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 un generador de gas . El motor Merlin fue diseñado originalmente para la recuperación y reutilización en el mar.
País de origen | Estados Unidos |
---|---|
Fabricante | SpaceX |
Solicitud |
|
L / V asociado | Falcon 1 , Falcon 9 , Falcon Heavy |
Estado | Activo |
Motor de combustible líquido | |
Propulsor | LOX / RP-1 |
Ciclo | Generador de gas |
Actuación | |
Empuje (vac.) | 981 kN (221.000 lbf) [1] |
Empuje (SL) | 845 kN (190.000 lbf) [1] |
Gama del acelerador | Nivel del mar: 845 a 482 kN (190,000 a 108,300 lbf) (57%) [1] Vacío: 981 a 626 kN (220,500 a 140,679 lbf) (64%) [1] |
Relación empuje-peso | 185 [2] [ necesita actualización ] |
Presión de la cámara | 9,7 MPa (1410 psi) [3] |
Yo sp (vac.) | 311 s (3,05 km / s) [4] [ necesita actualización ] |
Yo sp (SL) | 282 s (2,77 km / s) [4] [ necesita actualización ] |
Dimensiones | |
Diámetro | Nivel del mar: 0,92 m (3,0 pies) Vacío: 3,3 m (11 pies) |
Peso en seco | 470 kg (1030 libras) [2] |
El inyector en el corazón de Merlin es del tipo pivote que se utilizó por primera vez en el motor de aterrizaje del Módulo Lunar Apolo ( LMDE ).
Los propulsores son alimentados por una turbobomba de un solo eje y doble impulsor . La turbobomba también proporciona fluido a alta presión para los actuadores hidráulicos , que luego se recicla en la entrada de baja presión. Esto elimina la necesidad de un sistema de transmisión hidráulica independiente y significa que no es posible la falla del control de vectorización de empuje por quedarse sin líquido hidráulico .
Revisiones
Merlín 1A
La versión inicial, el Merlin 1A , utilizaba una boquilla compuesta de polímero reforzado con fibra de carbono , barata, prescindible y enfriada ablativamente y producía 340 kN (76.000 lbf) de empuje. El Merlin 1A voló solo dos veces: primero el 24 de marzo de 2006, cuando se incendió y falló debido a una fuga de combustible poco después del lanzamiento, [5] [6] y la segunda vez el 21 de marzo de 2007, cuando funcionó con éxito. [7] En ambas ocasiones, el Merlin 1A se montó en una primera etapa Falcon 1 . [8] [9]
La turbobomba SpaceX era un diseño completamente nuevo y de hoja limpia contratado con 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 usó un eje principal soldado por fricción único , con extremos de Inconel 718 y un impulsor integral de aluminio RP-1 en el medio. La carcasa de la turbobomba se construyó con fundición de inversión, con Inconel en el extremo de la turbina, aluminio en el centro y acero inoxidable de la 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 giró hasta 20.000 rpm, con un peso total de 68 kg ( 150 libras). [ cita requerida ]
Merlín 1B
El motor cohete Merlin 1B era una versión mejorada del motor Merlin 1A. Las actualizaciones de turbobomba fueron manejadas por Barber-Nichols, Inc. para SpaceX. [10] 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 vacío, y funcionar con un impulso específico de 261 s (2,56 km / s). ) al nivel del mar y 303 s (2,97 km / s) en vacío.
El Merlin 1B se mejoró sobre el 1A con una mejora de la turbina , aumentando la potencia de salida de 1.500 kW (2.000 hp) a 1.900 kW (2.500 hp). [11] 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) [10] Otro cambio notable con respecto al 1A fue el cambio a la ignición TEA - TEB ( pirofórica ) sobre la ignición de la antorcha. [11]
El uso inicial del Merlin 1B iba a ser en el vehículo de lanzamiento Falcon 9 , en cuya primera etapa habría habido 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 se enfría de forma regenerativa. Por lo tanto, el Merlin 1B nunca se usó en un vehículo de lanzamiento. [8] [9]
Merlín 1C
País de origen | Estados Unidos |
---|---|
Fabricante | SpaceX |
Solicitud |
|
L / V asociado | Halcón 1 , Halcón 9 |
Estado | Retirado |
Motor de combustible líquido | |
Propulsor | LOX / RP-1 |
Ciclo | Generador de gas |
Actuación | |
Empuje (vac.) | 480 kN (110.000 libras f ) [12] |
Empuje (SL) | 420 kN (94.000 libras f ) [12] |
Relación empuje-peso | 96 |
Presión de la cámara | 6,77 MPa (982 psi) [13] |
Yo sp (vac.) | 304,8 s (2,99 km / s) [13] |
Yo sp (SL) | 275 s (2,70 km / s) |
Dimensiones | |
Largo | 2,92 m (9,58 pies) [14] |
Peso en seco | 630 kg (1380 libras) |
Se produjeron tres versiones del motor Merlin 1C . El motor Merlin del Falcon 1 tenía un conjunto de escape 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 estrangular entre un 60% y un 100%. [13]
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 disparado con un disparo de servicio de misión completo de 170 segundos en noviembre de 2007, [12] voló por primera vez en una misión en agosto de 2008, [15] impulsó el "primer cohete de combustible líquido desarrollado de forma privada para alcanzar con éxito la órbita", Falcon 1 Vuelo 4 , en septiembre de 2008, [15] y propulsó al Falcon 9 en su vuelo inaugural en junio de 2010. [16]
Según la configuración 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 solo motor Merlin 1C funcionando con éxito durante un total de 27 minutos (contando en conjunto la duración de las distintas pruebas), lo que equivale a diez vuelos completos del Falcon 1 . [17] La cámara y la boquilla del Merlin 1C se enfrían regenerativamente con 45 kilogramos (100 libras) por segundo de flujo de queroseno y pueden absorber 10 megavatios (13.000 hp) de energía térmica . [18]
Un Merlin 1C se utilizó por primera vez como parte del fallido tercer intento de lanzar un Falcon 1. Al discutir el fallo, Elon Musk señaló: "El vuelo de nuestra primera etapa, con el nuevo motor Merlin 1C que se utilizará en Falcon 9, era una imagen perfecta ". [19] El Merlin 1C se utilizó en el cuarto vuelo exitoso del Falcon 1 el 28 de septiembre de 2008. [20]
El 7 de octubre de 2012, un Merlin 1C (Motor No. 1) de la misión CRS-1 experimentó una anomalía en T + 00: 01: 20, que aparece en el video de lanzamiento del CRS-1 como un flash. La falla ocurrió justo cuando el vehículo alcanzaba 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 se destruyó la carcasa aerodinámica, lo que generó los escombros que se ven en el video; el motor no explotó, ya que el control de tierra de SpaceX continuó recibiendo datos de él durante todo el vuelo. La misión principal no se vio afectada por la anomalía debido al funcionamiento nominal de los ocho motores restantes y un reajuste a bordo de la trayectoria de vuelo, [21] pero la carga útil de la misión secundaria no pudo alcanzar su órbita objetivo debido a los protocolos de seguridad establecidos para evitar colisiones con la ISS. Estos protocolos impidieron un segundo disparo de la etapa superior para la carga útil secundaria. [22]
SpaceX estaba planeando desarrollar una versión de 560 kN (130,000 lbf) de Merlin 1C para ser utilizada en los impulsores Falcon 9 Block II y Falcon 1E. [23] Este motor y estos modelos de refuerzo se abandonaron en favor del motor Merlin 1D más avanzado y el refuerzo Falcon 9 v1.1 más largo.
Aspiradora Merlin (1C)
El 10 de marzo de 2009, un comunicado de prensa de SpaceX anunció las pruebas exitosas del motor Merlin Vacuum. Una variante del motor 1C, Merlin Vacuum cuenta con 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 [13] de 2,7 metros (9 pies) de largo [24] 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). [25] 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. [26] Voló en la segunda etapa para el Falcon 9 inaugural. vuelo el 4 de junio de 2010. A plena potencia ya partir del 10 de marzo de 2009, el motor Merlin Vacuum opera con la mayor eficiencia de cualquier motor de cohete alimentado con hidrocarburos fabricado en Estados Unidos. [27]
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 (9 pies) de largo del Merlin Vacuum motor. La solución de ingeniería fue cortar los 1,2 metros (4 pies) inferiores de la boquilla y lanzarla dos días después, ya que el rendimiento adicional que se habría obtenido de la boquilla más larga no era necesario para cumplir con los objetivos de la misión. El motor modificado colocó con éxito la segunda etapa en una órbita de 11.000 kilómetros (6.800 millas) de altitud. [24]
Merlín 1D
El motor Merlin 1D fue desarrollado por SpaceX entre 2011 y 2012, con el primer vuelo en 2013. Los objetivos de diseño del nuevo motor incluían una mayor confiabilidad, un mejor rendimiento y una mayor capacidad de fabricación. [28] En 2011, los objetivos de rendimiento del 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), una relación de expansión de 16 (en contraposición a el anterior 14,5 del Merlin 1C) y la presión de la cámara en el "punto óptimo" de 9,7 MPa (1410 psi). Merlin 1D fue diseñado originalmente para acelerar entre el 100% y el 70% del empuje máximo, sin embargo, los refinamientos posteriores desde 2013 ahora permiten que el motor acelere al 40%. [29]
La relación básica de mezcla de combustible / oxidante de Merlin se controla mediante el tamaño de los tubos de suministro de propulsor a cada motor, con solo una pequeña cantidad del flujo total recortado por una " válvula de mariposa controlada por servomotor " para proporcionar un control preciso de la proporción de la mezcla. [30]
El 24 de noviembre de 2013, Elon Musk declaró que el motor en realidad estaba operando 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 a peso. proporción de 180. [31] Esta versión del Merlin 1D se usó en 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 de vacío a 914 kN (205.000 lbf) y el empuje a nivel del mar a 845 kN (190.000 lbf); Según SpaceX, el empuje adicional aumentará la capacidad de carga útil LEO del Falcon 9 a aproximadamente 22 toneladas métricas en una misión completamente prescindible. SpaceX también señaló que, a diferencia de la iteración Full Thrust anterior del vehículo Falcon 9, el aumento en el rendimiento se debe únicamente a los 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 logrado la meta de 190,000 lbf (850 kN). [32] El Merlin 1D está ahora cerca del empuje al nivel del mar de los motores retirados Rocketdyne H-1 / RS-27 usados en Saturn I , Saturn IB y Delta II .
Anomalías
El 18 de marzo de 2020, el lanzamiento 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 del vuelo y estuvo acompañado de un "evento" que se vio en la cámara. El resto de los motores Falcon 9 duraron más 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, estaba atrapado y encendido, lo que provocó que el motor se apagara. Para abordar el problema, en un siguiente lanzamiento, SpaceX indicó que el proceso de limpieza no se realizó. [33] [34] [35]
Aspiradora Merlin 1D
Se desarrolló una versión de vacío del motor Merlin 1D para el Falcon 9 v1.1 y el Falcon Heavy 2nd stage. [3] A partir de 2020, el empuje del Merlin 1D Vacuum es de 220,500 lbf (981 kN) [36] con un impulso específico de 348 segundos, [37] el impulso específico más alto jamás registrado para un motor de cohete de hidrocarburo estadounidense. [38] El aumento se debe a la mayor relación de expansión que se obtiene al operar en vacío, ahora 165: 1 usando una extensión de boquilla actualizada. [37] [39]
El motor puede acelerar hasta el 39% de su empuje máximo, o 360 kN (81.000 lbf). [39]
Diseño
Motor de control
SpaceX utiliza un diseño de triple redundancia en las computadoras del 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 es 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. [40]
Turbobomba
La turbobomba Merlin LOX / RP-1 utilizada en los motores Merlin 1A – 1C fue diseñada y desarrollada por Barber-Nichols. [41] Gira a 36.000 revoluciones por minuto , entregando 10.000 caballos de fuerza (7.500 kW). [42]
Generador de gas
La turbobomba LOX / RP-1 de cada motor Merlin funciona con un generador de gas de ciclo abierto rico en combustible similar al utilizado en el motor Rocketdyne F-1 de la era Apolo . [43]
Producción
A agosto de 2011[actualizar], SpaceX estaba produciendo motores Merlin a razón de 8 por mes, planeando eventualmente aumentar la producción a alrededor de 33 motores por mes (o 400 por año). [3] En septiembre de 2013, el espacio de fabricación total de SpaceX había aumentado a casi 93.000 metros cuadrados (1.000.000 de pies cuadrados), y la fábrica se había configurado para lograr una tasa de producción máxima de hasta 40 núcleos de cohetes por año, suficiente para usar los 400 motores anuales previstos por el plan de motores anterior. [44] En octubre de 2014, SpaceX anunció que había fabricado el motor Merlin 1D número 100 y que los motores se estaban produciendo ahora a un ritmo de 4 por semana, que pronto se incrementará a 5. [45]
En junio de 2015, SpaceX estaba produciendo motores Merlin a razón de 4 motores Merlin 1D por semana, con una capacidad de producción total en la fábrica de un máximo de 5 por semana. [46]
En febrero de 2016, SpaceX indicó que la compañía necesitará construir cientos de motores al año para soportar una tasa de construcción de Falcon 9 / Falcon Heavy de 30 núcleos de cohetes por año para fines de 2016. [47] [ necesita actualización ]
Ver también
- SpaceX Draco : propulsor SpaceX RCS para SpaceX Dragon .
- SpaceX Kestrel : motor pequeño de etapa superior SpaceX para Falcon 1.
- SpaceX Raptor : motor de metano / LOX SpaceX para la nave espacial
- Comparación de motores de cohetes orbitales
- Motor de cohete
- Inyector Pintle
- TR-106 - Motor Pintle de bajo coste (LCPE) que utiliza LOX / LH2 desarrollado por TRW en 2000.
- TR-107 : motor RP-1 desarrollado bajo SLI para futuros vehículos de lanzamiento reutilizables.
- RS-27A : motor RP-1 utilizado en el lanzador Delta II de EE. UU . Herencia de Saturno 1B H-1 .
- Rocketdyne F-1 : motor principal LOX / RP-1 del cohete lunar Saturno V.
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El Merlin 1D pesa 1030 libras, incluidos los actuadores de dirección hidráulica (TVC). Produce 162,500 libras de empuje en vacío. eso es casi 158 empuje / peso. La nueva variante de empuje completo pesa lo mismo y genera alrededor de 185,500 libras de fuerza en vacío.
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la válvula de ajuste de combustible ajusta la mezcla en tiempo real. El dispositivo de ajuste de combustible consta de una válvula de mariposa controlada por servomotor. Para lograr la velocidad y el par adecuados, el diseño incorpora una caja de engranajes planetarios para una relación de reducción de aproximadamente 151: 1, engranajes internos a la unidad. El eje del motor interactúa con la válvula directamente para realizar ajustes finos. “La proporción de mezcla básica viene dada por el tamaño de los tubos, y se recorta una pequeña cantidad del flujo de cada uno”, explica Frefel. "Solo ajustamos una fracción del flujo total de combustible".
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Fuentes
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enlaces externos
- Sitio web oficial de SpaceX