Merlin (roket motoru ailesi)

Çeşitleri

Merlin 1C motorunun üç uyarlaması üretildi. Falcon 1 için üretilen Merlin motorunun oynatılabilir turbo-pompa egzoz çıkış parçası vardı ve egzoza yön vererek  roketin kendi etrafında dönmesi yönetiliyordu. Falcon 9'un ilk aşaması için üretilen Merlin 1C motoru Falcon 1'de kullanan motor, turbo-pompa egzoz çıkışının oynatılabilir olmaması dışında, birebir aynıdır.  Merlin 1C vacuum uyarlaması Falcon 9'un ikinci aşamasında kullanıldı.  Bu motorun Falcon 9'un ilk aşamasındaki uyarlamadan farkı ,vakum işlemesi için iyileştirilmiş, çok daha büyük bir egzoz çıkışına sahip olmasıdır ve motor  %60 -  %100 arasında yakıt ile ateşlenebilmektedir.

Merlin 1A

Motorun ilk hali olan Merlin 1A, ucuz, harcanabilir, aşındırmalı soğutulmuş karbon fiber takviyeli polimer bileşik malzemesinden yapılmış bir egzoz çıkış bacası kullanmıştır, ve 34 kN (77,000 lbf) değerinde itki üretmiştir.
Merlin 1A sadece iki kez uçuş yapmıştır: ilki 24 Mart 2006 tarihinde ve fırlatılıştan kısa süre sonra yakıt sızıntısı sebebiyle alev alarak başarısız olan uçuş, ve ikincisi ise  21 Mart 2007 tarihinde olan ve başarılı bir şekilde gerçekleşen uçuştur. Both times the Merlin 1A was mounted on a Falcon 1 first stage.
SpaceX turbopompası tamamen yeni ve sıfırdan , Barber-Nichols Inc şirketi tarafından 2002 yılında, tasarlanmıştı. Barber-Nichols Inc şirketi tüm tasarım, mühendislik analizi ve üretim süreçlerini üstlenmişti.
Barber-Nichols Inc. şirketi tubopompa ürünlerine, RS-88 (Bantum) ve NASA'nın Fastrac motoru programlarından elde ettikleri tecrübeyi uygulamıştır.
Merlin 1A'daki turbopompa sürtünmeli-kaynak yöntemiyle üretilmiş ( tek parça alüminyum RP-1 pompa pervanesi ile biten inkomel 718 süper alaşımdan yapılmış) benzersiz bir ana şaft kullanır. Turboppompa muhafazası, (türbin ucunda inkomel, orta kısmında alüminyum, ve LOX ucunda 300-serisi paslanmaz çelikten oluşan) dökümden yapılmıştır. Türbin ise "kısmi-kabul edilmiş" bir itki tasarımına sahiptir ve 20,000 rpm hızında dönmektedir. Turbopompanın toplam ağırlığı 68 Kg (150 lbs) civarındadır.

Merlin 1B

Merlin 1B roket motoru, Merlin 1A motorunun geliştirilmiş haliydi. Turbopompa yükseltmeleri SpaceX için Barber-Nichols Inc şirketi tarafından gerçekleştirilmiştir. Falcon 1 fırlatma araçlarında kullanımı planlanmış olan motor, 380 kN (85,000 lbf) civarında itki üretebiliyordu.
Merlin 1B'yi  1A'ya göre gelişmiş kılan fark türbin performans yükseltimi idi (1490 kW -> 1860 kW). Türbine performans yükseltimi fazladan egzoz çıkışları eklenerek elde edilmiştir ,( sonuç olarak daha önceki kısmi-kabul tasarımı tam-kabul'a çevirilmiştir). RP-1 ve LOX için için hafifçe büyütülmüş pervaneler de yükseltme işleminin başka bir parçasıdır.  Bu model diğerine göre daha yüksek olan 22,000 rpm dönüş hızına sahipti ve daha yüksek tahliye basınç değerleri oluşturuyordu.  Turbopompa'nın ağırlığı önceki modele göre değişmemiştir (68 Kg - 150 lbs).
Başlangıçta Merlin 1B'nin Falcon 9 fırlatma aracında kullanılması planlanıyordu, fırlatma aracının birinci aşamasına bu motorlardan 9 adedi öbek halinde yerleştirilecekti. Falcon 1'nin ilk uçuşundan elde edilen tecrübe sebebiyle, SpaceX  Merlin motor geliştirilmesi sürecini Merlin 1C motorunun geliştirilmesine kaydırmıştır. Merlin 1C motoru  'tazeleyici soğutma' (regenerative cooling) sistemine sahiptir. Dolayısıyla Merlin 1B motoru herhangi bir fırlatma aracında hiç kullanılmadı.

Merlin Vakum (1C)

10 Mart 2009 tarihinde, SpaceX yaptığı basın açıklamasında, Merlin Vakum motorunun testlerinin başarıyla tamamlandığını duyurdu. 1C motorunun bir çeşidi olan  Merlin Vakum motoru daha büyük bir egzoz çıkışı bölümüne ve önemli ölçüde daha geniş bir 'genişleyen nozul/egzoz' kısmına sahiptir. 'genişleyen nozul/egzoz' kısmı ile  uzaydaki vakımda motorun veriminin artırılması hedeflenmiştir. Motorun yanma bölmesi 'tazeleyici soğutma' yöntemiyle soğutulurken, 2.7 uzunluğundaki  niyobyum alaşımından yapılmış olan 'genişleyen nozul/egzoz' kısmı ısıl ışınımla soğutulmaktadır(termal soğutma). Motor vakumda 411 kN (92,500 lbf)  değerinde bir itki  ve 342 saniye değerinde özgül itici kuvvet sağlayabilmektedir. Merlin Vakum motorunun ilk üretilen örneği 2 Ocak 2010 tarihinde, Falcon 9'un ikinci aşamasının  yörüngeye yerleştirilme ateşlemesinin tamamında (329 seconds) çalışmıştır . Falcon 9'un 4 Haziran 2010 tarihindeki açılış uçuşunda,  ikinci aşamada çalışmıştır .  Tam güçte çalışan bir Merlin Vakum motoru, şimdiye kadar yapılan en verilmli Amerikan-yapımı bir hidrokarbon roket motoru olmuştur .
Değiştirilmiş Merlin Vakum motoru için daha önceden planlanmamış olan bir test 2010 Aralık ayında gerçekleştirildi.Falcon 9'un tarihi belirlenmiş olan ikinci uçuşundan kısa bir süre öncesinde,  Merlin Vakuum motorunun 2.7 metre uzunluğundaki, niyobyum alaşımında yapılmış bir sacdan üretilmiş olan,egzoz çıkışında 2 adet çatlak belirlendi. Mühendislik çözümü olarak egoz çıkışının alt kısmından 1.2 metre (4 ft) uzunluğunda parça kesildi, ve iki gün sonra fırlatma gerçekleştirildi, çünkü daha uzun egzoz çıkışından elde edilecek olan fazladan verim görev hedeflerine ulaşmak için gerekli değildi. Kısaltılmış bir egzoz çıkışı/nozul ile bile, roket motoru, fırlatma aracını 11,000 kilometre (6,800 mi) irtifaya çıkarabilmiştir.

Merlin 1D

Merlin 1D motoru SpaceX tarafından 2011–2012 yılları arasında geliştirilmiş olup ilk uçuşunu 2013 yılında yapmıştır. 
Merlin 1D aslında (2011 Nisan) deniz seviyesinde 620 kN (140,000 lbf) değerinde itki üretecek şekilde tasarlanmıştı. 2011 yılındaki AIAA İtki Sistemleri konferansında, SpaceX şirketinden Tom Mueller motorun vakumda 690 kN (155,000 lbf) değerinde itki üretme kapasitesine, ve vakumda  310 saniye'lik özgül itici kuvvet (Iₛₚ) değerine ulaşabilecek kapasiteye sahip olacağını belirtmiştir. Özgül itici kuvvetin önceki değerine (Merlin 1C'nin Iₛₚ değeri 14.5 saniye)  göre neredeyse 16 kattan daha fazla bir artış söz konusudur. Yine benzer şekilde bölme basıncında  %40'tan fazla bir artış ( 6.77 MPa  -> 9.7  MPa ) gözlenmektedir.
Motorun yeni özelliklerinden birisi de çalışma kapasitesini 100%'den 70%'e kısabilmesidir.
Yeni motorun tasarımındaki hedefleri arasında artırılmış güvernilirlik (motorun aşınma/tükenme ömrünün artırılması ve bölme ile egzoz çıkışı/nozul kısımlarında ısıl dayanıklılık aralığının yükseltilmesi), artırılmış verim (itki tasarım hedefi 620 kN/140,000 lbf ve yüzde 70-100 arası çalışma kapasitesi kısma/artırma yeteneği), ve geliştirilmiş üretilebilirlik (daha az parça sayısı ve üretim için daha az saat harcanması)  bulunmaktaydı. 
Motorun 150:1 itki/ağırlık oranı bir roket motoru tarafından erişilmiş en yüksek orandır.
2012 Haziran ayında motor testi tamamlandığında, SpaceX motorun, tam bir görev süresi olan 185 saniye boyunca 650 kN (147,000 lbf) itki ürettiğini ve 150'yi aşması beklenen itki/ağırlık oranını doğruladığını duyurmuştur. 2012 Kasım ayı itibarıyla, Falcon 9 sayfasının Merlin  bölümü motorun deniz seviyesinde 650 kN (147,000 lbf) değerinde itkiye, vakumda ise  720 kN (161,000 lbf) değerinde itkiye, yine deniz seviyesinde 282 saniye değerinde özgül itici kuvvete (Iₛₚ) ve  vakumda 311 saniye değerinde özgül itici kuvvete (Iₛₚ)  sahip olduğunu belirtmektedir. Motor , bir gaz-üreteci döngülü kerosen reoket motoruna göre,en yüksek özgül itici kuvvet değerine ulaşmıştır. 20 Mart 2013 tarihinde, SpaceX Merlin 1D motorunun uçuş yeterliliğine eriştiğini duyurdu.
Haziran 2013 tarihinde, Merlin 1D kullanan ilk yörüngesel uçuş aracı Falcon 9 1.1 ilk aşaması geliştirme testini tamamladı.
Falcon 9 aracı Merlin 1D motorları ile birlikte ilk uçuşunda, Kanada Uzay Ajansı için CASSIOPE uydusunu yörüngeye çıkarmıştır. 360 kg (800 pound) ağırlığındaki CASSIOPE hava araştırma ve iletişim uydusu Aşırı Eliptik Alçak Dünya Yörüngesine (ADY) fırlatılmıştır.Bu motorun kullanıldığı ikinci uçuş ise SES-8 uydusunun Yer-Sabit Aktarma Yörüngesine fırlatılması olmuştur.
24 Kasım  2013 tarihinde,  SES ve SpaceX'in SES-8 fırlatışı ile ilgili yaptığı ortaklaşa telekonferans sırasında, Elon Musk motorun aslında  %85 kapasitede çalıştığını ve deniz seviyesi itki miktarını 730 kN (165000 lbf) değerine çekebileceklerini umduklarını belirtmiştir.SES S.A. şirketine göre, yükseltilmiş motorlara sahip ilk Falcon 9 v1.1 aracı  takvimde 2015 ortalarına yerleştirilmiş durumda, ve şirketin SES-9 görev yükünü taşıması planlanıyor.

Merlin Vakum (1D)

Merlin 1D motorunun vakumda çalışan uyarlaması Falcon 9 v1.1 ve Falcon Heavy araçlarının ikinci aşamaları için geliştirildi.
2012 yılı sonuna doğru, Elon Musk Merlin 1D vakum  uyarlamasının test tablasındaki ateşleme testinin resmini twitter'da paylaşırken şunu belirtmiştir: "Şu anda en gelişmiş motorumuz olan Merlin 1D-Vac için, 80 tonluk itkiyle, test ateşlemesini yapıyoruz."  
2013 Ağustos ayında SpaceX'in resmi Falcon 9 ürün sayfasındaki güncellede, Merlin 1D Vakum motorunun, vakum koşullarında 801 kN (180,000 lbf) değerinde itkiye sahip olduğu belirtmiştir. Merlin 1D-Vac için özgül itici kuvvet değeri 340 saniye olarak gösterilmiştir.  Artış miktarının sebebi vakumda çalışması sayesinde oluşan daha büyük genleşme oranıdır.

Motor hakimiyeti

SpaceX Merlin'in uçuş bilgisayarlarında çift-yedeklemeli tasarım kullanmıştır.  Sistem, arızaya dayanıklı tasarım oluşturabilmek için her işlem biriminde , sürekli diğerlerini denetleyen, üçer bilgisayar kullanmaktadır. Bir işlem birimi ,Falcon 9 aracında kullanılan  10 adet motorunun ( 9 adet ilk aşamada,1 adet ikinci aşamada) her birinin bir parçasıdır.

Turbopompa

Merlin 1A-1C motorlarında kullanılan 'Merlin LOX/RP-1 turbopompa'; Barber-Nichols şirketi tarafından tasarlanıp geliştirilmiştir. Merlin 1D motorundan itibaren, SpaceX tüm turbopompa geliştirme ve üretme faaliyetlerini kendisi üstlendi.

Üretim

2011 Ağustos itibarıyla, SpaceX  ayda 8 adet Merlin motoru üretmekteydi, ileride ayda 33 (ve yılda 400 ) adet motor üretmeyi planlamaktaydı.
2013 Eylül ayına gelindiğinde, SpaceX'in toplam üretim alanı neredeyse  93000 metre kareye (1 milyon ft kare) ulaşmıştı ve fabrika yılda 40 adet roket çekirdeği üretmeyi başarabilecek şekilde düzenlenmişti bu da daha önceki 400 adet yıllık motor üretim planına uygun düşüyordu. 2014 Ekim ayında, SpaceX 100. Merlin 1D motorunu üretmiş olduğunu ve motorların haftada 4 adet olacak şekilde üretildiğini, yakında bu oranın 5'e çıkacağını duyurdu.

Gelecekteki motorlar

SpaceX'in başka ana-motor geliştirme programları devam etmektedir ve ayrıca gelecek-motor fikirlerini yayımladılar. Bu fikirler arasında, şu anda üretimde olan  SpaceX'in RP1-yakıtlı Merlin motor ailesine ek olarak, sıvı hidrojen (LH2) yakıtlı motorlar bulunmaktadır.  Ancak, 2012 Kasım ayında, SpaceX CEO'su Elon Musk şirketin itki sistemleri tarafında kararlaştırılan yeni hedefi duyurdu: sıvı metan/sıvı oksijen(LOX) roket motorlarının geliştirilecekti,
ki bu tarz bir motorun kerosen yakıtlı motora göre maliyet ve az da olsa özgül itici kuvvet konularında üstünlüğü olacaktı, diğer yandan ise sıvı-hidrojen teknolojisinin olumsuz yönlerinden kurtulunmuş olacaktı.

Merlin 2 fikri

30 Temmuz 2010 tarihindeki AIAA Ortak İtki Sistemleri Konferansında,  SpaceX McGregor roket geliştirme tesisi direktörü Tom Markusic yeni bir motor planlamasının ilk aşamalarına ait birkaç bilgiyi paylaştı.SpaceX’in Merlin 2 isimli  gaz üreteci döngüsü üzerine kurulmuş olan LOX/RP-1-yakıtlı motoru deniz seviyesinde tahmini olarak 7,600 kN (1,700,000 lbf)  değerinde itkiye ve vakumda tahmini olarak 8,500 kN (1,920,000 lbf) değerinde itkiye sahip olacaktı, ve SpaceX'in tasarı aşamasındaki süper-ağır-yük sınıfındaki fırlatma araçlarına güç sağlayacaktı. Markusic bu yeni sınıf fırlatma araçlarını Falcon X ve Falcon XX olarak adlandırdı. Böyle bir çalışma kapasitesi ile üretilecek bir motor, Saturn V'de kullanılmış olan F-1 motorundan daha çok itkiye sahip olacaktır .
Falcon 9 Heavy aracının daha kuvvetli uyarlamalarında kullanılamaya başlanması planlanan Merlin 2'nin "3 yıl içinde 1 milyar $'a yeterliliğe ulaşabileceği"ni belirtmiştir  Markusic. 2010 Ağustos ayı ortasında, SpaceX CEO'su Elon Musk Merlin 2 motorunun mimarisinin  SpaceX'nin "süper-ağır yük" fırlatma araçlarının geliştirilmesi hedefine dair yapılacak her çalışmada anahtar-elamanı olacağını ve SpaceX gereçkten de süper ağır yük  araçlarına doğru aşama kaydetmek istediğini ve  Markusic tarafından itki konferansında belirli fırlatma araçları için özel olası ayarlamaların/kurguların  kavramsal "beyin-fırtınası" fikirleri olduğunu, tartışma ortamı yaratmak için anlatıldığını  belirtmiştir
Duyurulduğundan beri, Merlin 2 motorunun durumu belirsizleşmiştir. 2011 Ortak İtki Sistemleri Konferansında, Elon Musk SpaceX'in muhtemel bir aşama döngülü motor üzerine çalıştığını belirtmiştir. 2012 Ekim ayında, SpaceX Merlin 1 dizisi motorlardan birkaç kat daha güçlü olacak olan  ve Merlin'nin RP-1 yakıtını kullanmayacak olan bir roket motoruna ait kavramsal çalışmayı duyurdu. Bu büyük motorun yeni SpaceX roketinde kullanılmak için olduğu belirtildi, teorik olarak bu büyük motorlardan birden fazla kullanılarak  150 ile 200 ton (150 bin ile 200 bin kg) arası yük alçak dünya yörüngesineçıkarılabilecektir . Geliştirme aşamasında olan bu roket SpaceX tarafından "Raptor" olarak adlandırıldı. Raptor motoru yakıt olarak sıvı metan kullanacak, ve deniz seviyesinde  6700 kN(1.500.000 lbf) değerinde itkiye sahip olacaktır.