Rakettmotoren Merlin

SpaceX' raketter ble drevet av flere mindre motorer. Falcon Heavy, for eksempel, brukte ni Merlin-motorer for å gi den nok bærekraft.

Det er en rakettmotor på Spacex' raketter.

På en rakett er det ofte ni Merlin-motorer.

SpaceX Merlin er en familie av rakettmotorer utviklet av SpaceX for bruk på Falcon 1, Falcon 9 og Falcon Heavy launch-kjøretøyene. Merlin-motorer bruker RP-1 og flytende oksygen som rakettdrivmidler i en gassgenerators energisyklus. Merlin-motoren ble opprinnelig designet for utvinning og gjenbruk av havet.

Injektoren i hjertet av Merlin er av pintle-typen som først ble brukt i Apollo Lunar Module landingsmotor (LMDE).

Drivmidler mates via en enkelt aksel, dobbel pumpehjulsturbopumpe. Turbopumpen gir også høytrykksvæske til de hydrauliske aktuatorene, som deretter resirkuleres til lavtrykksinnløpet. Dette eliminerer behovet for et eget hydraulisk drivsystem og betyr at trykkfeilkontrollfeil ved å gå tom for hydraulisk væske ikke er mulig.

Den opprinnelige versjonen, Merlin 1A, brukte en billig, brukbar, ablativt avkjølt karbonfiberforsterket polymerkomposittdyse, og produserte 340 kN (76.000 lbf) skyvekraft. Merlin 1A fløy bare to ganger: Først 24. mars 2006, da den tok fyr og sviktet på grunn av en drivstofflekkasje kort tid etter lanseringen, og den andre gangen 21. mars 2007, da den fungerte vellykket.  Begge gangene ble Merlin 1A montert på en første etappe av Falcon 1.  

SpaceX turbopumpe var en helt ny, ren arkdesign som ble kontrakt med Barber-Nichols, Inc. i 2002 som utførte all design, ingeniøranalyse og konstruksjon; selskapet hadde tidligere jobbet med turbopumper for motorprogrammene RS-88 (Bantam) og NASA Fastrac. Merlin 1A turbopumpen brukte en unik friksjonssveiset hovedaksel, med Inconel 718 ender og et integrert RP-1 pumpehjul i midten. Turbopumpehuset ble konstruert ved hjelp av investeringsstøpegods, med Inconel i turbinenden, aluminium i midten og 300-serie rustfritt stål i LOX-enden. Turbinen var delvis opptak (dvs. arbeidsfluid tillates bare gjennom en del av turbinens rotasjon; en bue ikke hele omkretsen) impulsdesign og dreide seg opptil 20 000 o / min, med en totalvekt på 68 kg (150 lb).

Merlin 1B rakettmotoren var en oppgradert versjon av Merlin 1A-motoren. Turbopumpeoppgraderingene ble håndtert av Barber-Nichols, Inc. for SpaceX.  Den var beregnet på Falcon 1-lanseringsbiler, i stand til å produsere 380 kN (85.000 lbf) skyvekraft på havnivå, og 420 kN (95.000 lbf) i vakuum, og utføre med en spesifikk impuls på 261 s (2,56 km/s) ved havnivå og 303 s (2,97 km/s) i vakuum.

Merlin 1B ble forbedret over 1A med en turbinoppgradering og økte effekten fra 1500 kW (2000 hk) til 1900 kW (2500 hk). Turbinoppgraderingen ble oppnådd ved å legge til ekstra dyser, og snu den tidligere delvis opptaksdesignen til full opptak. Litt forstørrede løpehjul for både RP-1 og LOX var en del av oppgraderingen. Denne modellen snudde med raskere  o/min. og utviklet høyere utløpstrykk. Turbopumpens vekt var uendret ved 68 kg (150 lb). En annen bemerkelsesverdig endring i forhold til 1A var overgangen til TEA – TEB (pyroforisk) tenning over fakkeltenning. 

Den første bruken av Merlin 1B skulle være på Falcon 9-bæreraketten, på hvis første etappe det ville ha vært en klynge på ni av disse motorene. På grunn av erfaring fra Falcon 1s første flyvning, flyttet SpaceX sin Merlin-utvikling til Merlin 1C, som er regenerativt avkjølt. Derfor ble Merlin 1B aldri brukt på en bærerakett.

10. mars 2009 kunngjorde en SpaceX-pressemelding vellykket testing av Merlin Vacuum-motoren. Merlin Vacuum er en variant av 1C-motoren, og har en større eksosdel og en betydelig større ekspansjonsdyse for å maksimere motorens effektivitet i vakuumet i rommet. Forbrenningskammeret blir avkjølt regenerativt, mens den 2,7 meter lange nioblegering  ekspansjonsdysen er avkjølt. Motoren leverer en vakuumkraft på 411 kN (92.500 lbf) og en vakuumspesifikk impuls på 342 s (3,35 km / s).  Den første produksjonen av Merlin Vacuum-motor gjennomgikk en fullverdig baneinnsetting (329 sekunder) av den integrerte Falcon 9 andre etappen 2. januar 2010.  Den ble fløyet på andre etappe for den første Falcon 9-flyet 4. juni 2010. Ved full kraft og fra 10. mars 2009 opererer Merlin Vacuum-motoren med størst effektivitet av en amerikanskprodusert hydrokarbondrevet rakettmotor. En uplanlagt test av en modifisert Merlin Vacuum-motor ble utført i desember 2010. Kort før den planlagte andre flyturen av Falcon 9 ble det oppdaget to sprekker i den 2,7 meter lange nioblegeringsdysen på Merlin Vacuum. motor. Ingeniørløsningen var å kutte av de nedre 1,2 meter (4 fot) av dysen og starte to dager senere, da den ekstra ytelsen som ville blitt oppnådd fra den lengre dysen ikke var nødvendig for å oppnå målene for oppdraget. Den modifiserte motoren plasserte den andre etappen i en bane på 11 000 kilometer høyde.

Merlin 1D-motoren ble utviklet av SpaceX mellom 2011 og 2012, med første flytur i 2013. Designmålene for den nye motoren inkluderte økt pålitelighet, forbedret ytelse og forbedret produserbarhet.  I 2011 var ytelsesmålene for motoren en vakuumkraft på 690 kN (155.000 lbf), en vakuumspesifikk impuls (Isp) på 310 s (3,0 km / s), et utvidelsesforhold på 16 (i motsetning til forrige 14,5 av Merlin 1C) og kammertrykk i "sweet spot" på 9,7 MPa (1410 psi). Merlin 1D ble opprinnelig designet for å stryke mellom 100% og 70% maksimal skyvekraft, men ytterligere forbedringer siden 2013 tillater nå motoren å strupes til 40%. Det grunnleggende Merlin-blandingsforholdet mellom drivstoff og oksidasjonsmiddel styres av størrelsen på drivstofftilførselsrørene til hver motor, med bare en liten mengde av den totale strømmen trimmet ut av en "servomotorstyrt sommerfuglventil" for å gi fin kontroll over blandingsforhold. 24. november 2013 uttalte Elon Musk at motoren faktisk kjørte på 85% av potensialet, og de forventet å kunne øke havnivåtrykket til ca 730 kN (165.000 lbf) og et trykk-til-vekt-forhold. av 180.  Denne versjonen av Merlin 1D ble brukt på Falcon 9 Full Thrust og fløy først på Flight 20.

I mai 2016 kunngjorde SpaceX planer om å ytterligere oppgradere Merlin 1D ved å øke vakuumkraften til 914 kN (205 000 lbf) og havnivåkraften til 845 kN (190 000 lbf); ifølge SpaceX vil den ekstra skyvekraften øke Falcon 9 LEO-nyttelastkapasiteten til rundt 22 tonn på et fullt brukbart oppdrag. SpaceX bemerket også at i motsetning til den forrige Full Thrust-iterasjonen av Falcon 9-kjøretøyet, er økningen i ytelse utelukkende på grunn av oppgraderte motorer, og ingen andre vesentlige endringer i kjøretøyet er planlagt offentlig. I mai 2018, før den første flyvningen med Falcon 9 Block 5, kunngjorde SpaceX at målet på 850.000 kN (190.000 lbf) var oppnådd.  Merlin 1D er nå nær havnivåkraften til de pensjonerte Rocketdyne H-1 / RS-27-motorene som brukes på Saturn I, Saturn IB og Delta II.

18. mars 2020 fikk Starlink-satellitter ombord på en Falcon 9 en tidlig motorstans ved oppstigning. Avstengningen skjedde 2 minutter og 22 sekunder inn i flyet og ble ledsaget av en "hendelse" sett på kameraet. Resten på Falcon 9-motorene brant lenger og leverte nyttelasten i bane. Den første etappen ble imidlertid ikke gjenopprettet. I en etterfølgende undersøkelse fant SpaceX at isopropylalkohol, brukt som rengjøringsvæske, ble fanget og antent og forårsaket at motoren ble slått av. For å løse problemet, antydet SpaceX i påfølgende lansering at rengjøringsprosessen ikke var gjort.

En vakuumversjon av Merlin 1D-motoren ble utviklet for Falcon 9 v1.1 og Falcon Heavy 2. trinn.  Fra og med 2020 er kraften til Merlin 1D Vacuum 220.500 lbf (981 kN)  med en spesifikk impuls på 348 sekunder,  den høyeste spesifikke impulsen noensinne for en amerikansk hydrokarbonrakettmotor.  Økningen skyldes det større ekspansjonsforholdet som gis ved å operere i vakuum, nå 165: 1 ved hjelp av en oppdatert dyseutvidelse.  Motoren kan strupes ned til 39% av sin maksimale skyvekraft, eller 360 kN (81.000 lbf).

SpaceX bruker et tredobbelt redundant design i Merlin-motorens datamaskiner. Systemet bruker tre datamaskiner i hver prosesseringsenhet, som hver gang kontrollerer de andre for å få til en feiltolerant design. Én prosesseringsenhet er en del av hver av de ti Merlin-motorene (ni på første trinn, en på andre trinn) som brukes på Falcon 9-bæreraketten.

Merlin LOX / RP-1 turbopumpe brukt på Merlin-motorer 1A – 1C ble designet og utviklet av Barber-Nichols.  Den spinner med 36 000 omdreininger per minutt, og gir 10 000 hestekrefter (7500 kW).

LOX / RP-1 turbopumpen på hver Merlin-motor drives av en drivstoffrik gassgenerator med åpen syklus som ligner på den som ble brukt i Rocketdyne F-1-motoren fra Apollo-tiden.

Fra og med august 2011 produserte SpaceX Merlin-motorer med en hastighet på åtte per måned, og planla til slutt å øke produksjonen til rundt 33 motorer per måned (eller 400 per år).  I september 2013 hadde SpaceX totale produksjonsareal økt til nesten 93.000 kvadratmeter og fabrikken hadde blitt konfigurert til å oppnå en maksimal produksjonshastighet på opptil 40 rakettkjerner per år, nok til å bruke de 400 årsmotorene som er tenkt av den tidligere motorplanen.  I oktober 2014 kunngjorde SpaceX at de hadde produsert den 100. Merlin 1D-motoren, og at motorene nå ble produsert med en hastighet på 4 per uke, som snart skulle økes til 5. 

I juni 2015 produserte SpaceX Merlin-motorer med en hastighet på fire Merlin 1D-motorer per uke, med en total produksjonskapasitet på fabrikken på maksimalt fem per uke. 

I februar 2016 indikerte SpaceX at selskapet vil trenge å bygge hundrevis av motorer i året for å støtte en Falcon 9 / Falcon Heavy build rate på 30 rakettkjerner per år innen utgangen av 2016.

Referanser 

Rakettmotorer