Merlin es una familia de motores de cohetes desarrollados por SpaceX . Actualmente forman parte de los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy , y anteriormente se usaban en el Falcon 1. Los motores Merlin utilizan RP-1 y oxígeno líquido como propulsores de cohetes en un ciclo de potencia 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 al aterrizar verticalmente en una plataforma de aterrizaje utilizando uno de sus nueve motores Merlin.
El inyector en el corazón del Merlin es del tipo de 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 doble impulsor y un solo eje . La turbobomba también proporciona fluido de alta presión para los actuadores hidráulicos, que luego se recicla en la entrada de baja presión. Esto elimina la necesidad de un sistema de accionamiento hidráulico separado y significa que no es posible que falle el control de vectorización de empuje por quedarse sin fluido hidráulico .
La versión inicial, el Merlin 1A , utilizaba una boquilla de polímero reforzado con fibra de carbono, barata, descartable y refrigerada 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, [5] [6] y la segunda vez el 21 de marzo de 2007, cuando funcionó con éxito. [7] En ambas ocasiones, el Merlin 1A estaba montado en una primera etapa de Falcon 1. [8] [9]
La turbobomba SpaceX fue un diseño completamente nuevo, desde cero, contratado a Barber-Nichols, Inc. en 2002, que realizó todo el diseño, el análisis de ingeniería y la 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 RP-1 de aluminio integral en el medio. La carcasa de la turbobomba se construyó utilizando fundiciones 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 era 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 lb). [ cita requerida ]
El motor cohete Merlin 1B era una versión mejorada del motor Merlin 1A. Las mejoras de la turbobomba estuvieron a cargo de 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 a nivel del mar y 420 kN (95 000 lbf) en el vacío, y de funcionar con un impulso específico de 261 s (2,56 km/s) a nivel del mar y 303 s (2,97 km/s) en el vacío.
El Merlin 1B fue mejorado con respecto al 1A con una actualización de la turbina , aumentando la potencia de salida de 1500 kW (2000 hp) a 1900 kW (2500 hp). [11] La actualización de la turbina se logró agregando boquillas adicionales, convirtiendo el diseño anterior de admisión parcial en admisión total. Los impulsores ligeramente agrandados tanto para RP-1 como para LOX fueron parte de la actualización. Este modelo giraba a 22 000 rpm más rápido y desarrollaba 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 al encendido TEA - TEB ( pirofórico ) en lugar del encendido con soplete. [11]
El Merlin 1B se iba a utilizar inicialmente 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 el desarrollo del Merlin al Merlin 1C, que se refrigera de forma regenerativa. Por lo tanto, el Merlin 1B nunca se utilizó en un vehículo de lanzamiento. [8] [9]
Se produjeron tres versiones del motor Merlin 1C . El motor Merlin para el 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 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 regular entre el 60% y el 100%. [13]
El Merlin 1C utiliza una tobera y una cámara de combustión refrigeradas regenerativamente . La turbobomba utilizada es un modelo Merlin 1B con solo ligeras modificaciones. Fue encendido con un tiempo de funcionamiento 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 en alcanzar la órbita con éxito", Falcon 1 Flight 4 , en septiembre de 2008, [15] y propulsó al Falcon 9 en su vuelo inaugural en junio de 2010. [16]
Tal como estaba configurado para su uso en los vehículos Falcon 1, el Merlin 1C tenía un empuje a 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. Se han realizado pruebas con un solo motor Merlin 1C funcionando con éxito un total de 27 minutos (contando en conjunto la duración de las diversas pruebas), lo que equivale a diez vuelos completos del Falcon 1. [17] La cámara y la boquilla del Merlin 1C se enfrían de forma regenerativa con 45 kg (100 lb) por segundo de flujo de queroseno y pueden absorber 10 MW (13.000 hp) de energía térmica . [18]
El Merlin 1C fue utilizado por primera vez como parte del tercer intento fallido de lanzar un Falcon 1. Al hablar del fracaso, Elon Musk señaló: "El vuelo de nuestra primera etapa, con el nuevo motor Merlin 1C que se utilizará en el Falcon 9, fue perfecto". [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 n.º 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 la máxima presión aerodinámica (Q máxima). La revisión interna de SpaceX descubrió 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 vídeo; el motor no explotó, ya que el control terrestre 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 logró alcanzar su órbita objetivo debido a los protocolos de seguridad establecidos para evitar colisiones con la ISS. Estos protocolos evitaron un segundo encendido de la etapa superior para la carga útil secundaria. [22]
SpaceX estaba planeando desarrollar una versión de 560 kN (130.000 lbf) del Merlin 1C para ser utilizada en los cohetes Falcon 9 Block II y Falcon 1E. [23] Este motor y estos modelos de cohetes fueron descartados en favor del motor Merlin 1D más avanzado y el cohete Falcon 9 v1.1 más largo.
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El 10 de marzo de 2009, un comunicado de prensa de SpaceX anunció el éxito de las pruebas 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 está refrigerada de forma regenerativa , mientras que la boquilla de expansión de aleación de niobio de 2,7 metros de largo (9 pies) [24] [13] está refrigerada 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 de vacío Merlin de producción se sometió a un encendido de inserción orbital de duración completa (329 segundos) de la segunda etapa integrada del Falcon 9 el 2 de enero de 2010. [26] Fue volado en la segunda etapa para el vuelo inaugural del Falcon 9 el 4 de junio de 2010. A plena potencia y a partir del 10 de marzo de 2009, el motor de vacío Merlin funciona con la mayor eficiencia de cualquier motor de cohete alimentado con hidrocarburos de fabricación estadounidense. [27]
En diciembre de 2010 se realizó una prueba no planificada de un motor de vacío Merlin modificado. Poco antes del segundo vuelo programado del Falcon 9 , se descubrieron dos grietas en la boquilla de aleación de niobio de 2,7 metros de largo (9 pies) del motor de vacío Merlin. 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 de 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 mi) de altitud. [24]
El motor Merlin 1D fue desarrollado por SpaceX entre 2011 y 2012, con su primer vuelo en 2013. Los objetivos de diseño para el nuevo motor incluían una mayor confiabilidad, un mejor rendimiento y una mejor capacidad de fabricación. [28] 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), una relación de expansión de 16 (en comparación con los 14,5 anteriores del Merlin 1C) y una presión de cámara en el "punto óptimo" de 9,7 MPa (1.410 psi). El Merlin 1D fue diseñado originalmente para acelerar entre el 100% y el 70% del empuje máximo; sin embargo, posteriores mejoras desde 2013 ahora permiten que el motor acelere hasta el 40%. [29]
La relación básica de la mezcla de combustible/oxidante del Merlin está controlada por el tamaño de los tubos de suministro de propulsor a cada motor, y solo una pequeña cantidad del flujo total es recortada por una " válvula de mariposa controlada por servomotor " para proporcionar un control preciso de la relación de la mezcla. [30]
El 24 de noviembre de 2013, Elon Musk declaró que el motor estaba realmente funcionando al 85% de su potencial, y esperaban poder aumentar el empuje a nivel del mar a aproximadamente 730 kN (165.000 lbf) y una relación empuje-peso de 180. [31] Esta versión del Merlin 1D se utilizó 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 en 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 totalmente 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 alcanzado el objetivo de 845 kN (190 000 lbf). [32] El Merlin 1D ahora está cerca del empuje a nivel del mar de los motores Rocketdyne H-1 / RS-27 retirados utilizados en Saturno I , Saturno IB y Delta II .
El 23 de febrero de 2024, uno de los nueve motores Merlin que impulsaron ese lanzamiento realizó su 22.ª misión, siendo en ese momento el motor líder del vuelo. Ya es el motor de cohete que más ha volado hasta la fecha, superando el récord de 19 vuelos del motor principal del transbordador espacial n.° 2019. [33]
El 18 de marzo de 2020, durante el lanzamiento de los satélites Starlink a bordo de un Falcon 9, se produjo un apagado prematuro del motor durante el ascenso. El apagado 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 del Falcon 9 funcionaron durante 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 abordar el problema, en un lanzamiento posterior, SpaceX indicó que el proceso de limpieza no se había realizado. [34] [35] [36]
El 2 de octubre de 2020, el lanzamiento de un satélite GPS-III se abortó en T-2 segundos debido a un arranque prematuro detectado en 2 de los 9 motores de la primera etapa. Los motores se retiraron para realizar más pruebas y se descubrió que un puerto en el generador de gas estaba bloqueado. Después de eliminar el bloqueo, los motores arrancaron como estaba previsto. Después de esto, SpaceX inspeccionó otros motores de su flota y descubrió que dos de los motores del cohete Falcon 9 destinados al lanzamiento de Crew-1 también tenían este problema. Esos motores fueron reemplazados por nuevos motores M1D. [37]
El 16 de febrero de 2021, durante el vuelo 108 del Falcon 9, que estaba lanzando 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 cohete. [38]
Se desarrolló una versión de vacío del motor Merlin 1D para el Falcon 9 v1.1 y la segunda etapa del Falcon Heavy . [2] A partir de 2020, el empuje del Merlin 1D Vacuum es de 220,500 lbf (981 kN) [39] con un impulso específico de 348 segundos, [40] el impulso específico más alto jamás logrado por un motor de cohete de hidrocarburos estadounidense. [41] El aumento se debe a la mayor relación de expansión que ofrece el funcionamiento en vacío, ahora 165:1 utilizando una extensión de boquilla actualizada. [40] [42]
El motor puede reducir la velocidad hasta el 39% de su empuje máximo, o 360 kN (81.000 lbf). [42]
El lanzamiento de la misión Transporter-7 estrenó un nuevo diseño o variante de extensión de boquilla del motor de vacío Merlin (MVac, por sus siglas en inglés) destinado a aumentar la cadencia y reducir los costos. Esta nueva extensión de boquilla es más corta y, como resultado, disminuye tanto el rendimiento como el uso de material. Esta boquilla solo se usa 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 más de tres veces más misiones con la misma cantidad de metal raro de niobio que con el diseño más largo. [43] [44]
El 11 de julio de 2024, el vuelo 354 del Falcon 9 que lanzaba el grupo 9-3 de Starlink desde la base de la Fuerza Aérea Vandenberg en California experimentó una anomalía con su MVac durante un intento de reencendido del motor para elevar el perigeo de los 22 satélites Starlink para su despliegue. En X, Elon Musk y SpaceX confirmaron que el motor falló de manera explosiva durante un segundo intento de reencendido, aunque de una manera que no pareció dañar la segunda etapa del vehículo mientras la etapa continuaba desplegando los satélites a bordo. [45]
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 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. [46]
La turbobomba Merlin LOX/RP-1 utilizada en los motores Merlin 1A–1C fue diseñada y desarrollada por Barber-Nichols. [47] Gira a 36.000 revoluciones por minuto y genera 10.000 caballos de fuerza (7.500 kW). [48]
La turbobomba LOX/RP-1 de cada motor Merlin está alimentada por un generador de gas de ciclo abierto rico en combustible similar al utilizado en el motor Rocketdyne F-1 de la era Apolo. [49]
En agosto de 2011 [actualizar], SpaceX estaba produciendo motores Merlin a un ritmo de ocho por mes, planeando eventualmente aumentar la producción a unos 33 motores por mes (o 400 por año). [2] Para 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 había sido configurada para alcanzar una tasa máxima de producción de hasta 40 núcleos de cohetes por año, suficiente para usar los 400 motores anuales previstos por el plan de motores anterior. [50] Para octubre de 2014, SpaceX anunció que había fabricado el motor Merlin 1D número 100 y que los motores ahora se estaban produciendo a un ritmo de cuatro por semana, que pronto se incrementaría a cinco. [51] [52]
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 por año para el Falcon 9/Falcon Heavy para fines de 2016. [53] [ necesita actualización ]
Cada cohete Falcon 9 utiliza nueve motores Merlin, y la segunda etapa utiliza un motor de vacío Merlin. La segunda etapa está agotada, por lo que cada lanzamiento consume un motor de vacío Merlin. SpaceX diseñó el cohete con sus motores para que se recuperaran para su reutilización mediante un aterrizaje propulsivo, y el primer cohete recuperado se reutilizó en marzo de 2017. En 2020, solo cinco de los 26 Falcon 9 lanzados ese año utilizaron nuevos cohetes. En 2021, solo dos de los 31 lanzamientos de Falcon 9 utilizaron nuevos cohetes.
En la conferencia Joint Propulsion del American Institute of Aeronautics and Astronautics del 30 de julio de 2010, el director de la instalación de desarrollo de cohetes McGregor de SpaceX, Tom Markusic, compartió algo de información de las etapas iniciales de planificación de un nuevo motor. El motor Merlin 2 LOX /RP-1 de SpaceX en un ciclo de generador de gas , capaz de un empuje proyectado de 7600 kN (1 700 000 lbf) a nivel del mar y 8500 kN (1 920 000 lbf) en el vacío, proporcionaría la energía para los vehículos de lanzamiento de carga superpesada conceptuales de SpaceX, que Markusic denominó Falcon X y Falcon XX . Tal capacidad, de haberse construido, habría dado como resultado un motor con más empuje que los motores F-1 utilizados en el Saturno V. [ 54]
Concebido para ser potencialmente utilizado en variantes más capaces del Falcon 9 Heavy, Markusic indicó que el Merlin 2 "podría calificarse en tres años para un precio de 1.000 millones de dólares". [55] 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 hiciera para alcanzar su objetivo de vehículos de lanzamiento de "carga superpesada" (y que SpaceX de hecho quería "avanzar hacia la carga superpesada"), las configuraciones de diseño potenciales específicas de los vehículos de lanzamiento particulares mostrados por Markusic en la conferencia de propulsión eran simplemente "ideas de lluvia de ideas" conceptuales, solo un "montón de ideas para debatir". [56]
Desde la discusión original, no se ha realizado ningún trabajo sobre ningún motor de kerolox "Merlin 2" ni se ha hecho público. En la Conferencia de Propulsión Conjunta de 2011, Elon Musk declaró que SpaceX estaba trabajando en su lugar en un posible motor de ciclo por etapas . [57] En octubre de 2012, SpaceX anunció públicamente el trabajo conceptual sobre un motor de cohete que sería "varias veces más potente que la serie de motores Merlin 1, y no utilizará el combustible RP-1 de Merlin ". [58] Indicaron que el gran motor estaba destinado a un nuevo cohete de SpaceX, utilizando varios de estos grandes motores que podrían lanzar teóricamente masas de carga útil del orden de 150 a 200 toneladas (170 a 220 toneladas cortas ) a la órbita baja de la Tierra . El próximo motor que actualmente está desarrollando SpaceX se ha denominado " Raptor ". Raptor utilizará metano líquido como combustible y se ha afirmado que tendrá un empuje a nivel del mar de 6.700 kilonewtons (1.500.000 lbf). [59] Desde el anuncio inicial de Raptor, Musk ha actualizado la especificación a aproximadamente 230 toneladas-fuerza (2.300 kN; 510.000 lbf), aproximadamente un tercio de la cifra publicada originalmente, basándose en los resultados de la optimización de la relación empuje-peso. [60]
{{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )El Merlin 1D pesa 1030 libras, incluidos los actuadores de dirección hidráulica (TVC). Produce 162,500 libras de empuje en el vacío, es decir, casi 158 de empuje/peso. La nueva variante de empuje completo pesa lo mismo y produce alrededor de 185,500 libras de fuerza en el vacío.
el primer cohete de combustible líquido desarrollado de forma privada en alcanzar la órbita con éxito
(2007:) Merlin tiene un empuje a nivel del mar de 95.000 libras, un empuje de vacío de más de 108.000 libras, un impulso específico de vacío de 304 segundos y una relación empuje a nivel del mar a peso de 92. Para generar este empuje, Merlin consume 350 libras/segundo de propulsor y la cámara y la boquilla, enfriadas por 100 libras/seg de queroseno, son capaces de absorber 10 MW de energía térmica. Una actualización de la bomba turbo planificada en 2009 mejorará el empuje en más del 20% y la relación empuje a peso en aproximadamente un 25%.
La segunda etapa alcanzó los 11.000 km, y eso con el faldón corto.[ enlace muerto permanente ]
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, con engranajes internos en la unidad. El eje del motor interactúa directamente con la válvula para realizar ajustes precisos. "La relación de mezcla básica está dada por el tamaño de los tubos, y se recorta una pequeña cantidad del flujo de cada uno", explica Frefel. "Solo ajustamos una fracción de todo el flujo de combustible".
{{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )Tenemos computadoras en el Falcon 9, tenemos tres computadoras en una unidad en cada motor del Falcon 9, así que son 30 computadoras.
La turbobomba del motor Merlin funciona a 36.000 rpm, tiene 10.000 CV.
El motor Merlin ya ha volado con éxito al espacio más de 180 veces (130 de ellas en el Merlin 1D), entregando de manera confiable múltiples cargas útiles para clientes estadounidenses, gubernamentales y comerciales en órbitas complejas. Debido al diseño altamente fabricable del motor, SpaceX ahora está produciendo 4 motores Merlin 1D por semana, con una capacidad de producción actual para producir 5 motores por semana, mucho más que cualquier otro productor privado de motores para cohetes en el mundo.
La relación empuje-peso se está optimizando para un nivel de empuje sorprendentemente bajo, incluso teniendo en cuenta la masa adicional de tuberías y estructura de muchos motores. Parece un poco más de 230 toneladas métricas (~500 klbf) de empuje por motor, pero tendremos muchas :)
