fost finalizat.

Merlin 1D Vacuum motor pe orbită în 2021

Merlin 1D Vacuum

O versiune cu vid a motorului Merlin 1D a fost dezvoltată pentru Falcon 9 v1.1 și Falcon Heavy pentru a doua etapă. Începând cu 2020, forța Merlin 1D Vacuum este de 985 kN (220.500 lbf) cu un impuls specific de 348 secunde, cel mai mare impuls specific vreodată pentru un motor rachetă cu hidrocarburi din SUA. Creșterea se datorează raportului de expansiune mai mare oferit de funcționarea în vid, acum 165: 1 folosind o extensie de duză actualizată.

Motorul poate accelera până la 39% din propulsia maximă sau 360 kN (81.000 lbf).

Proiecta

Controlul motorului

SpaceX utilizează un design triplu redundant în computerele cu motor Merlin. Sistemul folosește trei calculatoare în fiecare unitate de procesare, fiecare verificând în mod constant pe celelalte, pentru a crea un design tolerant la defecțiuni . O unitate de procesare face parte din fiecare dintre cele zece motoare Merlin (nouă pe prima etapă, una pe a doua etapă) utilizate pe vehiculul de lansare Falcon 9.

Turbopump

Turbopompa Merlin LOX / RP-1 folosită la motoarele Merlin 1A – 1C a fost proiectată și dezvoltată de Barber-Nichols. Se învârte la 36.000 de  rotații pe minut , oferind 10.000 de cai putere (7.500 kW).

Generator de gaz

Turbopompa LOX / RP-1 de pe fiecare motor Merlin este alimentată de un generator de gaz cu ciclu deschis bogat în combustibil similar cu cel folosit în motorul Rocketdyne F-1 din era Apollo .

Producție

Din august 2011, SpaceX producea motoare Merlin cu o rată de opt pe lună, planificând în cele din urmă să crească producția la aproximativ 33 de motoare pe lună (sau 400 pe an). Până în septembrie 2013, spațiul total de fabricație SpaceX a crescut la aproape 93.000 de metri pătrați (1 milion de metri pătrați), iar fabrica a fost configurată pentru a atinge o rată maximă de producție de până la 40 de miezuri de rachete pe an, suficient pentru a utiliza cele 400 de motoare anuale. prevăzută de planul anterior al motorului. Până în octombrie 2014, SpaceX a anunțat că a produs cel de-al 100-lea motor Merlin 1D și că motoarele erau produse acum cu o rată de patru pe săptămână, urmând să fie mărite în curând la cinci.

Până în iunie 2015, SpaceX producea motoare Merlin cu o rată de patru motoare Merlin 1D pe săptămână, cu o capacitate totală de producție în fabrică de maximum cinci pe săptămână.

În februarie 2016, SpaceX a indicat că compania va trebui să construiască sute de motoare pe an pentru a susține o rată de construcție Falcon 9 / Falcon Heavy de 30 de nuclee de rachetă pe an până la sfârșitul anului 2016.

Vezi si

Referințe

Surse

• Belfiore, Michael (18 ianuarie 2005). „Premiul Race for Next Space se aprinde” . Cu fir.

linkuri externe

• Site-ul oficial SpaceX