Merlin (raketový motor)

Počáteční verze Merlin 1A používala levný a nahraditelný materiál pro ablativně chlazenou trysku a produkoval tah o síle 340 kN. Merlin 1A letěl pouze dvakrát. Nejprve 24. března 2006, kdy začal hořet a selhal kvůli úniku paliva krátce po startu[1][2] a podruhé 21. března 2007, kdy pracoval úspěšně.[3] V obou případech byl Merlin 1A namontován na první stupeň Falconu 1.[4][5]

Turbočerpadlo SpaceX mělo zcela nový design, navrhnutý firmou Barber-Nichols Inc. v roce 2002, která provedla všechny designové a inženýrské analýzy a konstrukci. Společnost dříve pracovala na turbočerpadle pro RS-88 (Bantam) a motoru Fastrac pro NASA. Turbočerpadlo Merlinu 1A  používalo unikátní hlavní hřídel vyrobený pomocí svařování třením se zakončením z materiálu Inconel 718 a hliníkovým integrálním oběžným kolem ve středu pro RP-1. Kryt turbočerpadla byl vyroben z odlitků s Inconelem na konci turbíny, hliníkovým středem a nerezovou ocelí 300 na konci LOX. Turbína pracovala až při 20 000 ot./min a celkem vážila 68 kg.

Merlin 1B je modernizovanou verzí raketového motoru Merlin 1A. Na vylepšeních turbočerpadla pracoval Barber-Nichols, Inc.^[zdroj?] Byl určen pro raketu Falcon 1 a byl schopný produkovat tah až 380 kN na úrovni hladiny moře a 420 kN ve vakuu. Specifický impuls byl 261 sekund na úrovni moře a 303 ve vakuu. Výstupní výkon Merlinu 1B se oproti 1A zvýšil z 1500 kW na 1900 kW.[6] Vylepšení turbíny bylo dosaženo přidáním dalších trysek a součástí vylepšení byla i větší oběžná kola pro RP-1 i LOX. Otáčky narostly na 22 000 ot./min a pracovalo se s vyšším tlakem. Hmotnost zůstala na 68 kg.^[zdroj?] Další změna se týkala přesunutí pyrofonického zapalování TEA-TEB do hořákového zapalovače.

Motory měly být také použity na prvním stupni první verze Falconu 9, kde mělo být umístěno devět těchto motorů. Vlivem zkušeností z prvního letu Falconu 1 se SpaceX zaměřila na vývoj motoru Merlin 1C, který používal jiný způsob chlazení. Merlin 1B tak nikdy neletěl.

Merlin 1C používá regenerativní chlazení trysky a spalovací komory. Turbočerpadlo je velice podobné tomu u Merlinu 1B, byly provedeny jen malé změny. Zážeh s plnou délkou trvání 170 sekund proběhl v listopadu 2007. Letěl při prvním úspěšném letu Falconu 1 v srpnu 2008 a bylo to poprvé, kdy soukromá raketa na kapalné palivo úspěšně dosáhla oběžné dráhy. Byl také používaný na Falconu 9, na kterém poprvé letěl v červnu 2010.[7]

Byly vyrobeny tři verze Merlinu 1C. Motor Merlin 1C pro Falcon 1 měl pohyblivou výfukovou soustavu turbočerpadla, která byla použita pro ovládání otáčení. Merlin 1C pro první stupeň Falconu 9 byl téměř identický, ale soustava výfuku turbočerpadla nebyla pohyblivá. Třetí varianta byla vakuová a byla určena pro druhý stupeň Falconu 9. Od varianty na prvním stupni se lišila tím, že měla větší trysku optimalizovanou pro použití ve vakuu a možnost snížení výkonu až na 60 %.

V konfiguraci pro Falcon 1 měl Merlin 1C tah u hladiny moře 350 kN, ve vakuu 400 kN a specifický impuls ve vakuu byl 304 sekund. V této konfiguraci spotřeboval motor 140 kg pohonných látek za sekundu. Testy byly prováděny s jedním motorem a motor v pořádku běžel v součtu celkem 27 minut, což se rovná deseti kompletním letům Falconu 1.[8] Komora motoru je chlazena regenerativně pomocí petroleje, který má průtok 45 kg za sekundu a je schopen absorbovat 10 MW tepelné energie.[9]

Merlin 1 C byl poprvé použit při neúspěšném třetím letu Falconu 1. V diskuzi k selhání Elon Musk poznamenal, že „let prvního stupně s novým motorem Merlin 1C, který bude použit na Falconu 9, vypadal na obraze dobře.“[10] Merlin 1C byl také použit při úspěšném čtvrtém letu Falconu 1 28. září 2008.[11]

Dne 7. října 2012 Merlin 1C (motor č. 1) při letu CRS-1 v čase  T+00:01:20 postihlo selhání při maximálním dynamickém namáhání rakety. SpaceX po vnitřním vyšetřování zjistila, že motor byl vypnut po náhlé ztrátě tlaku, a byla zničena pouze aerodynamická skořepina, ze které pocházely trosky, které byly vidět na videu. Motor neexplodoval, protože pozemní středisko z motoru přijímalo data po celou dobu letu. Primární náklad nebyl touto závadou ohrožen, raketa pokračovala se zbývajícími osmi motory s upravenou trajektorií,[12] ale sekundární náklad se nepodařilo umístit na oběžnou dráhu z důvodů bezpečnostních protokolů, aby se zabránilo kolizi s ISS. [13]

SpaceX plánoval vyvinout verzi s tahem 560 kN, která by byla použita na Falconu 9 v1.1 a Falconu 1e.[14] Nakonec byl vývoj zrušen ve prospěch motoru Merlin 1D.

Merlin 1C vakuum
Merlin 1C vakuum v továrně v Hawthorne, 2008
Země původu	Spojené státy americké
Výrobce	SpaceX
Účel	hlavní motor
Použití	Falcon 9 v1.0
Status	vyřazen
Nástupce	Merlin 1D vakuum
První let	4. června 2010
Poslední let	1. března 2013
Specifikace
Tah (vakuum)	411 kN
Isp (vak)	342 s
Doba zážehu	329 s
Druh pohonných látek	kapalné
Palivo	RP-1
Okysličovadlo	LOX
Cyklus	otevřený
Počet komor	1
Zážehový systém	TEA-TEB
Možnost restartu	ano
Rozměry

V tiskové zprávě z 10. března 2009 SpaceX oznámila úspěšné testy motoru Merlin určeného pro provoz ve vakuu. Merlin upraveny pro provoz ve vakuu má větší výfukové části a větší expanzní trysku pro maximalizaci účinnosti motoru ve vakuu. Jeho spalovací komora je chlazena vyzařováním tepla. Motor poskytuje ve vakuu tah 411 kN a specifický impuls 342 sekund.[15] První vyrobený Merlin 1C vakuum podstoupil zážeh v plné délce 329 sekund a byl připevněný na druhý stupeň Falconu 9. K testu došlo 2. ledna 2010.[16] Tento stupeň byl potom použit při prvním letu Falconu 9 v1.0, který letěl 4. června 2010. Při práci na plný výkon je Merlin 1C vakuum nejúčinnější americký uhlovodíkový raketový motor.[17]

Neplánovaný test upraveného Merlinu vakuum byl proveden v prosinci 2010. Krátce před druhým letem Falconu 9 se objevili dvě trhliny na trysce motoru. Technickým řešením bylo odříznout spodní 1,2 metru dlouhou část trysky a startovat o dva dny později, protože výkon, který plyne z delší trysky, nebyl třeba pro splnění mise.[18]

Merlin 1D
Země původu	Spojené státy americké
Výrobce	SpaceX
Účel	hlavní motor
Použití	Falcon 9 v1.1
Status	vyřazen
Předchůdce	Merlin 1C
Nástupce	Merlin 1D+
První let	29. září 2013
Poslední let	17. ledna 2016
Specifikace
Tah (vakuum)	720 kN
Tah (hladina moře)	650 kN
Isp (vak)	311 s
Isp (hlm)	282 s
Poměr tah/hmotnost	150
Druh pohonných látek	kapalné
Palivo	RP-1
Okysličovadlo	LOX
Cyklus	otevřený
Regulace tahu	100 % až 40%
Expanzní poměr trysky	16
Počet komor	1
Možnost restartu	ano
Rozměry

Merlin 1D byl vyvinut společností  SpaceX v letech 2011 až 2012 a poprvé letěl v roce 2013. Původní tah na úrovni hladiny moře měl být 620 kN,[19] v roce 2011 se ukázalo,[20] že tah ve vakuu je 690 kN, specifický impuls ve vakuu je 310 sekund, expanzní poměr se zvýšil na 16 a tlak v komoře v „sweet spot“ je 9,7 MPa. Nově má motor schopnost snížit tah na 70 %.[21] později byla hodnota upřesněna na 40 % plného tahu.[22]

Když bylo v červnu 2012 dokončeno testování, tak SpaceX uvedla, že motor dokončil testovací zážehy o délce trvání odpovídající délce mise (185 sekund) s tahem 650 kN, čímž poměr tahu ku hmotnosti přesáhl hodnotu 150.[23] V listopadu 2012 webová stránka Merlinu uváděla u motoru tah u moře 650 kN, ve vakuu 720 kN, specifický impuls u moře 282 s a ve vakuu 311 sekund. Merlin se tak stal motorem poháněným petrolejem s otevřeným cyklem, který má největší specifický impuls. 20. března 2013 SpaceX oznámila, že Merlin 1D motor dosáhl letové kvalifikace. V červnu 2013 byl poprvé použit na prvním stupni Falconu 9 v1.1.[24]

Vakuová verze Merlinu 1D byla vyvinuta pro druhé stupně Falconu 9 v1.1 a Falconu Heavy.[25]

Na konci roku 2012, Elon Musk tweetoval fotku Merlinu 1D vakuum zavěšeného na zkušebním stojanu a prohlásil: „Teď testujeme náš nejmodernější motor Merlin 1D vakuum s tahem 80 tun.“[26] V současné době je oficiální produktové stránce SpaceX tak Merlinu vakuum uváděn na 934 kN a specifický impuls na 348 s. Zvýšení je důsledkem většího expanzního poměru, který je ve vakuu 165:1.[27]

Podle uživatelské příručky SpaceX může Merlin 1D vakuum snížit tah až na 39 % maximálního výkonu, nebo na 360 kN.

Merlin 1D+ je vylepšená verze Merlinu 1D. V listopadu 2013, během společné telekonference SES a SpaceX týkající se vynesení SES-8, Elon Musk uvedl, že motor byl skutečně na 85 % svého potenciálu, a očekával, že tah na hladině moře se zvýší na 730 kNa.[28] V červnu 2015 Tom Mueller odpověděl na otázku o poměru tahu ku hmotnosti motoru Merlin 1D+. Uvedl, že Merlin 1D+ má hmotnost 470 kg včetně axiálních pohonů a že aktuální tah ve vakuu je 723 kN a vylepšený tah ve vakuu by mohl být 825 kN při stejné váze. Tyto údaje poskytují aktuální poměr tahu ku hmotnosti  ≈158 a s vylepšením až ≈180.[29] Vylepšené motory jsou nyní s několika dalšími změnami používány na Falconu 9 v1.2, který byl poprvé použit při dvacátém letu Falconu 9.

V květnu 2016 SpaceX oznámila, že plánuje další zvýšení výkonu Merlinu 1D+ na 914 kN ve vakuu a 845 kN na hladině moře. Podle SpaceX se tím zvýší nosnost Falconu 9 na LEO na 22 tun v případě, že se nebude zachraňovat první stupeň. Tato verze Falconu je známá jako Falcon 9 Block 5. SpaceX také poznamenala, že na rozdíl od předchozího Falconu 9 v1.2 je nárůst výkonu pouze v důsledku zvýšení tahu motorů.

SpaceX používá redundantní systém letových počítačů. Systém používá tři počítače v každé procesorové jednotce, kdy každý neustále kontroluje ostatní, aby se vytvořil systém odolný proti chybám. Jedna procesorová jednotka je u každého z deseti motorů Merlin (devět na prvním stupni, jeden na druhém stupni) použitých na Falconu 9.[30]

Turbočerpadla na LOX a RP-1 používaná u motorů Merlin 1 A až 1C byla navržena a vyvinuta Barber-Nichols.[31]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Merlin (rocket engine family) na anglické Wikipedii.

• Draco (raketový motor) – Motory pro orientační systém využívané například lodí Dragon.
• Poštolka (raketový motor) – Používán na druhém stupni Falconu 1.
• Rakety Falcon - rodina raket využívající výhradně LOX a RP-1.
• Raptor (raketový motor rodina) – Metanový motor primárně určen pro ITS.
• Srovnání raketových motorů
• Raketový motor
• TR-107 – RP-1 motor vyvinutý pod SLI pro budoucí opakované použití nosných raket.
• RS-27A – RP-1 motor používaný raketou Delta II. Dědictví Saturnu 1B a motoru H-1.
• Rocketdyne F-1 – LOX/RP-1 hlavní motor Saturnu V.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Merlin na Wikimedia Commons