Merlin (roket motoru ailesi)

Merlin, SpaceX tarafından Falcon 1 ve Falcon 9 fırlatma araçlarında kullanılmak üzere geliştirilmiş olan bir roket motorları ailesidir. SpaceX, Merlin motorlarını ayrıca Falcon Heavy fırlatma aracında da kullanmayı planlamaktadır. Merlin motorları gaz-üreteci güç döngüsü içinde roket yakıtı olarak RP-1 ve Sıvı oksijen kullanır. Merlin motoru en başta denizden kurtar(ıl)ma ve tekrar kullanım için tasarlanmıştı.
Merlin motorunun kalbindeki püskürtücü, Apollo Projesindeki lunar modülünün iniş motoru olan (LMDE)'de de kullanılmış olan, çivili türdendir.
Yakıtlar tek şaftlı ve çifte çarklı turbopompa üzerinden iletilir. Turbo-pompa ayrıca hidrolik aktüatör için yüksek basınçla akışkan da sağlar, sonrasında bu akışkan düşük basınç haznesine toplanır. Bu tasarım hidrolik tahrik sisteminin ayrılması ihtiyacını ortadan kaldırır ve hidrolik sıvısının bitmesiyle oluşan itki vektör denetimi hatasını imkansız kılar. Turbo-pompa'nın üçüncü bir kullanım şekli ise, roketin kendi ekseni etrafındaki dönüşünü denetim altına almak üzere türbin egzoz çıkışının döndürülmesi için gerekli gücü sağlamayı içerir.
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.
Uyarlamaları
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 1C
Merlin 1C 'tazeleyici soğutma' yöntemiyle soğutulan bir egzoz çıkışına ve yanma odasına sahiptir. Kullanılan Turbopomp Merlin 1B modelindekinin biraz değiştirilmiş halidir. 2007 Kasım ayında, resmi bir görevde gereken kadar olmak üzere, 170 saniye boyunca ateşlenmiştir,
ilk kez resmi bir görevde 2008 Ağustos ayında uçmuştur (sorunsuz çalışmasına rağmen görevin özelliği gereği yörünge ulaşmamıştır),
2008 eylül ayında, "özel sermaye ile geliştirilen ilk sıvı-yakıtlı roketi başarıyla yörüngeye çıkarmıştır" (Falcon 1 Uçuş 4)
, ayrıca 2010 Haziran ayında Falcon 9 roketinin ilk uçuşunda kullanılmıştır.
Falcon 1 araçlarında kullanım için ayarlandığından, Merlin 1C deniz seviyesinde 350 kN (78,000 lbf) değerinde bir itkiye sahipti, vakumdaki itki değeri ise 400 kN (90,000 lbf) idi, ayrıca vakumdaki özgül itici kuvvet değeri 304 saniye idi. Bu ayarlar ile motor saniyede 140 kg (300 lb) itki yakıtı tüketiyordu. Tek bir Merlin 1C motorunun 27 dakika boyunca başarıyla çalıştırıldığı testler koşulmuştur. Bu süre çeşitli testlerin sürelerinin toplamıdır ve 10 adet Falcon 1 uçuşunun süresine denk gelmektedir.
Merlin 1C yakıt odası ve egzoz çıkışı 'tazeleyici soğutma' yöntemiyle (saniyede 45 kilograms (100 lb) miktarındaki kerosene akışı kullanılarak) soğutulur ve bu yöntemle 10 megawatt (13000 hp) dengi ısı enerjisi soğurulabilmektedir.
Merlin 1C ilk defa, Falcon 1'in başarısız olan 3. fırlatma denemesinde kullanılmıştır. Başarısızlığı yorumlarken Elon Musk şöyle belirtmiştir: " Uçuşun, Falcon 9'da da kullanılacak olan Merlin 1C motoruna sahip olan ilk aşaması resim kadar mükemmeldi." Merlin 1C daha sonra, 28 Eylül 2008 tarihinde, başarıyla sonuçlanan Falcon 1'in dördüncü uçuşunda kullanıldı.
7 Ekim 2012 tarihinde CRS-1 görevindeki (Motor No. 1 olan) bir Merlin 1C motoru T+00:01:20 zamanında beklenmeyen bir durum yaşamıştır, bu durum CRS-1 fırlatma videosunda bir çeşit parlama olarak görülmektedir. Arıza aracın Max-Q (en yüksek aerodinamik basınç) değerine ulaştığı anda meydana gelmiştir. SpaceX'in şirket içinde gerçekleştirdiği inceleme sonucunda motorun ani basınç kaybından sonra kapandığı ve sadece aerodinamik kabuğun parçalanarak videoda görülen döküntüleri oluşturduğu anlaşılmıştır. Motorun kendisi patlamamıştır, SpaceX yer yönetimi uçuş boyunca motordan veri almaya devam etmiştir. Birincil görev, geriye kalan 8 adet aynı türden motorun beklendiği gibi çalışması ve uçuş sırasında gerçekleştirilen uçuş rotasının yeniden ayalanması sayesinde, bu arızadan etkilenmemiştir, ancak ikincil görev göreve ait olan görev-yükü, UUİ ile çarpışmaları engellemek amaçlı yürürlükte olan, güvenlik kuralları sebebiyle hedeflenen yörüngeye ulaşamamıştır
SpaceX, Falcon 9 block II ve Falcon 1E hızlandırıcılarında kullanılmak üzere, Merlin 1C'nin 560 kN'luk uyarlamasını yapmayı planlıyordu. Bu motor ve hızlandırıcıları uyarlarması modellerinden, daha gelişmiş tasarıma sahip olan Merlin 1D motoru ve daha uzun Falcon 9 v1.1 hızlandırıcısı için vazgeçilmiştir.
Merlin 1C motor özellikleri
Merlin 1C uyarlamasına ait daha önce yayımlanmış olan özellikler :
Deniz seviyesindeki itki: 556 kN (125000 lbf)
Vakumdaki itki: 616 kN (138400 lbf)
Deniz seviyesinde özgül itici kuvvet: 275 s (2.6 kNs/kg)
vakumda özgül itici kuvvet: 304 s (3.0 kNs/kg)
Yakıt: RP-1 (roket sınıfı kerosen)
Oksitleyici: sıvı oksijen
Bölme basıncı: 6.77 MPa (982 psi)
İtki/Ağırlık oranı : 96
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 20112012 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.
Tasarım
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. SpaceXin 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 yörüngesine çıkarılabilecektir. 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.