SpaceX Merlín

Merlin es una familia de motores de cohetes desarrollados por SpaceX para su uso en sus vehículos de lanzamiento Falcon 1, Falcon 9 y Falcon Heavy. Los motores Merlin utilizan RP-1 y oxígeno líquido como propulsores de cohetes en un ciclo de energía de generador de gas. El motor Merlin fue diseñado originalmente para su recuperación y reutilización en el mar, pero desde 2016 todo el propulsor Falcon 9 se recupera para su reutilización aterrizando verticalmente en una plataforma de aterrizaje utilizando uno de sus nueve motores Merlin.

El inyector en el corazón de Merlin es del tipo de pivote que se utilizó por primera vez en el motor de aterrizaje del Módulo Lunar Apollo (LMDE). Los propulsores son alimentados por una turbobomba de doble impulsor y un solo eje. La turbobomba también proporciona fluido a alta presión para los actuadores hidráulicos, que luego se recicla hacia la entrada de baja presión. Esto elimina la necesidad de un sistema de accionamiento hidráulico independiente y significa que no es posible que falle el control de vectorización de empuje por quedarse sin fluido hidráulico.

Revisiones

Merlín 1A

La versión inicial, el Merlin 1A, utilizaba una boquilla compuesta de polímero reforzado con fibra de carbono, prescindible, económica y enfriada por ablación y producía 340 kN (76 000 lbf) de empuje. El Merlin 1A voló sólo dos veces: la primera el 24 de marzo de 2006, cuando se incendió y falló debido a una fuga de combustible poco después del lanzamiento, y la segunda vez el 21 de marzo de 2007, cuando funcionó con éxito. En ambas ocasiones, el Merlin 1A se montó en una primera etapa del Falcon 1.

La turbobomba SpaceX era un diseño completamente nuevo y desde cero contratado por Barber-Nichols, Inc. en 2002, quien realizó todo el diseño, análisis de ingeniería y construcción; La empresa había trabajado anteriormente en turbobombas para los programas de motores RS-88 (Bantam) y NASA Fastrac. La turbobomba Merlin 1A utilizó un eje principal único soldado por fricción, con extremos de Inconel 718 y un impulsor integral de aluminio RP-1 en el medio. La carcasa de la turbobomba se construyó utilizando piezas de fundición, con Inconel en el extremo de la turbina, aluminio en el centro y acero inoxidable serie 300 en el extremo LOX. La turbina tenía un diseño de impulso de admisión parcial (es decir, el fluido de trabajo solo se admite a través de una parte de la rotación de la turbina; un arco, no toda la circunferencia) y giraba a hasta 20.000 rpm, con un peso total de 68 kg ( 150 libras).

Merlín 1B

El motor cohete Merlin 1B era una versión mejorada del motor Merlin 1A. Las actualizaciones de la turbobomba estuvieron a cargo de Barber-Nichols, Inc. para SpaceX. Estaba destinado a los vehículos de lanzamiento Falcon 1, capaces de producir 380 kN (85 000 lbf) de empuje al nivel del mar y 420 kN (95 000 lbf) en el vacío, y funcionar con un impulso específico de 261 s (2,56 km/s) en el mar. nivel y 303 s (2,97 km/s) en el vacío.

El Merlin 1B fue mejorado con respecto al 1A con una actualización de turbina, lo que aumentó la potencia de salida de 1500 kW (2000 hp) a 1900 kW (2500 hp). La actualización de la turbina se logró agregando boquillas adicionales, convirtiendo el diseño de admisión parcial anterior en admisión total. Los impulsores ligeramente agrandados tanto para RP-1 como para LOX fueron parte de la actualización. Este modelo giró a 22.000 rpm más rápido y desarrolló presiones de descarga más altas. El peso de la turbobomba se mantuvo sin cambios en 68 kg (150 lb). Otro cambio notable con respecto al 1A fue el cambio al encendido TEA-TEB (pirofórico) en lugar del encendido con soplete.

El uso inicial del Merlin 1B iba a ser en el vehículo de lanzamiento Falcon 9, en cuya primera etapa habría un grupo de nueve de estos motores. Debido a la experiencia del primer vuelo del Falcon 1, SpaceX trasladó su desarrollo Merlin al Merlin 1C, que tiene refrigeración regenerativa. Por lo tanto, el Merlin 1B nunca se utilizó en un vehículo de lanzamiento.

Merlín 1C

Se produjeron tres versiones del motor Merlin 1C. El motor Merlin del Falcon 1 tenía un conjunto de escape de turbobomba móvil, que se utilizaba para proporcionar control de balanceo mediante la vectorización del escape. El motor Merlin 1C para la primera etapa del Falcon 9 es casi idéntico a la variante utilizada para el Falcon 1, aunque el conjunto de escape de la turbobomba no es móvil. Finalmente, se utiliza una variante de vacío Merlin 1C en la segunda etapa del Falcon 9. Este motor se diferencia de la variante de primera etapa del Falcon 9 en que utiliza una boquilla de escape más grande optimizada para el funcionamiento en vacío y se puede acelerar entre un 60% y un 100%.

El Merlin 1C utiliza una boquilla y una cámara de combustión enfriadas de forma regenerativa. La turbobomba utilizada es un modelo Merlin 1B con ligeras modificaciones. Fue lanzado con una misión completa de 170 segundos en noviembre de 2007, voló por primera vez en una misión en agosto de 2008, impulsó el "primer cohete de combustible líquido desarrollado de forma privada que alcanzó con éxito la órbita", Falcon 1 Flight. 4, en septiembre de 2008, y propulsó el Falcon 9 en su vuelo inaugural en junio de 2010.

Configurado para su uso en vehículos Falcon 1, el Merlin 1C tenía un empuje al nivel del mar de 350 kN (78 000 lbf), un empuje de vacío de 400 kN (90 000 lbf) y un impulso específico de vacío de 304 s (2,98 km). /s). En esta configuración, el motor consumía 140 kg (300 lb) de propulsor por segundo. Las pruebas se han realizado con un único motor Merlin 1C funcionando con éxito durante un total de 27 minutos (contando la duración de las distintas pruebas), lo que equivale a diez vuelos completos del Falcon 1. La cámara y la boquilla Merlin 1C se enfrían de forma regenerativa con 45 kg (100 lb) por segundo de flujo de queroseno y son capaces de absorber 10 MW (13.000 hp) de energía térmica.

Se utilizó por primera vez un Merlin 1C como parte del fallido tercer intento de lanzar un Falcon 1. Al analizar el fracaso, Elon Musk señaló: "El vuelo de nuestra primera etapa, con el nuevo motor Merlin 1C que ser usado en Falcon 9, era una imagen perfecta." El Merlin 1C se utilizó en el exitoso cuarto vuelo del Falcon 1 el 28 de septiembre de 2008.

El 7 de octubre de 2012, un Merlin 1C (motor número 1) de la misión CRS-1 experimentó una anomalía en T+00:01:20, que aparece en el vídeo de lanzamiento de CRS-1 como un destello. La falla ocurrió justo cuando el vehículo alcanzó max-Q (presión aerodinámica máxima). La revisión interna de SpaceX encontró que el motor se apagó después de una pérdida repentina de presión y que solo la carcasa aerodinámica fue destruida, generando los escombros que se ven en el video; El motor no explotó, ya que el control terrestre de SpaceX continuó recibiendo datos durante todo el vuelo. La misión principal no se vio afectada por la anomalía debido al funcionamiento nominal de los ocho motores restantes y a un reajuste a bordo de la trayectoria de vuelo, pero la carga útil de la misión secundaria no logró alcanzar su órbita objetivo debido a los protocolos de seguridad establecidos para evitar colisiones con el EEI. Estos protocolos impidieron un segundo disparo de la etapa superior para la carga útil secundaria.

SpaceX estaba planeando desarrollar una versión 560 kN (130,000 lbf) de Merlin 1C para ser utilizado en los impulsores Falcon 9 Block II y Falcon 1E. Este motor y estos modelos de impulsor fueron lanzados a favor del motor más avanzado Merlin 1D y el impulsor más largo Falcon 9 v1.1.

Aspiradora Merlín (1C)

El 10 de marzo de 2009, un comunicado de prensa de SpaceX anunció las pruebas exitosas del motor Merlin Vacuum. Merlin Vacuum, una variante del motor 1C, presenta una sección de escape más grande y una boquilla de expansión significativamente más grande para maximizar la eficiencia del motor en el vacío del espacio. Su cámara de combustión se enfría de forma regenerativa, mientras que la boquilla de expansión de aleación de niobio de 2,7 metros de largo (9 pies) se enfría por radiación. El motor ofrece un empuje de vacío de 411 kN (92.500 lbf) y un impulso específico de vacío de 342 s (3,35 km/s). El primer motor Merlin Vacuum de producción se sometió a un disparo de inserción orbital de duración completa (329 segundos) de la segunda etapa integrada del Falcon 9 el 2 de enero de 2010. Voló en la segunda etapa para el vuelo inaugural del Falcon 9 el 4 de junio de 2010. A plena potencia y desde el 10 de marzo de 2009, el motor Merlin Vacuum funciona con la mayor eficiencia que cualquier motor de cohete impulsado por hidrocarburos de fabricación estadounidense.

En diciembre de 2010 se realizó una prueba no planificada de un motor Merlin Vacuum modificado. Poco antes del segundo vuelo programado del Falcon 9, se descubrieron dos grietas en la boquilla de lámina de aleación de niobio de 2,7 metros de largo (9 pies). del motor Merlin Vacuum. La solución de ingeniería fue cortar los 1,2 m (4 pies) inferiores de la boquilla y lanzar dos días después, ya que el rendimiento adicional que se habría obtenido con la boquilla más larga no era necesario para cumplir los objetivos de la misión. El motor modificado colocó con éxito la segunda etapa en una órbita de 11.000 km (6.800 millas) de altitud.

Merlín 1D

El motor Merlin 1D fue desarrollado por SpaceX entre 2011 y 2012, con su primer vuelo en 2013. Los objetivos de diseño del nuevo motor incluían una mayor confiabilidad, un mejor rendimiento y una mejor capacidad de fabricación. En 2011, los objetivos de rendimiento para el motor eran un empuje de vacío de 690 kN (155 000 lbf), un impulso específico de vacío (I_sp) de 310 s (3,0 km/s ), un ratio de expansión de 16 (a diferencia del anterior 14,5 del Merlin 1C) y una presión de la cámara en el "punto óptimo" de 9,7 MPa (1.410 psi). Merlin 1D fue diseñado originalmente para acelerar entre el 100% y el 70% del empuje máximo; sin embargo, nuevas mejoras desde 2013 ahora permiten que el motor acelere al 40%.

La relación básica de mezcla de combustible/oxidante Merlin está controlada por el tamaño de los tubos de suministro de propulsor a cada motor, y solo una pequeña cantidad del flujo total se recorta mediante una "válvula de mariposa controlada por servomotor". 34; para proporcionar un control preciso de la proporción de la mezcla.

El 24 de noviembre de 2013, Elon Musk declaró que el motor en realidad estaba funcionando al 85% de su potencial, y anticiparon poder aumentar el empuje al nivel del mar a aproximadamente 730 kN (165 000 lbf) y un empuje- relación peso-peso de 180. Esta versión del Merlin 1D se utilizó en el Falcon 9 Full Thrust y voló por primera vez en el vuelo 20.

En mayo de 2016, SpaceX anunció planes para mejorar aún más el Merlin 1D aumentando el empuje en vacío a 914 kN (205 000 lbf) y el empuje al nivel del mar a 845 kN (190 000 lbf); Según SpaceX, el empuje adicional aumentará la capacidad de carga útil del Falcon 9 LEO a aproximadamente 22 toneladas métricas en una misión totalmente prescindible. SpaceX también señaló que, a diferencia de la versión anterior Full Thrust del vehículo Falcon 9, el aumento en el rendimiento se debe únicamente a motores mejorados y no se planean públicamente otros cambios significativos en el vehículo.

En mayo de 2018, antes del primer vuelo del Falcon 9 Block 5, SpaceX anunció que se había alcanzado el objetivo de 845 kN (190 000 lbf). El Merlin 1D ahora está cerca del empuje a nivel del mar de los motores Rocketdyne H-1 / RS-27 retirados utilizados en Saturn I, Saturn IB y Delta II.

El 23 de febrero de 2024, uno de los nueve motores Merlin que impulsaban ese lanzamiento realizó su misión número 22, que en ese momento era el motor líder del vuelo. Ya es el motor de cohete más volado hasta la fecha, superando al motor principal del transbordador espacial no. Récord de 2019 de 19 vuelos.

Anomalías

El lanzamiento del 18 de marzo de 2020 de los satélites Starlink a bordo de un Falcon 9 experimentó un apagado temprano del motor durante el ascenso. El cierre se produjo a los 2 minutos y 22 segundos de vuelo y estuvo acompañado de un "evento" visto en cámara. El resto de los motores Falcon 9 ardieron más tiempo y entregaron la carga útil a la órbita. Sin embargo, la primera etapa no se recuperó con éxito. En una investigación posterior, SpaceX descubrió que el alcohol isopropílico, utilizado como líquido de limpieza, quedó atrapado y se encendió, lo que provocó que el motor se apagara. Para solucionar el problema, en un lanzamiento posterior SpaceX indicó que el proceso de limpieza no se había realizado.

El 2 de octubre de 2020, el lanzamiento de un satélite GPS-III fue abortado en T-2 segundos debido a un arranque temprano detectado en 2 de los 9 motores de la primera etapa. Los motores fueron retirados para realizar más pruebas y se encontró que un puerto en el generador de gas estaba bloqueado. Después de eliminar el bloqueo, los motores arrancaron según lo previsto. Después de esto, SpaceX inspeccionó otros motores de su flota y descubrió que dos de los motores del cohete Falcon 9 destinado al lanzamiento del Crew-1 también tenían este problema. Esos motores fueron reemplazados por nuevos motores M1D.

El 16 de febrero de 2021, en el vuelo 108 del Falcon 9 que lanzaba satélites Starlink, un motor se apagó antes de tiempo debido a que los gases de escape calientes atravesaron una cubierta de protección térmica dañada. La misión fue un éxito, pero no se pudo recuperar el propulsor.

Aspiradora Merlín 1D

Se desarrolló una versión de vacío del motor Merlin 1D para el Falcon 9 v1.1 y la segunda etapa del Falcon Heavy. A partir de 2020, el empuje del Merlin 1D Vacuum es de 220.500 lbf (981 kN) con un impulso específico de 348 segundos, el impulso específico más alto jamás alcanzado por un motor de cohete de hidrocarburos estadounidense. El aumento se debe a la mayor relación de expansión que ofrece el funcionamiento en vacío, ahora de 165:1 utilizando una extensión de boquilla actualizada.

El motor puede acelerar hasta el 39% de su empuje máximo, o 360 kN (81 000 lbf).

Mejoras y variantes de Merlin 1D Vacuum

SpaceX CRS-18 presentó un kit de misión-extensión de Falcon a la segunda etapa estándar, que equiparon la segunda etapa con una banda oscura (para el control térmico), COPVs extra para el control de la presurización, y líquido adicional de ignición TEA-TEB. Las mejoras permitieron la segunda etapa con la resistencia necesaria para inyectar las cargas de pago directamente en órbita geosincrónica o de alta energía donde la segunda etapa necesita horas después del lanzamiento. Basándose en los requisitos de la misión, son kits de la Costa Media " Long Coast " , es decir, dependiendo del número de botellas de helio para la presurización, baterías adicionales para la energía y otros equipos para asegurarse de que los sistemas de combustible y etapas funcionen siempre que sea necesario.

El lanzamiento de la misión Transporter-7 presentó un nuevo diseño o variante de extensión de boquilla MVac destinado a aumentar la cadencia y reducir costos. Esta nueva extensión de boquilla es más corta y, como resultado, disminuye tanto el rendimiento como el uso de material. Esta boquilla sólo se utiliza en misiones de menor rendimiento, ya que con esta boquilla el motor MVac produce un 10% menos de empuje en el espacio. La boquilla reduce la cantidad de material necesario en un 75%; Esto significa que SpaceX puede lanzar tres veces más misiones con la misma cantidad de niobio metálico raro que con el diseño más largo.

Diseño

Control del motor

SpaceX utiliza un diseño de triple redundancia en las computadoras con motor Merlin. El sistema utiliza tres computadoras en cada unidad de procesamiento, cada una de las cuales verifica constantemente a las demás, para crear una instancia de un diseño tolerante a fallas. Una unidad de procesamiento forma parte de cada uno de los diez motores Merlin (nueve en la primera etapa, uno en la segunda etapa) utilizados en el vehículo de lanzamiento Falcon 9.

Turbobomba

La turbobomba Merlin LOX/RP-1 utilizada en los motores Merlin 1A–1C fue diseñada y desarrollada por Barber-Nichols. Gira a 36.000 revoluciones por minuto y genera 10.000 caballos de fuerza (7.500 kW).

Generador de gas

La turbobomba LOX/RP-1 de cada motor Merlin está impulsada por un generador de gas de ciclo abierto rico en combustible similar al utilizado en el motor Rocketdyne F-1 de la era Apollo.

Producción

En agosto de 2011, SpaceX producía motores Merlin a un ritmo de ocho por mes, y planeaba eventualmente aumentar la producción a aproximadamente 33 motores por mes (o 400 por año). En septiembre de 2013, el espacio total de fabricación de SpaceX había aumentado a casi 93.000 metros cuadrados (1 millón de pies cuadrados) y la fábrica se había configurado para alcanzar una tasa de producción máxima de hasta 40 núcleos de cohetes por año, suficiente para utilizar los 400 motores anuales. previsto por el plan de motor anterior. En octubre de 2014, SpaceX anunció que había fabricado el motor Merlin 1D número 100 y que ahora se estaban produciendo motores a un ritmo de cuatro por semana, que pronto se incrementaría a cinco.

En febrero de 2016, SpaceX indicó que la compañía necesitará construir cientos de motores al año para soportar una tasa de construcción de 30 núcleos de cohetes Falcon 9/Falcon Heavy por año para finales de 2016.

Cada propulsor Falcon 9 utiliza nueve motores Merlin y la segunda etapa utiliza un motor de vacío Merlin. La segunda etapa está gastada, por lo que cada lanzamiento consume un motor Merlin Vacuum. SpaceX diseñó el propulsor con sus motores para recuperarlos y reutilizarlos mediante un aterrizaje propulsor, y el primer propulsor recuperado se reutilizó en marzo de 2017. Para 2020, solo cinco de los 26 Falcon 9 lanzados ese año utilizaron nuevos propulsores. Para 2021, sólo dos de los 31 lanzamientos del Falcon 9 utilizaron nuevos propulsores.

Conceptos de motor anteriores

Concepto de Merlín 2

En la conferencia de Propulsión Conjunta del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica el 30 de julio de 2010, el director de la instalación de desarrollo de cohetes McGregor de SpaceX, Tom Markusic, compartió información sobre las etapas iniciales de planificación de un nuevo motor. El motor Merlin 2 LOX/RP-1 de SpaceX, alimentado por un ciclo de generador de gas, capaz de generar un empuje proyectado de 7.600 kN (1.700.000 lbf) al nivel del mar y 8.500 kN (1.920.000 lbf) en el vacío y proporcionaría la potencia para el desarrollo conceptual. vehículos de lanzamiento súper pesados de SpaceX, que Markusic denominó Falcon X y Falcon XX. Tal capacidad, si se hubiera construido, habría dado como resultado un motor con más empuje que los motores F-1 utilizados en el Saturn V.

Concebido para ser utilizado potencialmente en variantes más capaces del Falcon 9 Heavy, Markusic indicó que el Merlin 2 "podría calificarse en tres años por mil millones de dólares". A mediados de agosto, el director ejecutivo de SpaceX, Elon Musk, aclaró que si bien la arquitectura del motor Merlin 2 era un elemento clave de cualquier esfuerzo que SpaceX haría hacia su objetivo de "transporte superpesado" vehículos de lanzamiento (y que SpaceX realmente quería "avanzar hacia el transporte súper pesado"), las configuraciones de diseño potenciales específicas de los vehículos de lanzamiento particulares mostrados por Markusic en la conferencia sobre propulsión eran meramente conceptuales "lluvia de ideas" 34;, sólo un "montón de ideas para discutir".

Desde la discusión original, no se ha trabajado en ningún juego de "Merlin 2" El motor Kerolox ha sido perseguido y hecho público. En la Conferencia Conjunta de Propulsión de 2011, Elon Musk declaró que SpaceX estaba trabajando en un posible motor de ciclo por etapas. En octubre de 2012, SpaceX anunció públicamente un trabajo conceptual sobre un motor de cohete que sería "varias veces más potente que la serie de motores Merlin 1 y no utilizaría el combustible RP-1 de Merlin". ;. Indicaron que el motor grande estaba destinado a un nuevo cohete SpaceX, y que el uso de varios de estos motores grandes podría, en teoría, lanzar masas de carga útil del orden de 150 a 200 toneladas (170 a 220 toneladas cortas) a la órbita terrestre baja. El próximo motor que SpaceX está desarrollando actualmente se denominará "Raptor". Raptor utilizará metano líquido como combustible y se afirmó que tendrá un empuje al nivel del mar de 6.700 kilonewtons (1.500.000 lbf). Desde el anuncio inicial de Raptor, Musk ha actualizado la especificación a aproximadamente 230 toneladas de fuerza (2300 kN; 510 000 lbf), aproximadamente un tercio de la cifra publicada original, basándose en los resultados de la optimización de la relación empuje-peso.