Merlin — семейство ракетных двигателей , разработанных SpaceX для использования на ракетах-носителях Falcon 1 , Falcon 9 и Falcon Heavy . В двигателях «Мерлин» в качестве ракетного топлива в газогенераторном энергетическом цикле используются РП-1 и жидкий кислород . Двигатель Merlin изначально был разработан для восстановления и повторного использования в море, но с 2016 года вся ракета-носитель Falcon 9 восстанавливается для повторного использования путем вертикальной посадки на посадочную площадку с использованием одного из девяти двигателей Merlin.
Инжектор в основе «Мерлина» имеет игольчатый тип, который впервые был использован в посадочном двигателе лунного модуля «Аполлон» ( LMDE ). Топливо подается одновальным турбонасосом с двумя рабочими колесами . Турбонасос также подает жидкость под высоким давлением для гидравлических приводов , которая затем возвращается во впуск низкого давления. Это устраняет необходимость в отдельной системе гидравлического привода и означает, что отказ управления вектором тяги из-за нехватки гидравлической жидкости невозможен.
Первоначальная версия, Merlin 1A , использовала недорогое одноразовое сопло из полимерного композита, армированного углеродным волокном, с абляционным охлаждением и создавала тягу 340 кН (76 000 фунтов силы). Merlin 1A летал всего дважды: первый раз 24 марта 2006 г., когда он загорелся и вышел из строя из-за утечки топлива вскоре после запуска, [5] [6] и второй раз 21 марта 2007 г., когда он выполнил свою работу успешно. [7] Оба раза Merlin 1A был установлен на первой ступени Falcon 1 . [8] [9]
Турбонасос SpaceX представлял собой совершенно новую, «чистую» разработку, заключенную в 2002 году по контракту с компанией Barber-Nichols, Inc., которая выполнила все проектирование, инженерный анализ и строительство; Ранее компания работала над турбонасосами для программ двигателей RS-88 (Bantam) и NASA Fastrac . В турбонасосе Merlin 1A использовался уникальный главный вал, сваренный трением , с концами из Inconel 718 и встроенным алюминиевым рабочим колесом RP-1 посередине. Корпус турбонасоса был изготовлен с использованием отливок по выплавляемым моделям : инконель со стороны турбины, алюминий в центре и нержавеющая сталь серии 300 со стороны LOX. Турбина имела частичный впуск (т. е. впуск рабочей жидкости осуществляется только через часть вращения турбины; по дуге, а не по всей окружности) импульсной конструкции и вращалась со скоростью до 20 000 об/мин, с общим весом 68 кг ( 150 фунтов). [ нужна цитата ]
Ракетный двигатель Merlin 1B представлял собой модернизированную версию двигателя Merlin 1A. Модернизацией турбонасоса занималась компания Barber-Nichols, Inc. для SpaceX. [10] Он был предназначен для ракет-носителей Falcon 1 , способных создавать тягу 380 кН (85 000 фунтов силы) на уровне моря и 420 кН (95 000 фунтов силы) в вакууме и иметь удельный импульс 261 с (2,56 км/с). ) на уровне моря и 303 с (2,97 км/с) в вакууме.
Merlin 1B был усовершенствован по сравнению с 1A за счет модернизации турбины , в результате чего выходная мощность увеличилась с 1500 кВт (2000 л.с.) до 1900 кВт (2500 л.с.). [11] Модернизация турбины была осуществлена путем добавления дополнительных сопел, превратив ранее существовавшую конструкцию с частичным впуском в систему полного впуска. В рамках модернизации были слегка увеличены крыльчатки как для РП-1, так и для LOX. Эта модель вращалась со скоростью более 22 000 об/мин и имела более высокое давление нагнетания. Вес турбонасоса не изменился и составил 68 кг (150 фунтов). [10] Еще одним заметным изменением по сравнению с 1А стал переход на зажигание TEA – TEB ( пирофорное ) вместо зажигания горелкой. [11]
Первоначально Merlin 1B должен был использоваться на ракете-носителе Falcon 9 , на первой ступени которой должна была находиться группа из девяти таких двигателей. Благодаря опыту первого полета Falcon 1, SpaceX перенесла свою разработку Merlin на Merlin 1C с регенеративным охлаждением. Поэтому «Мерлин-1Б» никогда не использовался на ракете-носителе. [8] [9]
Было выпущено три версии двигателя Merlin 1C . Двигатель Merlin для Falcon 1 имел подвижный выпускной 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 выхлопное сопло большего размера, оптимизированное для работы в вакууме, и его мощность можно регулировать в диапазоне от 60% до 100%. [13]
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 нагрузкой в течение 170 секунд в ноябре 2007 года, [12] впервые совершил полет в августе 2008 года, [15] привел в действие «первую ракету на жидком топливе частной разработки , успешно достигшую орбиты», Falcon 1. Рейс 4 в сентябре 2008 года [15] и приводил в действие Falcon 9 во время его первого полета в июне 2010 года. [16]
В конфигурации для использования на кораблях Falcon 1 Merlin 1C имел тягу на уровне моря 350 кН (78 000 фунтов силы), тягу в вакууме 400 кН (90 000 фунтов силы) и удельный импульс в вакууме 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 (с учетом продолжительности различных испытаний), что соответствует десяти полным полетам Falcon 1 . [17] Камера и сопло Merlin 1C регенеративно охлаждаются потоком керосина производительностью 45 кг (100 фунтов) в секунду и способны поглощать 10 МВт (13 000 л.с.) тепловой энергии . [18]
Merlin 1C был впервые использован в рамках 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 идеальной картинкой». [19] Merlin 1C использовался в успешном четвертом полете Falcon 1 28 сентября 2008 года. [20]
7 октября 2012 г. на самолете Merlin 1C (двигатель № 1) миссии CRS-1 произошла аномалия в Т+00:01:20, которая появляется на видео запуска CRS-1 в виде вспышки. Неисправность произошла, когда автомобиль достиг максимального 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, показанные на видео; двигатель не взорвался, поскольку наземное управление SpaceX продолжало получать от него данные на протяжении всего полета. На основную миссию аномалия не повлияла из-за штатной работы остальных восьми двигателей и бортовой корректировки траектории полета, [21] но полезная нагрузка вторичной миссии не смогла достичь целевой орбиты из-за действующих протоколов безопасности, предотвращающих Столкновения с МКС. Эти протоколы предотвратили второй запуск верхней ступени для вторичной полезной нагрузки. [22]
SpaceX планировала разработать версию Merlin 1C мощностью 560 кН (130 000 фунтов силы) для использования в ускорителях Falcon 9 Block II и Falcon 1E. [23] От этого двигателя и этих моделей ускорителей отказались в пользу более совершенного двигателя Merlin 1D и более длинного ускорителя Falcon 9 v1.1.
10 марта 2009 г. в пресс-релизе SpaceX было объявлено об успешных испытаниях двигателя Merlin Vacuum. Вариант двигателя 1C, Merlin Vacuum, имеет увеличенную выхлопную секцию и значительно большее расширительное сопло, чтобы максимизировать эффективность двигателя в космическом вакууме. Его камера сгорания охлаждается регенеративно , а расширительное сопло из ниобиевого сплава [ 13] длиной 2,7 метра (9 футов) [13] охлаждается радиационно . Двигатель обеспечивает тягу в вакууме 411 кН (92 500 фунтов силы) и удельный импульс в вакууме 342 с (3,35 км/с). [25] Первый серийный двигатель Merlin Vacuum прошел полный запуск на орбиту (329 секунд) интегрированной второй ступени Falcon 9 2 января 2010 года. [26] Он был запущен на второй ступени первого Falcon 9. полет 4 июня 2010 г. На полной мощности по состоянию на 10 марта 2009 г. двигатель Merlin Vacuum работает с наибольшей эффективностью среди всех ракетных двигателей американского производства, работающих на углеводородном топливе. [27]
Внеплановое испытание модифицированного двигателя Merlin Vacuum было проведено в декабре 2010 года. Незадолго до запланированного второго полета Falcon 9 были обнаружены две трещины в сопле Merlin из листового ниобиевого сплава длиной 2,7 метра (9 футов). Вакуумный двигатель. Инженерное решение заключалось в том, чтобы отрезать нижние 1,2 м (4 фута) сопла и запустить через два дня, поскольку дополнительные характеристики, которые можно было бы получить от более длинного сопла, не были необходимы для достижения целей миссии. Модифицированный двигатель успешно вывел вторую ступень на орбиту высотой 11 000 км (6800 миль). [24]
Двигатель Merlin 1D был разработан SpaceX в период с 2011 по 2012 год, первый полет состоялся в 2013 году. Целями разработки нового двигателя были повышение надежности, улучшение характеристик и улучшение технологичности. [28] В 2011 году целевыми показателями двигателя были тяга в вакууме 690 кН (155 000 фунтов силы), удельный импульс в вакууме ( I sp ) 310 с (3,0 км / с), степень расширения 16 (в отличие от предыдущий 14,5 у Merlin 1C) и давление в камере в «золотой зоне» 9,7 МПа (1410 фунтов на квадратный дюйм). Первоначально Merlin 1D был разработан для дросселирования от 100% до 70% максимальной тяги; однако дальнейшие усовершенствования, внесенные с 2013 года, теперь позволяют двигателю дросселировать до 40%. [29]
Базовое соотношение смеси топливо/окислитель Merlin контролируется размером трубок подачи топлива к каждому двигателю, при этом лишь небольшая часть общего потока отсекается с помощью « дроссельной заслонки с сервоприводом », чтобы обеспечить точный контроль над топливом. соотношение смеси. [30]
24 ноября 2013 года Илон Маск заявил, что двигатель фактически работает на 85% своего потенциала, и они ожидают, что смогут увеличить тягу на уровне моря примерно до 730 кН (165 000 фунтов силы) и соотношение тяги к весу. передаточное отношение 180. [31] Эта версия Merlin 1D использовалась на Falcon 9 Full Thrust и впервые полетела 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); По данным SpaceX, дополнительная тяга увеличит полезную нагрузку Falcon 9 на низкой околоземной орбите примерно до 22 метрических тонн в рамках полностью расходуемой миссии. SpaceX также отметила, что в отличие от предыдущей версии Falcon 9 с полной тягой, увеличение производительности происходит исключительно за счет модернизированных двигателей, и никаких других существенных изменений в машине публично не планируется.
В мае 2018 года, перед первым полетом Falcon 9 Block 5 , SpaceX объявила, что цель в 845 кН (190 000 фунтов силы) достигнута. [32] Merlin 1D теперь близок к уровню моря по тяге снятых с вооружения двигателей Rocketdyne H-1 / RS-27, используемых на Saturn I , Saturn IB и Delta II .
23 февраля 2024 года один из девяти двигателей «Мерлин», участвовавших в этом запуске, выполнил свой 22-й полет, который на тот момент был ведущим двигателем полета. Это уже самый летный ракетный двигатель на сегодняшний день, превосходящий номер главного двигателя космического корабля "Шаттл" . Рекорд 2019 года — 19 рейсов. [33]
При запуске спутников Starlink 18 марта 2020 года на борту Falcon 9 произошла ранняя остановка двигателя при подъеме. Отключение произошло через 2 минуты 22 секунды после начала полета и сопровождалось «событием», которое было видно на камеру. Остальные двигатели Falcon 9 прогорели дольше и все-таки доставили полезную нагрузку на орбиту. Однако первая ступень не была успешно восстановлена. В ходе последующего расследования SpaceX обнаружила, что изопропиловый спирт , используемый в качестве чистящей жидкости, застрял и воспламенился, что привело к остановке двигателя. Чтобы решить эту проблему, при следующем запуске SpaceX указала, что процесс очистки не был выполнен. [34] [35] [36]
2 октября 2020 года запуск спутника GPS-III был прерван на Т-2 секунде из-за обнаруженного досрочного запуска 2 из 9 двигателей первой ступени. Двигатели были сняты для дальнейших испытаний, и было обнаружено, что порт газогенератора заблокирован. После устранения блокировки двигатели запустились как положено. После этого SpaceX проверила другие двигатели своего парка и обнаружила, что два двигателя ракеты Falcon 9, предназначенной для запуска Crew-1, также имели эту проблему. Эти двигатели были заменены новыми двигателями M1D. [37]
16 февраля 2021 года на борту самолета Falcon 9, рейс 108, запускавшего спутники Starlink , досрочно отключился двигатель из-за прохождения горячих выхлопных газов через поврежденный теплозащитный кожух. Миссия прошла успешно, но ракету-носитель вернуть не удалось. [38]
Вакуумная версия двигателя Merlin 1D была разработана для Falcon 9 v1.1 и второй ступени Falcon Heavy . [2] По состоянию на 2020 год тяга Merlin 1D Vacuum составляет 220 500 фунтов силы (981 кН) [39] с удельным импульсом 348 секунд, [40] это самый высокий удельный импульс за всю историю углеводородного ракетного двигателя США. [41] Увеличение связано с большей степенью расширения, обеспечиваемой работой в вакууме, которая теперь составляет 165:1 с использованием обновленного удлинителя сопла. [40] [42]
Двигатель может снизиться до 39% максимальной тяги, или 360 кН (81 000 фунтов силы). [42]
SpaceX CRS-18 имел комплект расширения миссии Falcon для стандартной второй ступени, который оснащал вторую ступень темной полосой (для термоконтроля), дополнительными COPV для контроля над давлением и дополнительной запальной жидкостью TEA-TEB . Модернизация обеспечила второй ступени запас хода, необходимый для вывода полезных нагрузок непосредственно на геостационарную или высокоэнергетическую орбиту, где второй ступени требуется несколько часов после запуска. [43] В зависимости от требований миссии это комплекты Medium Coast и Long Coast, т.е. в зависимости от количества баллонов с гелием для наддува, дополнительных батарей для питания и другого оборудования, обеспечивающего работу топливной и ступенчатой систем столько, сколько необходимо. . [44] [45]
Запуск миссии Transporter-7 представил новую конструкцию или вариант удлинения сопла MVac, направленный на увеличение частоты вращения педалей и снижение затрат. Это новое удлинение сопла короче и, как следствие, снижает как производительность, так и расход материала. Это сопло используется только в миссиях с низкой производительностью, так как с этим соплом двигатель MVac производит на 10% меньше тяги в космосе. Сопло уменьшает количество необходимого материала на 75%; это означает, что SpaceX может запустить в три раза больше миссий с тем же количеством редкого металлического ниобия , чем с более длинной конструкцией. [46] [44]
11 июля 2024 года рейс 354 самолета Falcon 9, запускавшего группу Starlink 9-3 с авиабазы Ванденбург в Калифорнии, столкнулся с аномалией в работе двигателя Merlin Vacuum (сокращенно MVAC) во время попытки перезапуска двигателя поднять перигей 22 спутников Starlink для развертывания. . На X Илон Маск и SpaceX подтвердили, что двигатель вышел из строя во время второй попытки повторного запуска, хотя таким образом, по-видимому, действительно была повреждена вторая ступень корабля, когда этап продолжал развертывать спутники на борту. [47]
SpaceX использует в компьютерах двигателя Merlin конструкцию с тройным резервированием. Система использует три компьютера в каждом процессорном блоке, каждый из которых постоянно проверяет работу других, чтобы создать экземпляр отказоустойчивой конструкции . Один процессорный блок входит в состав каждого из десяти двигателей Merlin (девять на первой ступени, один на второй ступени), используемых на ракете-носителе Falcon 9. [48]
Турбонасос Merlin LOX/RP-1, используемый в двигателях Merlin 1A–1C, был спроектирован и разработан компанией Barber-Nichols. [49] Он вращается со скоростью 36 000 оборотов в минуту и развивает мощность 10 000 лошадиных сил (7 500 кВт). [50]
Турбонасос LOX/RP-1 на каждом двигателе Merlin приводится в действие богатым топливом газогенератором открытого цикла, аналогичным тому, который использовался в двигателе Rocketdyne F-1 эпохи Аполлона . [51]
По состоянию на август 2011 года [обновлять]SpaceX производила восемь двигателей Merlin в месяц, планируя в конечном итоге увеличить производство примерно до 33 двигателей в месяц (или 400 в год). [2] К сентябрю 2013 года общая производственная площадь SpaceX увеличилась почти до 93 000 квадратных метров (1 миллион квадратных футов), а завод был настроен на достижение максимальной производительности до 40 ракетных ядер в год, что достаточно для использования Предыдущий план по производству двигателей предусматривал выпуск 400 двигателей в год. [52] К октябрю 2014 года SpaceX объявила, что изготовила 100-й двигатель Merlin 1D и что теперь двигатели производятся по четыре в неделю, а вскоре будут увеличены до пяти. [53] [54]
В феврале 2016 года SpaceX сообщила, что компании потребуется производить сотни двигателей в год, чтобы к концу 2016 года обеспечить темп сборки 30 ракетных ядер Falcon 9/Falcon Heavy в год. [55] [ нужно обновить ]
В каждой ракете-носителе Falcon 9 используются девять двигателей Merlin, а на второй ступени — один вакуумный двигатель Merlin. Вторая ступень расходуется, поэтому на каждый запуск расходуется один двигатель Merlin Vacuum. SpaceX спроектировала ракету-носитель с двигателями, которые можно было восстанавливать для повторного использования при посадке с использованием марша, и первая восстановленная ракета-носитель была повторно использована в марте 2017 года. К 2020 году только пять из 26 запущенных в том же году Falcon 9 использовали новые ускорители. К 2021 году только два из 31 запуска Falcon 9 использовали новые ускорители.
На конференции Американского института аэронавтики и астронавтики по совместным двигательным установкам 30 июля 2010 года директор центра разработки ракет SpaceX МакГрегор Том Маркусик поделился некоторой информацией о начальных этапах планирования нового двигателя. Двигатель Merlin 2 LOX /RP-1 компании SpaceX, работающий по газогенераторному циклу , способен развивать проектную тягу 7600 кН (1700000 фунтов силы) на уровне моря и 8500 кН (1920000 фунтов силы) в вакууме и обеспечит мощность для концептуальных проектов. сверхтяжелые ракеты-носители от SpaceX, которые Маркусик назвал Falcon X и Falcon XX . Такая возможность, если бы она была реализована, привела бы к созданию двигателя с большей тягой, чем у двигателей F-1, используемых на Сатурне V. [56]
Задуманный для потенциального использования на более мощных вариантах Falcon 9 Heavy, Маркусик отметил, что Merlin 2 «может быть квалифицирован через три года за 1 миллиард долларов». [57] В середине августа генеральный директор SpaceX Илон Маск пояснил, что, хотя архитектура двигателя Merlin 2 является ключевым элементом любых усилий, которые SpaceX предпримет для достижения своей цели по созданию ракет-носителей «сверхтяжелой грузоподъемности», и что SpaceX действительно хотела «движение к сверхтяжелому подъемнику» - конкретные потенциальные конструктивные конфигурации конкретных ракет-носителей, показанные Маркусиком на конференции по двигательным установкам, были просто концептуальными «идеями мозгового штурма», просто «набором идей для обсуждения». [58]
С момента первоначального обсуждения никакие работы над каким-либо двигателем Kerolox «Мерлин 2» не проводились и не публиковались. На конференции Joint Propulsion Conference 2011 года Илон Маск заявил, что вместо этого SpaceX работает над потенциальным двигателем с поэтапным циклом . [59] В октябре 2012 года SpaceX публично объявила о концептуальной работе над ракетным двигателем, который будет «в несколько раз мощнее двигателей серии Merlin 1 и не будет использовать топливо Merlin RP-1 ». [60] Они указали, что большой двигатель был предназначен для новой ракеты SpaceX, использование нескольких таких больших двигателей теоретически могло бы вывести на низкую околоземную орбиту массу полезной нагрузки порядка 150–200 тонн (170–220 коротких тонн ) . Предстоящий двигатель, который в настоящее время разрабатывается SpaceX, получил название « Raptor ». Raptor будет использовать жидкий метан в качестве топлива, и было заявлено, что его тяга на уровне моря составляет 6700 килоньютонов (1 500 000 фунтов силы). [61] С момента первоначального анонса Raptor Маск обновил спецификацию примерно до 230 тонн-сил (2300 кН; 510 000 фунтов-силы) — примерно одну треть от исходного опубликованного показателя — на основе результатов оптимизации соотношения тяги к весу. соотношение. [62]
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )Merlin 1D весит 1030 фунтов, включая гидроприводы рулевого управления (TVC). В вакууме его тяга составляет 162 500 фунтов. это почти 158 тяги/вес. Новый вариант с полной тягой весит столько же и развивает силу около 185 500 фунтов в вакууме.
первая ракета на жидком топливе частной разработки, успешно достигшая орбиты
(2007:) Мерлин имеет тягу на уровне моря 95 000 фунтов, вакуумную тягу более 108 000 фунтов, удельный импульс в вакууме 304 секунды и отношение тяги к весу на уровне моря 92. При создании этой тяги Мерлин потребляет 350 фунтов в секунду. топлива, а камера и сопло, охлаждаемые керосином со скоростью 100 фунтов в секунду, способны поглощать 10 МВт тепловой энергии. Планируемая в 2009 году модернизация турбонасоса улучшит тягу более чем на 20%, а соотношение тяги к массе примерно на 25%.
На втором этапе прошел до 11 000 км.— и это с коротенькой юбкой.[ постоянная мертвая ссылка ]
клапан корректировки топлива регулирует смесь в реальном времени. Устройство корректировки подачи топлива состоит из дроссельной заслонки, управляемой серводвигателем. Для достижения надлежащей скорости и крутящего момента в конструкции предусмотрен планетарный редуктор с передаточным числом примерно 151:1, внутренняя передача которого находится в агрегате. Вал двигателя напрямую соединяется с клапаном для точной регулировки. «Основное соотношение смеси определяется размером трубок, при этом небольшая часть потока каждой из них отсекается», — объясняет Фрефель. «Мы регулируем лишь часть всего потока топлива».
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )У нас есть компьютеры в Falcon 9, у нас есть три компьютера в одном блоке на каждом двигателе Falcon 9, так что это 30 компьютеров.
турбонасос на двигателе Мерлин работает при 36 000 об/мин, это 10 000 л.с.
Двигатель Merlin в настоящее время успешно летал в космос более 180 раз (из них 130 на Merlin 1D), надежно доставляя на сложные орбиты многочисленные полезные нагрузки для американских, правительственных и коммерческих заказчиков. Благодаря высокой технологичности конструкции двигателя SpaceX теперь производит 4 двигателя Merlin 1D в неделю, при этом текущие производственные мощности позволяют производить 5 двигателей в неделю, что намного больше, чем у любого другого частного производителя ракетных двигателей в мире.
{{cite news}}
: CS1 maint: статус URL ( ссылка ) (требуется подписка)Соотношение тяги к весу оптимизируется для достижения удивительно низкого уровня тяги, даже с учетом дополнительной массы трубопроводов и конструкции многих двигателей. Похоже, тяга на двигатель чуть больше 230 тонн (~500 фунт-сила), но их у нас будет много :)