Введение

Ракетные двигатели в ракетах-носителях SpaceX Falcon – это линейка ракетных двигателей, разработанная SpaceX. Merlin – это семейство ракетных двигателей, разработанных SpaceX для использования в ракетах-носителях Falcon 1, Falcon 9 и Falcon Heavy. Двигатели Merlin используют RP-1 и жидкий кислород в качестве ракетного топлива в газогенераторном цикле. Изначально двигатель Merlin был разработан для морского восстановления и повторного использования, но с 2016 года вся первая ступень Falcon 9 восстанавливается для повторного использования путем вертикальной посадки на посадочную площадку, используя один из девяти двигателей Merlin. Инжектор в конструкции Merlin – это пинтельный инжектор, впервые примененный в двигателе посадки лунного модуля Apollo (LMDE). Топливо подается с помощью турбонасоса с одним валом и двумя рабочими колесами. Турбонасос также обеспечивает жидкость высокого давления для гидравлических приводов, которая затем возвращается во впуск низкого давления. Это устраняет необходимость в отдельной гидравлической системе привода и исключает возможность отказа системы управления вектором тяги из-за нехватки гидравлической жидкости.

Мерлин 1А

Первоначальная версия, Merlin 1A, использовала недорогую, одноразовую, абляционно охлаждаемую сопло из полимерного композита, армированного углеродным волокном, и создавала тягу . Merlin 1A совершил всего два полёта: первый – 24 марта 2006 года, когда он загорелся и вышел из строя из-за утечки топлива вскоре после старта, и второй – 21 марта 2007 года, когда он выполнил полёт успешно. В обоих случаях Merlin 1A был установлен на первой ступени Falcon 1. Турбонасос SpaceX был полностью новой разработкой, созданной с нуля, контракт на которую был заключен с Barber Nichols, Inc. в 2002 году, которая выполняла всё проектирование, инженерный анализ и строительство; ранее компания работала над турбонасосами для программ двигателей RS 88 (Bantam) и NASA Fastrac. Турбонасос Merlin 1A использовал уникальный главный вал, соединенный трением, с концами из Inconel 718 и интегральным алюминиевым рабочим колесом RP 1 в середине. Корпус турбонасоса был изготовлен методом литья по выплавляемым моделям, с Inconel на торце турбины, алюминием в центре и нержавеющей сталью серии 300 на торце LOX. Турбина имела конструкцию с частичным подводом (то есть рабочая жидкость подается только в часть окружности турбины; в виде дуги, а не по всей окружности) импульсного типа и вращалась со скоростью до 20 000 об/мин, при общем весе .

Мерлин вакуум (1С)

10 марта 2009 года SpaceX опубликовала пресс-релиз об успешном испытании двигателя Merlin Vacuum. Являясь вариантом двигателя 1C, Merlin Vacuum отличается увеличенной выхлопной секцией и значительно расширенным соплом для максимальной эффективности работы в космическом вакууме. Камера сгорания двигателя имеет регенеративное охлаждение. 2 января 2010 года первый серийный двигатель Merlin Vacuum (длиной 9 футов или 3 метра) успешно провёл полномасштабное испытание, имитирующее включение на орбите (продолжительностью 329 секунд), на интегрированной второй ступени ракеты Falcon 9. Он был использован на второй ступени во время первого полёта Falcon 9, состоявшегося 4 июня 2010 года. На полную мощность и по состоянию на 10 марта 2009 года, двигатель Merlin Vacuum демонстрировал наивысшую эффективность среди американских ракетных двигателей, работающих на углеводородном топливе. В декабре 2010 года было проведено внеплановое испытание модифицированного двигателя Merlin Vacuum. Незадолго до запланированного второго запуска Falcon 9 в сопле двигателя Merlin Vacuum из ниобиевого сплава (длиной 3 метра) были обнаружены две трещины. Инженерным решением стало укорочение сопла на 1,22 метра и запуск через два дня, поскольку дополнительная тяга, которую обеспечило бы более длинное сопло, не требовалась для выполнения задач миссии. Модифицированный двигатель успешно вывел вторую ступень на орбиту заданной высоты.

Мерлин 1Д

Двигатель Merlin 1D был разработан SpaceX в период с 2011 по 2012 год, с первым полетом в 2013 году. Цели проектирования нового двигателя включали повышение надежности, улучшение характеристик и технологичности производства. В 2011 году целевыми показателями для двигателя были вакуумная тяга , удельный импульс в вакууме (Isp) , степень расширения 16 (в отличие от предыдущей 14,5 у Merlin 1C) и давление в камере, соответствующее оптимальному режиму работы. Изначально Merlin 1D был спроектирован для регулирования тяги в диапазоне от 100% до 70% от максимальной; однако, дальнейшие усовершенствования, внесенные после 2013 года, теперь позволяют регулировать тягу до 40%. Базовое соотношение топлива и окислителя в Merlin контролируется размерами топливных магистралей к каждому двигателю, при этом лишь небольшая часть общего потока корректируется с помощью "сервопривода с дроссельной заслонкой" для точного управления соотношением смеси. 24 ноября 2013 года Илон Маск заявил, что двигатель фактически работает на 85% от своего потенциала, и они рассчитывали увеличить тягу на уровне моря примерно до и отношение тяги к весу. Эта версия Merlin 1D использовалась на Falcon 9 Full Thrust и впервые была применена на полете 20. В мае 2016 года SpaceX объявила о планах дальнейшей модернизации Merlin 1D путем увеличения вакуумной тяги до и тяги на уровне моря до ; по словам SpaceX, дополнительная тяга увеличит полезную нагрузку Falcon 9 на низкой околоземной орбите (LEO) примерно до 22 метрических тонн в полностью невозвратной миссии. SpaceX также отметила, что, в отличие от предыдущей версии Falcon 9 Full Thrust, повышение характеристик обусловлено исключительно модернизацией двигателей, и другие существенные изменения конструкции ракеты-носителя в настоящее время не планируются. В мае 2018 года, перед первым полетом Falcon 9 Block 5, SpaceX объявила о достижении запланированных показателей. Merlin 1D теперь приближается по тяге к снятым с эксплуатации двигателям Rocketdyne H-1 / RS-27, использовавшимся на ракетах Saturn I, Saturn IB и Delta II. 23 февраля 2024 года один из девяти двигателей Merlin, работавших на этом запуске, совершил свой 22-й полет, являясь на тот момент ведущим двигателем в полете. Это уже самый часто запускаемый ракетный двигатель на сегодняшний день, превзойдя рекорд главного двигателя космического шаттла №2019, который совершил 19 полетов.

Аномалии

18 марта 2020 года при запуске спутников Starlink на борту Falcon 9 произошел ранний останов двигателя во время набора высоты. Остановка произошла через 2 минуты 22 секунды после начала полета и сопровождалась "событием", зафиксированным камерой. Остальные двигатели Falcon 9 проработали дольше и доставили полезную нагрузку на орбиту. Однако первую ступень восстановить не удалось. В ходе последующего расследования SpaceX выяснила, что изопропиловый спирт, использовавшийся в качестве очищающей жидкости, попал внутрь и воспламенился, что привело к остановке двигателя. Для решения этой проблемы в следующем запуске SpaceX не проводила процесс очистки. 2 октября 2020 года запуск спутника GPS III был прерван за 2 секунды до старта (T-2) из-за обнаруженного преждевременного запуска двух из девяти двигателей первой ступени. Двигатели были сняты для дальнейших испытаний, в результате которых было обнаружено, что отверстие в газогенераторе было заблокировано. После устранения засора двигатели запустились штатно. После этого SpaceX проверила другие двигатели в своем парке и обнаружила ту же проблему у двух двигателей ракеты Falcon 9, предназначенной для запуска Crew 1. Эти двигатели были заменены на новые двигатели M1D. 16 февраля 2021 года во время полета Falcon 9, 108-м по счету, с запуском спутников Starlink, один из двигателей остановился раньше времени из-за горячих выхлопных газов, прошедших через поврежденную теплозащитную обшивку. Миссия была успешной, но ускоритель не удалось восстановить.

Мерлин 1D Вакуум

Вакуумная версия двигателя Merlin 1D была разработана для Falcon 9 v1.1 и второй ступени Falcon Heavy. По состоянию на 2020 год тяга Merlin 1D Vacuum составляет [значение тяги], с удельным импульсом 348 секунд – это самый высокий удельный импульс, когда-либо достигнутый для углеводородного ракетного двигателя в США. Увеличение обусловлено более высоким коэффициентом расширения, обеспечиваемым работой в вакууме, теперь 165:1 благодаря обновленному расширению сопла. Двигатель может снижать тягу до 39% от максимальной, или, в зависимости от требований миссии, используются комплекты Medium Coast и Long Coast, то есть, в зависимости от количества баллонов с гелием для наддува, дополнительных аккумуляторов для питания и другого оборудования, обеспечивающего работу топливных и ступенчатых систем в течение необходимого времени. Запуск миссии Transporter 7 ознаменовался дебютом нового дизайна или варианта расширения сопла MVac, направленного на повышение частоты запусков и снижение затрат. Это новое расширение сопла короче, что приводит к снижению как производительности, так и расхода материала. Это сопло используется только для менее требовательных миссий, поскольку с ним двигатель MVac производит на 10% меньше тяги в космосе. Сопло позволяет снизить количество необходимого материала на 75%, что означает, что SpaceX может запускать более чем в три раза больше миссий, используя то же количество редкого металла ниобия, чем с более длинной конструкцией.

Турбонасос

Турбонасос Merlin LOX/RP 1, используемый на двигателях Merlin 1A–1C, был разработан и создан компанией Barber Nichols. Он вращается со скоростью 36 000 оборотов в минуту, обеспечивая .

Газогенератор

Турбонасос LOX/RP 1 на каждом двигателе Merlin приводится в действие газогенератором с открытым циклом, работающим на богатой топливом смеси, аналогичным тому, что использовался в двигателе Rocketdyne F 1 эпохи «Аполлон».

Производство

По состоянию на 2011 год SpaceX производила двигатели Merlin со скоростью восемь в месяц, планируя в конечном итоге увеличить производство примерно до 33 двигателей в месяц (или 400 в год). К октябрю 2014 года SpaceX объявила о производстве 100-го двигателя Merlin 1D и о том, что двигатели теперь производятся со скоростью четыре в неделю, с последующим увеличением до пяти. В феврале 2016 года SpaceX заявила, что компании потребуется производить сотни двигателей в год для обеспечения темпов производства Falcon 9/Falcon Heavy в 30 ракетных блоков в год к концу 2016 года. Каждый ускоритель Falcon 9 использует девять двигателей Merlin, а вторая ступень – один вакуумный двигатель Merlin. Вторая ступень не восстанавливается, поэтому каждый запуск требует один вакуумный двигатель Merlin. SpaceX спроектировала ускоритель с возможностью восстановления двигателей для повторного использования посредством управляемой посадки, и первый восстановленный ускоритель был повторно использован в марте 2017 года. К 2020 году только пять из 26 запущенных в этом году ракет Falcon 9 использовали новые ускорители. К 2021 году только два из 31 запуска Falcon 9 использовали новые ускорители.

Концепция "Мерлин-2"

На конференции Американского института аэронавтики и космонавтики по ракетным двигателям 30 июля 2010 года директор ракетного центра SpaceX в МакГрегоре Том Маркусик поделился информацией о начальных этапах планирования нового двигателя. Двигатель Merlin 2, работающий на LOX/RP-1 по газогенераторному циклу, должен был обеспечивать тягу в на уровне моря и в вакууме и предназначался для обеспечения мощности концептуальных сверхтяжелых ракет-носителей SpaceX, которые Маркусик назвал Falcon X и Falcon XX. Если бы этот двигатель был построен, он превзошел бы по тяге двигатели F-1, использовавшиеся на Saturn V.

Маркусик предполагал, что двигатель Merlin 2 "может быть сертифицирован за три года, при бюджете в 1 миллиард долларов". К середине августа генеральный директор SpaceX Илон Маск уточнил, что, хотя архитектура двигателя Merlin 2 является ключевым элементом любых усилий SpaceX по созданию "сверхтяжелых" ракет-носителей, и SpaceX действительно стремится к "сверхтяжелым ракетам-носителям", конкретные потенциальные конструктивные конфигурации ракет-носителей, представленные Маркусичем на конференции, были лишь концептуальными "идеями для мозгового штурма", просто "набором идей для обсуждения". После первоначального обсуждения работы над двигателем "Merlin 2" не велись и не публиковались. На конференции по ракетным двигателям в 2011 году Илон Маск заявил, что SpaceX вместо этого работает над перспективным двигателем с многоступенчатым циклом. В октябре 2012 года SpaceX публично объявила о концептуальной разработке ракетного двигателя, который будет "в несколько раз мощнее двигателей серии Merlin 1 и не будет использовать RP-1 в качестве топлива". Было указано, что этот мощный двигатель предназначен для новой ракеты SpaceX, и использование нескольких таких двигателей позволит выводить на низкую околоземную орбиту полезные грузы массой порядка . Разрабатываемый в настоящее время SpaceX двигатель получил название "Raptor". Raptor будет использовать жидкий метан в качестве топлива, и изначально заявленная тяга на уровне моря составляла . С момента первоначального анонса Raptor Маск обновил характеристики, снизив их примерно до одной трети первоначально опубликованного значения, основываясь на результатах оптимизации соотношения тяги к весу.