SpaceX Merlin — SpaceX Merlin
Вакуум: от 981 до 626 кН (от 220 500 до 140 679 фунтов-силы) (64%)
Вакуум: 3,3 м (11 футов)
SpaceX Merlin семейство реактивных двигателей , разработанных SpaceX для использования на своем Фалькон 1 , Сокол 9 и Falcon Heavy ракетоносителей. Двигатели Merlin используют RP-1 и жидкий кислород в качестве ракетного топлива в энергетическом цикле газогенератора . Двигатель Merlin изначально был разработан для восстановления и повторного использования в море.
Инжектор в основе Мерлина — игольчатый, который впервые был использован в посадочном двигателе лунного модуля Аполлона ( LMDE ).
Подача топлива осуществляется одновальным турбонасосом с двумя крыльчатками . ТНО также обеспечивает жидкость высокого давления для гидравлических приводов , которые затем перерабатывают во входное отверстие низкого давления. Это устраняет необходимость в отдельной системе гидравлического привода и означает, что отказ в управлении вектором тяги из-за отсутствия гидравлической жидкости невозможен.
Содержание
Редакции
Мерлин 1А
Первоначальная версия, Merlin 1A , использовала недорогое расходное сопло из полимерного композитного материала, армированного углеродным волокном , с абляционным охлаждением и создавала тягу 340 кН (76000 фунтов силы). Merlin 1A совершил полет только дважды: сначала 24 марта 2006 г., когда он загорелся и вышел из строя из-за утечки топлива вскоре после запуска, и второй раз 21 марта 2007 г., когда он успешно отработал. Оба раза Merlin 1A был установлен на первой ступени Falcon 1 .
Турбонасос SpaceX представлял собой совершенно новую конструкцию из чистого листа, заключенную в 2002 году с Barber-Nichols, Inc., которая выполнила все проектирование, инженерный анализ и строительство; Ранее компания работала над турбонасосами для двигателей RS-88 (Bantam) и NASA Fastrac . В турбонасосе Merlin 1A используется уникальный главный вал, сваренный трением , с концами из Inconel 718 и встроенным алюминиевым рабочим колесом RP-1 посередине. Корпус турбонасоса был изготовлен с использованием литья по выплавляемым моделям, с инконелем на конце турбины, алюминием в центре и нержавеющей сталью серии 300 на конце LOX. Турбина была импульсной конструкцией с частичным впуском (т. Е. Рабочая жидкость поступает только через часть вращения турбины; дуга, а не по всей окружности) импульсной конструкции и вращалась со скоростью до 20000 об / мин, с общим весом 68 кг ( 150 фунтов).
Мерлин 1Б
Merlin 1B ракетный двигатель был усовершенствованной версией двигателя Merlin 1A. Модернизация турбонасоса была произведена Barber-Nichols, Inc. для SpaceX. Он был предназначен для ракет-носителей Falcon 1 , способных создавать тягу 380 кН (85000 фунтов силы) на уровне моря и 420 кН (95000 фунтов силы) в вакууме, а также работать с удельным импульсом 261 с (2,56 км / с) в море. уровня и 303 с (2,97 км / с) в вакууме.
Merlin 1B был усовершенствован по сравнению с 1A за счет модернизации турбины , увеличив выходную мощность с 1500 кВт (2000 л.с.) до 1900 кВт (2500 л.с.). Модернизация турбины была достигнута за счет добавления дополнительных сопел, превратив ранее конструкцию с частичным впуском на полный впуск. Частью модернизации были слегка увеличенные рабочие колеса для RP-1 и LOX. Эта модель вращалась со скоростью 22 000 об / мин и развивала более высокое давление нагнетания. Вес турбонасоса не изменился и составил 68 кг (150 фунтов). Другим заметным изменением по сравнению с 1A стал переход на зажигание TEA — TEB ( пирофорное ) вместо зажигания горелки.
Первоначально Merlin 1B должен был использоваться на ракете-носителе Falcon 9 , на первой ступени которой должна была быть группа из девяти таких двигателей. Благодаря опыту первого полета Falcon 1, SpaceX переместила свою разработку Merlin на Merlin 1C, которая имеет регенеративное охлаждение. Поэтому Merlin 1B никогда не использовался на ракете-носителе.
Мерлин 1С
| Страна происхождения | Соединенные Штаты |
|---|---|
| Производитель | SpaceX |
| Заявление | |
| Связанный L / V | Сокол 1 , Сокол 9 |
| Положение дел | На пенсии |
| Жидкостный двигатель | |
| Пропеллент | LOX / RP-1 |
| Цикл | Газогенератор |
| Спектакль | |
| Тяга (вакуум) | 480 кН (110000 фунтов силы ) |
| Тяга (SL) | 420 кН (94000 фунтов силы ) |
| Отношение тяги к массе | 96 |
| Давление в камере | 6,77 МПа (982 фунта на кв. Дюйм) |
| Я sp (Vac.) | 304,8 с (2,99 км / с) |
| I sp (SL) | 275 с (2,70 км / с) |
| Размеры | |
| Длина | 2,92 м (9,58 футов) |
| Сухой вес | 630 кг (1380 фунтов) |
Было выпущено три версии двигателя Merlin 1C . Двигатель Merlin для Falcon 1 имел подвижный выхлопной узел турбонасоса, который использовался для управления креном за счет направления выхлопа. Двигатель Merlin 1C для первой ступени Falcon 9 почти идентичен варианту, используемому для Falcon 1, хотя выхлопной узел турбонасоса неподвижен. Наконец, на второй ступени Falcon 9 используется вакуумный вариант Merlin 1C . Этот двигатель отличается от варианта первой ступени Falcon 9 тем, что в нем используется более крупное выхлопное сопло, оптимизированное для работы в вакууме, и его можно дросселировать от 60% до 100%.
В Merlin 1C используются сопло и камера сгорания с регенеративным охлаждением . Используемый турбонасос представляет собой модель Merlin 1B с небольшими изменениями. Он был запущен с полной боевой дежурной стрельбой в течение 170 секунд в ноябре 2007 года, первый полет на миссию состоялся в августе 2008 года, приведя в действие «первую частную ракету на жидком топливе, успешно вышедшую на орбиту», Falcon 1 Flight 4 , в сентябре 2008 года. и привел в действие Falcon 9 во время его первого полета в июне 2010 года.
В конфигурации для использования на автомобилях Falcon 1 Merlin 1C имел тягу на уровне моря 350 кН (78000 фунтов силы), вакуумную тягу 400 кН (90000 фунтов силы) и удельный импульс вакуума 304 с (2,98 км / с). . В этой конфигурации двигатель потреблял 140 кг (300 фунтов) топлива в секунду. Испытания проводились с одним двигателем Merlin 1C, успешно проработавшим в общей сложности 27 минут (считая вместе продолжительность различных испытаний), что равняется десяти полным полетам Falcon 1 . Камера и сопло Merlin 1C охлаждаются регенеративно с помощью потока керосина 45 кг (100 фунтов) в секунду и способны поглощать 10 мегаватт (13 000 л.с.) тепловой энергии .
Впервые Merlin 1C был использован как часть неудачной третьей попытки запустить Falcon 1. Обсуждая неудачу, Илон Маск отметил: «Полет нашей первой ступени с новым двигателем Merlin 1C, который будет использоваться в Falcon 9, была идеальная картинка «. Merlin 1C использовался в успешном четвертом полете Falcon 1 28 сентября 2008 года.
7 октября 2012 г. на борту Merlin 1C (Двигатель № 1) миссии CRS-1 произошла аномалия в T + 00: 01: 20, которая появляется на видео запуска CRS-1 в виде вспышки. Отказ произошел сразу после того, как транспортное средство достигло max-Q (максимального аэродинамического давления). Внутренняя проверка SpaceX показала, что двигатель был остановлен после внезапной потери давления и что была разрушена только аэродинамическая оболочка, в результате чего образовались обломки, видимые на видео; двигатель не взорвался, так как наземное управление SpaceX продолжало получать от него данные на протяжении всего полета. На основной миссии аномалия не повлияла из-за номинальной работы остальных восьми двигателей и корректировки траектории полета на борту, но полезная нагрузка вспомогательной миссии не смогла достичь целевой орбиты из-за действующих протоколов безопасности для предотвращения столкновений с МКС. Эти протоколы предотвратили повторное срабатывание верхней ступени для дополнительной полезной нагрузки.
SpaceX планировала разработать версию Merlin 1C мощностью 560 кН (130 000 фунтов силы), которая будет использоваться в ускорителях Falcon 9 Block II и Falcon 1E. От этого двигателя и этих бустерных моделей отказались в пользу более совершенного двигателя Merlin 1D и более длинного бустера Falcon 9 v1.1.
Мерлин Вакуум (1С)
10 марта 2009 года в пресс-релизе SpaceX было объявлено об успешном испытании двигателя Merlin Vacuum. Вариант двигателя 1C, Merlin Vacuum имеет увеличенную выхлопную секцию и значительно увеличенное расширительное сопло, чтобы максимизировать эффективность двигателя в вакууме космоса. Его камера сгорания имеет регенеративное охлаждение , а расширительное сопло из ниобиевого сплава длиной 2,7 метра (9 футов) — радиационное охлаждение . Двигатель развивает тягу в вакууме 411 кН (92 500 фунтов силы) и удельный импульс вакуума 342 с (3,35 км / с). 2 января 2010 года первый серийный двигатель Merlin Vacuum прошел полный цикл выведения на орбиту (329 секунд) интегрированной второй ступени Falcon 9. Он был запущен на второй ступени во время первого полета Falcon 9 4 июня 2010 года. По состоянию на 10 марта 2009 года на полной мощности двигатель Merlin Vacuum работает с максимальной эффективностью среди всех американских ракетных двигателей, работающих на углеводородном топливе.
Незапланированное испытание модифицированного вакуума двигателя Merlin было сделано в декабре 2010 года Незадолго до запланированного второго полета на сокола 9 , две трещины были обнаружены в 2,7 метра (9 футов) -длинный ниобий-листов сплава сопло вакуума Merlin двигатель. Инженерное решение заключалось в том, чтобы отрезать нижние 1,2 метра (4 фута) сопла и запустить через два дня, так как дополнительные характеристики, которые были бы получены от более длинного сопла, не были необходимы для достижения целей миссии. Модифицированный двигатель успешно вывел вторую ступень на орбиту высотой 11000 километров (6800 миль).
Мерлин 1D
Двигатель Merlin 1D был разработан компанией SpaceX в период с 2011 по 2012 год, первый полет состоялся в 2013 году. Цели проектирования нового двигателя включали повышение надежности, улучшенных характеристик и улучшенной технологичности. В 2011 году целевыми показателями для двигателя были: тяга в вакууме 690 кН (155000 фунтов силы), удельный импульс вакуума ( I sp ) 310 с (3,0 км / с), степень расширения 16 (по сравнению с предыдущими 14,5 км / с). Merlin 1C) и давление в камере в «золотой зоне» 9,7 МПа (1410 фунтов на кв. дюйм). Первоначально Merlin 1D был разработан для регулирования от 100% до 70% максимальной тяги, однако дальнейшие усовершенствования с 2013 года теперь позволяют двигателю дросселировать до 40%.
Основное соотношение топливо / окислитель смеси Merlin контролируется проклейки пороховых трубок подачи к каждому двигателю, только с небольшим количеством общего потока подстриженной путем в « серво-мотор управляемый клапан — бабочки » , чтобы обеспечить точный контроль из соотношение смеси.
24 ноября 2013 года Илон Маск заявил, что двигатель фактически работал на 85% от своего потенциала, и они ожидали, что смогут увеличить тягу на уровне моря примерно до 730 кН (165000 фунтов силы) и удельную тягу. коэффициент 180. Эта версия Merlin 1D использовалась на Falcon 9 Full Thrust и впервые летела на рейсе 20 .
В мае 2016 года SpaceX объявила о планах дальнейшей модернизации Merlin 1D за счет увеличения тяги в вакууме до 914 кН (205 000 фунтов силы) и тяги на уровне моря до 845 кН (190 000 фунтов силы); Согласно SpaceX, дополнительная тяга увеличит полезную нагрузку Falcon 9 LEO примерно до 22 метрических тонн при полностью расходуемой миссии. SpaceX также отметила, что в отличие от предыдущей версии модели Falcon 9 с технологией Full Thrust, повышение производительности происходит исключительно за счет модернизированных двигателей, и никаких других значительных изменений в автомобиле публично не планируется.
В мае 2018 года, перед первым полетом Falcon 9 Block 5 , SpaceX объявила, что цель в 190 000 фунтов силы (850 кН) была достигнута. Merlin 1D теперь близок к тяге на уровне моря снятых с эксплуатации двигателей Rocketdyne H-1 / RS-27, используемых на Saturn I , Saturn IB и Delta II .
Аномалии
При запуске 18 марта 2020 года спутников Starlink на борту Falcon 9 произошла преждевременная остановка двигателя при подъеме. Выключение произошло через 2 минуты 22 секунды после начала полета и сопровождалось «событием», которое было видно на камеру. Остальные двигатели Falcon 9 работали дольше и доставили полезную нагрузку на орбиту. Однако первая стадия восстановлена не была. В ходе последующего расследования SpaceX обнаружила, что изопропиловый спирт , используемый в качестве очищающей жидкости, был захвачен и воспламенился, что привело к остановке двигателя. Чтобы решить эту проблему, при следующем запуске SpaceX указала, что процесс очистки не был выполнен.
Merlin 1D Пылесос
Вакуумная версия двигателя Merlin 1D была разработана для Falcon 9 v1.1 и Falcon Heavy 2-й ступени. По состоянию на 2020 год тяга Merlin 1D Vacuum составляет 220 500 фунтов силы (981 кН) с удельным импульсом 348 секунд, что является самым высоким удельным импульсом для американских углеводородных ракетных двигателей. Увеличение связано с большей степенью расширения, обеспечиваемой работой в вакууме, теперь 165: 1 с использованием обновленного удлинителя сопла.
Двигатель может уменьшить тягу до 39% от его максимальной тяги или 360 кН (81 000 фунтов силы).
Дизайн
Контроль двигателя
SpaceX использует конструкцию с тройным резервированием в компьютерах двигателя Merlin. В системе используются три компьютера в каждом процессоре, каждый из которых постоянно проверяет работу других, чтобы создать отказоустойчивый проект . Один блок обработки является частью каждого из десяти двигателей Merlin (девять на первой ступени, один на второй ступени), используемых на ракете-носителе Falcon 9.
Турбонасос
/ РП-1 Мерлин LOX ТНА используется на Merlin двигателей 1А-1С был разработан и создан Barber-Nichols. Он вращается со скоростью 36 000 оборотов в минуту , развивая мощность 10 000 лошадиных сил (7500 кВт).
Генератор газа
Турбонасос LOX / RP-1 на каждом двигателе Merlin приводится в движение обогащенным топливом газогенератором открытого цикла, аналогичным тому, который использовался в двигателе Rocketdyne F-1 эпохи Apollo .
Производство
По состоянию на август 2011 года SpaceX производила 8 двигателей Merlin в месяц, планируя в конечном итоге увеличить производство примерно до 33 двигателей в месяц (или 400 двигателей в год). К сентябрю 2013 года общая производственная площадь SpaceX увеличилась до почти 93000 квадратных метров (1000000 квадратных футов), а завод был настроен на достижение максимальной производительности до 40 ракетных ядер в год, что достаточно для использования запланированных 400 двигателей в год. по более раннему плану двигателя. К октябрю 2014 года SpaceX объявила, что она произвела сотый двигатель Merlin 1D и что теперь двигатели производятся со скоростью 4 двигателя в неделю, а вскоре их количество будет увеличено до 5.
К июню 2015 года SpaceX производила двигатели Merlin из расчета 4 двигателя Merlin 1D в неделю, а общая производственная мощность на заводе составляла максимум 5 двигателей в неделю.
В феврале 2016 года SpaceX указала, что компании необходимо будет строить сотни двигателей в год, чтобы к концу 2016 года обеспечить темп сборки Falcon 9 / Falcon Heavy в 30 ядер в год.
