Кіріспе

SpaceX Falcon зымырандарындағы зымыран қозғалтқыштары SpaceX компаниясымен әзірленген Merlin зымыран қозғалтқыштары – SpaceX компаниясының Falcon 1, Falcon 9 және Falcon Heavy зымырандарын ұшыру үшін жасалған зымыран қозғалтқыштарының отбасы. Merlin қозғалтқыштары RP-1 отыны мен сұйық оттегін газ генераторының қуат айналымы бойынша пайдаланады. Merlin қозғалтқышы бастапқыда теңізден қайта құрастыру және қайта пайдалану үшін жобаланған, бірақ 2016 жылдан бері Falcon 9 күшейткішінің барлық бөліктері тоғыз Merlin қозғалтқыштарының біреуін пайдаланып, қону алаңына тік қону арқылы қайта пайдалануға жұмсалады. Merlin қозғалтқышының негізгі бөлігі – инжектор, алғаш рет Apollo Lunar Module қону қозғалтқышында (LMDE) қолданылған. Отын бір білікпен жұмыс істейтін екі пернелі турбонасос арқылы беріледі. Турбонасос гидравликалық жетектілерге жоғары қысымды сұйықтықпен қамтамасыз етеді, содан кейін ол төмен қысымды кіріске қайта жіберіледі. Бұл жеке гидравликалық жетекті жүйесіне қажеттілікті жояды және гидравликалық сұйықтық таусылғандықтан бағытты басқарудың істен шығуы мүмкін емес екенін білдіреді.

Мерлин 1А

Алғашқы нұсқасы, Мерлин 1А, арзан, бір рет қолданылатын, абляциялық салқындату жүйесі бар көміртек талшығымен күшейтілген полимерлік композиттік соплоны пайдаланды және күш өндірді. Мерлин 1А екі рет қана ұшты: бірінші рет 2006 жылдың 24 наурызында, жанар майдың ағып кетуінен ұшырылғаннан кейін көп ұзамай өртеніп, сәтсіз аяқталды, ал екінші рет 2007 жылдың 21 наурызында, ол сәтті орындалды. Екі рет те Мерлин 1А Falcon 1 бірінші сатысына орнатылды. SpaceX турбосоры 2002 жылы Барбер Николс, Inc. компаниясымен шарт жасалып, жаңадан, бастапқы жоба ретінде жасалған. Барбер Николс барлық жобалау, инженерлік талдау және құрылыс жұмыстарын жүргізді; бұрын компания RS 88 (Бантам) және NASA Fastrac қозғалтқыштары бағдарламалары үшін турбосорымен жұмыс істеген. Мерлин 1А турбосоры ерекше фрикциялық дәнекерленген негізгі білікті пайдаланды, оның ұштары Инконел 718, ал ортасында интегралды алюминий RP 1 пернесі болды. Турбосор корпусы инвестициялық құймалар арқылы жасалды, турбина жағында Инконел, ортасында алюминий және LOX жағында 300 сериялы тот баспайтын болат қолданылды. Турбина ішінара қабылдау (яғни жұмыс сұйықтығы турбина айналымының тек бір бөлігі арқылы қабылданады; бүкіл шеңбер емес, доға) импульстік конструкциясы болды және 20,000 айналымға дейін айналды, жалпы салмағы .

Мерлин вакуумы (1С)

2009 жылдың 10 наурызында SpaceX компаниясының баспасөз хабарламасында Мерлин вакуумдық қозғалтқышының сәтті сынақтан өткені жарияланды. 1С қозғалтқышының түрі болып табылатын Мерлин Вакуум кеңірек газ шығару бөліміне және кеңістік вакуумында қозғалтқыштың тиімділігін арттыру үшін айтарлықтай үлкен кеңейту соқпағына ие. Оның жану камерасы регенеративті салқындату жүйесімен жабдықталған, ал 9 фут (3 м) болатын алғашқы өндірістік Мерлин вакуумдық қозғалтқышы 2010 жылдың 2 қаңтарында Falcon 9 екінші сатысының толық ұзақтықтағы орбитаға енгізу сынағын (329 секунд) сәтті өткізді. Ол 2010 жылдың 4 маусымында Falcon 9 ұшуының тұңғыш рет аспанға көтерілуі кезінде екінші сатыда қолданылды. 2009 жылдың 10 наурызына дейін, толық қуатта жұмыс істеген Мерлин вакуумдық қозғалтқышы американдық өндірістегі көмірсутек отынымен жұмыс істейтін ракеталық қозғалтқыштардың ең жоғары тиімділігіне ие болды. 2010 жылдың желтоқсан айында модификацияланған Мерлин вакуумдық қозғалтқышының жоспарланбаған сынағы жүргізілді. Falcon 9 ұшуының екінші рет аспанға көтерілуіне аз уақыт қалғанда, Мерлин вакуумдық қозғалтқышының 3 метрлік ниобий қорытпасынан жасалған соқпағында екі жарық анықталды. Инженерлік шешім бойынша, ұңғыдан алынған қосымша қуат миссия мақсаттарына жету үшін қажет болмағандықтан, соқпақтың төменгі 1,22 м бөлігі кесіліп, екі күннен кейін ұшырылды. Модификацияланған қозғалтқыш екінші сатыны сәтті орбитаға шығарды.

Мерлин 1D

Мерлин 1D қозғалтқышы SpaceX компаниясымен 2011 және 2012 жылдар аралығында әзірленді, алғашқы ұшуы 2013 жылы өтті. Жаңа қозғалтқыштың жобалау мақсаттары – сенімділікті арттыру, өнімділікті жақсарту және өндірістің тиімділігін көтеру болды. 2011 жылы қозғалтқыштың жоспарланған өнімділік көрсеткіштері: вакуумдағы итермелеу, вакуумдық специфификалық импульс (Isp), 16-ға тең кеңейту коэффициенті (алдыңғы Merlin 1C-нің 14,5-інен өзгеше) және Merlin 1D-нің ең тиімді саналатын камералық қысымы. Алғашқы жобада қозғалтқыш максималды итермелеудің 100% және 70% аралығында жұмыс істеуге арналған еді; алайда, 2013 жылдан бергі жақсартулар қозғалтқыштың 40%-ға дейін итермелеуге мүмкіндік берді. Негізгі отын/тотықтырғыш қоспасының арақатынасы әрбір қозғалтқышқа берілетін жанармай құбырларының мөлшерімен реттеледі, ал қоспа арақатынасын дәл бақылау үшін «сервомотормен басқарылатын көбелек клапан» арқылы ағынның шағын бөлігі түзетіледі. 2013 жылдың 24 қарашасында Илон Маск қозғалтқыш өзінің әлеуетінің 85%-ында жұмыс істеп жатқанын, сондай-ақ теңіз деңгейіндегі итермелеуді шамамен және салмаққа қатысты итермелеу коэффициентін 180-ге дейін арттыруға мүмкіндік бар екенін мәлімдеді. Merlin 1D-дің осы нұсқасы Falcon 9 Full Thrust ұшу аппаратында қолданылды және алғаш рет 20-шы рейсте сынақтан өтті. 2016 жылдың мамыр айында SpaceX Merlin 1D-ді вакуумдық және теңіз деңгейіндегі итермелеуді арттыру арқылы жаңарту жоспарларын жариялады. SpaceX компаниясының мәліметінше, қосымша итермелеу Falcon 9 LEO-ның (Жер төңірегіндегі төмен орбита) жүк көтеру қабілетін толықтай пайдаланылатын миссияда шамамен 22 тоннаға дейін арттырады. SpaceX сондай-ақ Falcon 9 ұшу аппаратының бұрынғы Full Thrust нұсқасынан айырмашылығы, өнімділіктің артуы жаңартылған қозғалтқыштардың есебінен ғана екенін, ал ұшу аппаратына басқа маңызды өзгерістер енгізілмейтінін атап өтті. 2018 жылдың мамыр айында Falcon 9 Block 5 ұшу аппаратының алғашқы рейсі алдында SpaceX бұл мақсатқа қол жеткізілгенін хабарлады. Merlin 1D қазір Сатурн I, Сатурн IB және Delta II ғарыш кемелерінде қолданылған Rocketdyne H 1 / RS 27 қозғалтқыштарының теңіз деңгейіндегі итермелеуіне жақын. 2024 жылдың 23 ақпанында осы ұшырылымға қуат берген тоғыз Merlin қозғалтқыштарының бірі 22-ші миссиясын орындады, ол сол кездегі жетекші ұшу қозғалтқышы болып есептелді. Қазірдің өзінде бұл қозғалтқыш ғарыш тарихындағы ең көп ұшқан қозғалтқыш болып табылады, бұрынғы рекордты Space Shuttle Main Engine No. 2019-дың 19 ұшуынан асып түсті.

Аномалиялар

2020 жылдың 18 наурызында "Falcon 9" зымыранымен Starlink спутниктерін ұшыру кезінде қозғалтқыш ерте өшті. Ұшудың 2 минуты 22 секундінен кейін оқиға орын алды. Қалған "Falcon 9" қозғалтқыштары ұзақ жұмыс істеді және жүк орбитаға жеткізілді. Бірақ, бірінші саты сәтті қалпына келтірілмеді. SpaceX жүргізген келесі тергеуде тазалау сұйықтығы ретінде қолданылатын изопропил спиртінің ішке қысылып, тұтанғаны және қозғалтқышты өшіргені анықталды. Мәселені шешу үшін SpaceX келесі ұшыруда тазалау процедурасы жүргізілмегенін мәлімдеді. 2020 жылдың 2 қазанында GPS III спутнигін ұшыру T 2 секундта тоқтатылды, себебі бірінші сатыдағы 9 қозғалтқыштың 2-сі ерте іске қосылды. Қозғалтқыштар қосымша тексеру үшін алынып, газ генераторы портының бітелгені анықталды. Бітелуді жойғаннан кейін қозғалтқыштар қалыпты жұмыс істеді. Осыдан кейін SpaceX өзінің барлық қозғалтқыштарын тексерді және "Crew 1" ұшыруға дайындалған "Falcon 9" зымыранының екі қозғалтқышында да осы мәселе болғанын анықтады. Бұл қозғалтқыштар жаңа M1D үлгілерімен ауыстырылды. 2021 жылдың 16 ақпанында "Falcon 9" 108 рейсінде Starlink спутниктерін ұшыру кезінде қозғалтқыш, зақымдалған жылу қалқанынан ыстық газдар өтуі салдарынан ерте өшті. Миссия сәтті аяқталды, бірақ күшейткішті қайтару мүмкін болмады.

Мерлин 1D вакуум

Мерлин 1D қозғалтқышының вакуумдық нұсқасы Falcon 9 v1.1 және Falcon Heavy екінші сатысы үшін жасалды. 2020 жылғы мәліметтер бойынша, Мерлин 1D Вакуумның итерме күші 348 секундтық ерекше импульспен, АҚШ-тың көмірсутекті зымыран қозғалтқыштары арасындағы ең жоғары көрсеткіш. Бұл арту вакуумда жұмыс істеуге байланысты кеңейту қатынасының ұлғаюының нәтижесінде мүмкін болды, қазіргі кезде жаңартылған соқпақ ұзарту арқылы 165:1 құрайды. Қозғалтқыш максималды итерме күшінің 39%-ына дейін төмендеуге қабілетті, немесе миссия талаптарына сәйкес, Орташа және Ұзақ қашықтыққа арналған жиынтықтар қолданылады, яғни қысымды сақтау үшін гелий баллондарының саны, қуат беру үшін қосымша аккумуляторлар және отын мен саты жүйелерінің қажеттілікке дейін жұмыс істеуін қамтамасыз ететін басқа да жабдықтар орнатылады. Transporter 7 миссиясының ұшырылысы кезінде MVac соқпақ ұзартуының жаңа дизайны немесе нұсқасы пайда болды, ол ұшу жиілігін арттыруға және шығындарды төмендетуге бағытталған. Бұл жаңа соқпақ ұзартуы қысқарақ, нәтижесінде өнімділік және материалды қолдану азаяды. Бұл соқпақ төмен өнімділік миссияларында ғана қолданылады, себебі осы соқпақпен MVac қозғалтқышы ғарышта 10%-ға аз итерме күші береді. Соқпақ қолданылатын материал мөлшерін 75%-ға азайтады, бұл SpaceX ұзын конструкциямен бірдей сирек ниобий металлынан үш есе көп миссияны іске қоса алады дегенді білдіреді.

Турбоқасымы

Merlin LOX/RP 1 турбоқасымы 1A–1C Merlin қозғалтқыштарында қолданылды. Оны Barber Nichols жобалап және әзірледі. Ол минутына 36 000 айналыммен жұмыс істейді.

Газ генераторы

Әрбір Мерлин қозғалтқышындағы LOX/RP 1 турбосорабы Аполлон дәуіріндегі Rocketdyne F 1 қозғалтқышында қолданылған сияқты отынға толы ашық циклды газ генераторымен жұмыс істейді.

Өндіріс

2011 жылы SpaceX Мерлин қозғалтқыштарын айына сегіз данадан өндірді, ал өндірісті айына шамамен 33 қозғалтқышқа дейін (немесе жылына 400) жеткізуді жоспарлады. 2014 жылдың қазанында SpaceX 100-ші Мерлин 1D қозғалтқышын жасағанын және қазір қозғалтқыштар аптасына төрттен шығарылып жатқанын, жақын арада бес данаға дейін көтерілетінін хабарлады. 2016 жылдың ақпан айында SpaceX компаниясы 2016 жылдың соңына дейін Falcon 9/Falcon Heavy құрастыру қарқынын жылына 30 зымыран корпусына дейін ұстап тұру үшін жылына жүздеген қозғалтқыш жасау қажеттігін мәлімдеді. Әрбір Falcon 9 күшейткіші тоғыз Merlin қозғалтқышын пайдаланады, ал екінші сатыда бір Merlin вакуумдық қозғалтқышы қолданылады. Екінші саты жойылғандықтан, әрбір ұшырылым бір Merlin вакуумдық қозғалтқышын керек етеді. SpaceX күшейткіштерін және олардың қозғалтқыштарын қайта пайдалану үшін қалпына келтіріп, итермелі қондыру арқылы қолдануға мүмкіндік берді, ал алғашқы қалпына келтірілген күшейткіш 2017 жылдың наурыз айында қайта пайдаланылды. 2020 жылы сол жылы ұшырылған 26 Falcon 9 зымыранының тек бесеуінде ғана жаңа күшейткіштер қолданылды. 2021 жылға қарай 31 Falcon 9 ұшырылымының тек екеуінде ғана жаңа күшейткіштер қолданылды.

Мерлин-2 тұжырымдамасы

2010 жылдың 30 шілдесінде Американың Аэронавтика және Астронавтика институтының бірлескен қозғалтқыш конференциясында SpaceX McGregor зымыранды дамыту орталығының директоры Том Маркусик жаңа қозғалтқышты жоспарлаудың алғашқы кезеңдерінен алынған бірқатар ақпараттармен бөлісті. SpaceX-тің Merlin 2 LOX/RP 1 отынымен жұмыс істейтін, газ генераторлық циклдағы қозғалтқышы, теңіз деңгейінде және вакуумде сәйкесінше итеру күшіне ие болып, SpaceX-тің концептуалды супер ауыр жүк көтеруге арналған ұшыру аппараттарына қуат беретін еді, Маркусик оларды Falcon X және Falcon XX деп атады. Егер осы мүмкіндік іске асырылса, онда Сатурн V зымыранында қолданылған F 1 қозғалтқыштарынан гөрі күштірек қозғалтқыш жасалатын еді. Маркусик Merlin 2 қозғалтқышын "үш жылдың ішінде 1 миллиард долларға сертификаттауға болады" деп мәлімдеді. Тамыздың ортасында SpaceX компаниясының бас директоры Илон Маск, Merlin 2 қозғалтқышының архитектурасы SpaceX-тің "супер ауыр жүк" ұшыру аппараттарын құруға бағытталған барлық жұмыстардың кілтті элементі екенін, сондай-ақ SpaceX компаниясы осы мақсатқа жетуге мүдделі екенін түсіндірді. Маркусик қозғалтқыш конференциясында көрсеткен ұшыру аппараттарының нақты дизайны тек "жаңа идеяларды талқылау мақсатындағы ойлар" екенін, жай ғана "талқылауға арналған бірқатар идеялар" екенін айтты. Бастапқы талқылаудан кейін "Merlin 2" керолокс қозғалтқышы бойынша ешқандай жұмыс жүргізілмеді және жарияланбады. 2011 жылғы бірлескен қозғалтқыш конференциясында Илон Маск SpaceX компаниясының кезеңдік циклды қозғалтқышқа жұмыс істеп жатқанын мәлімдеді. 2012 жылдың қазан айында SpaceX "Merlin 1 сериялы қозғалтқыштардан бірнеше есе қуаттырақ және Merlin-нің RP 1 отынын пайдаланбайтын" зымыран қозғалтқышының концепциялық жобасы бойынша жұмыстар жүргізіліп жатқанын жариялады. Олар бұл үлкен қозғалтқыштың SpaceX-тің жаңа зымыраны үшін арналғанын, ал осы үлкен қозғалтқыштардың бірнешеуін пайдалану арқылы Жердің төменгі орбитасына шамамен жүк массасын шығаруға болатынын көрсетті. Қазіргі уақытта SpaceX компаниясы дамытып жатқан жаңа қозғалтқыш "Raptor" деп аталды. Raptor сұйық метанды отын ретінде пайдаланады және теңіз деңгейінде итеру күші бар деп хабарланды. Raptor туралы алғашқы жарияланғаннан бері Маск, итеру күші мен салмақ арақатынасын оңтайландыру нәтижелеріне сүйене отырып, техникалық сипаттамаларды жаңартты, ол бастапқы жарияланған көрсеткіштің шамамен үштен бір бөлігіне дейін төмендетілді.