Merlin (raketový motor)

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Merlin 1A
SpaceX Merlin engine.gif
vizualizace motoru
Země původu Spojené státy americké
Výrobce SpaceX
Účel hlavní motor
Použití Falcon 1
Status vyřazen
Nástupce Merlin 1B
První let 24. března 2006
Poslední let 21. března 2007
Specifikace
Tah (hladina moře) 340 kN
Druh pohonných látek kapalné
Palivo RP-1
Okysličovadlo LOX
Cyklus otevřený
Chlazení ablativní
Počet komor 1
Rozměry
Hmotnost 68 kg

Merlin je rodina raketových motorů vyvinutých společností SpaceX pro použití na raketách Falcon 1Falcon 9 a Falcon Heavy. Jako palivo používají směs kapalného kyslíku a RP-1 v otevřeném cyklu. Motor byl navrhnut pro opakované použití.

Vstřikovače v srdci Merlinu jsou čepového typu, které byly poprvé použity v programu Apollo pro lunární modul pro přistávací motor.

Pohonné hmoty jsou přiváděny prostřednictvím jednohřídelového dvourotorového turbočerpadla. Turbočerpadlo také poskytuje vysoký tlak pro hydraulické pohony, které pak recykluje do nízkého vstupního tlaku. To eliminuje potřebu samostatného hydraulického systému a znamená, že není možná ztráta řízení vektorování tahu v důsledku nedostatku hydraulické kapaliny.

Varianty[editovat | editovat zdroj]

Merlin 1A[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

Merlin 1B
Země původu Spojené státy americké
Výrobce SpaceX
Účel hlavní motor
Status vyřazen
Předchůdce Merlin 1A
Nástupce Merlin 1C
První let 24. března 2006
Poslední let 21. března 2007
Specifikace
Tah (vakuum) 420 kN
Tah (hladina moře) 380 kN
Isp (vak) 303 s
Isp (hlm) 261 s
Druh pohonných látek kapalné
Palivo RP-1
Okysličovadlo LOX
Cyklus otevřený
Chlazení ablativní
Počet komor 1
Zážehový systém TEA-TEB
Rozměry
Hmotnost 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[editovat | editovat zdroj]

Merlin 1C
Země původu Spojené státy americké
Výrobce SpaceX
Účel hlavní motor
Použití Falcon 1, Falcon 9 v1.0
Status vyřazen
Předchůdce Merlin 1B
Nástupce Merlin 1D
První let 3. srpna 2008
Poslední let 1. března 2013
Specifikace
Tah (vakuum) 400 kN
Tah (hladina moře) 350 kN
Isp (vak) 304 s
Druh pohonných látek kapalné
Palivo RP-1
Okysličovadlo LOX
Cyklus otevřený
Spotřeba 140 kg/s
Počet komor 1
Zážehový systém TEA-TEB
Rozměry

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 použivaný 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]

Melin 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 [editovat | editovat zdroj]

Merlin 1C vakuum
Merlin 1C Vacuum engine at Hawthorne factory (2008).jpg
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 nejúčinější 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[editovat | editovat zdroj]

Merlin 1D
Země původu Spojené státy americké
Výrobce SpaceX
Účel hlavní motor
Použití Falcon 9 v1.1
Status vyřazen
Předchůdce Melin 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 Melinu uváděla u motoru tah u moře 650 kN, ve vakuu 720 kN, specifický impuls u moře 282 s a ve vakuu 311 sekund. Melin 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]

Merlin 1D vakuum[editovat | editovat zdroj]

Merlin 1D vakuum
Země původu Spojené státy americké
Výrobce SpaceX
Účel hlavní motor
Použití Falcon 9 v1.1, Falcon 9 v1.1 FT
Status aktivní
Předchůdce Merlin 1C vakuum
První let 29. září 2013
Specifikace
Tah (vakuum) 934 kN
Isp (vak) 348 s
Druh pohonných látek kapalné
Palivo RP-1
Okysličovadlo LOX
Cyklus otevřený
Regulace tahu 100 % až 39 %
Expanzní poměr trysky 165:1
Počet komor 1
Možnost restartu ano
Rozměry
Hmotnost 68 kg

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+[editovat | editovat zdroj]

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 v1.1 FT, 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 v1.1 FT je nárůst výkonu pouze v důsledku zvýšení tahu motorů.

Merlin 1D+
Země původu Spojené státy americké
Výrobce SpaceX
Účel hlavní motor
Použití Falcon 9 v1.1 FT
Status aktivní
Předchůdce Melin 1D
První let 22. prosince 2015
Specifikace
Tah (hladina moře) 723 kN
Poměr tah/hmotnost 158
Druh pohonných látek kapalné
Palivo RP-1
Okysličovadlo LOX
Počet komor 1
Možnost restartu ano
Rozměry
Hmotnost 470 kg

Návrh[editovat | editovat zdroj]

Ovládání motoru[editovat | editovat zdroj]

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]

Turbočerpadlo[editovat | editovat zdroj]

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

Výroba[editovat | editovat zdroj]

V srpnu 2011 vyráběla SpaceX motory Merlin rychlostí osm za měsíc a plánovala zvýšení produkce až na 33 motorů měsíčně (nebo 400 ročně). V září 2013 se celkový výrobní prostor SpaceX zvýšil na téměř 93 000 m² a továrna byla nakonfigurována tak, aby se dosáhlo maximální výrobní rychlosti čtyřiceti raketových jader za rok, k tomu dostačuje původně avizovaných 400 motorů ročně.[32] V říjnu 2014 SpaceX uvedla, že vyrobila stý Merlin 1D a že motory vyrábí rychlostí 4 za týden a brzy chce týdně vyrábět 5 motorů.[33]

n.[34]

V únoru 2016 SpaceX uvedla, že bude muset vyrábět stovky motorů ročně, aby bylo možné vyrábět 30 raketových jader ročně.[35]

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

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

  1. BERGER, Brian. Falcon 1 Failure Traced to a Busted Nut. www.space.com. Space.com, July 19, 2006. Dostupné online. (anglicky) 
  2. Findings of the Falcon return to flight board. www.spacex.com. SpaceX.com, July 25, 2006. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2013-03-03. (anglicky) 
  3. Demo Flight 2 Flight Review Update [online]. SpaceX, June 15, 2007. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2012-03-06. (anglicky) 
  4. WHITESIDES, Loretta Hidalgo. SpaceX Completes Development of Rocket Engine for Falcon 1 and 9 [online]. Wired Science, November 12, 2007 [cit. 2008-02-28]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. GASKILL, Braddock. SpaceX has magical goals for Falcon 9 [online]. Nasa Spaceflight, August 5, 2006 [cit. 2008-02-28]. Dostupné online. (anglicky) 
  6. Elon Musk. Feb 2005 through May 2005 Update [online]. SpaceX [cit. 2017-04-16]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 15-04-2008. (anglicky) 
  7. BOYLE, Alan. Shuttle successor succeeds in first test flight. MSNBC. June 4, 2010. Dostupné online [cit. June 5, 2010]. (anglicky) 
  8. SpaceX: SpaceX Completes Qualification Testing of Merlin Regeneratively Cooled Engine, tisková zpráva, [cit. May 31, 2016], Dostupné on-line.
  9. Updates: December 2007 [online]. SpaceX, Dec 2007 [cit. 2012-12-27]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2013-04-05. (anglicky) 
  10. BERGIN, Chris; DAVIS, MATT. SpaceX Falcon I fails during first stage flight [online]. NASAspaceflight. Dostupné online. (anglicky) 
  11. CLARK, Stephen. Sweet success at last for Falcon 1 rocket [online]. Spaceflight Now, September 28, 2008 [cit. 2008-09-28]. Dostupné online. (anglicky) 
  12. NELSON, Katherine. SpaceX CRS-1 Mission Update [online]. SpaceX, October 8, 2012 [cit. 2016-05-31]. Dostupné online. (anglicky) 
  13. CLARK, Stephen. Orbcomm craft falls to Earth, company claims total loss [online]. Spaceflight Now, October 11, 2012 [cit. 2012-10-11]. Dostupné online. (anglicky) 
  14. Falcon 1 Users Guide (Rev 7) [online]. SpaceX, August 26, 2008. S. 8. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2012-10-02. (anglicky) 
  15. SpaceX: SpaceX Falcon 9 upper stage engine successfully completes full mission duration firing., tisková zpráva, [cit. March 12, 2009], Dostupné on-line.
  16. Full Duration Orbit Insertion Firing. [s.l.]: SpaceX, January 2, 2010. Dostupné online. (anglicky) 
  17. SpaceX Falcon 9 Upper Stage Engine Successfully Completes Full Mission Duration Firing [online]. SpaceX, March 10, 2009 [cit. 2016-05-31]. Dostupné online. (anglicky) 
  18. KLOTZ, Irene. SpaceX Sees ISS Meet-up in 2011. Aviation Week. December 13, 2010. Dostupné online [cit. February 8, 2011]. (anglicky) 
  19. HARWOOD, William. World's biggest private space rocket planned [online]. CBS, April 5, 2011 [cit. 2011-04-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  20. LINDSEY, Clark S. SpaceX Merlin 1D [online]. August 1, 2011 [cit. 2011-08-06]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 11-10-2012. (anglicky) 
  21. SpaceX Unveils Plans To Be World’s Top Rocket Maker. AviationWeek. August 11, 2011. Dostupné online [cit. June 28, 2014]. (anglicky) 
  22. https://twitter.com/elonmusk/status/728753234811060224
  23. SpaceX CASSIOPE Mission Press Kit (Sept 2013) pg. 9. [s.l.]: [s.n.] Dostupné online. (anglicky) 
  24. BERGIN, Chris. Reducing risk via ground testing is a recipe for SpaceX success [online]. NASASpaceFlight (not affiliated with NASA), June 20, 2013 [cit. 2013-06-21]. Dostupné online. (anglicky) 
  25. Dostupné online. 
  26. Elon Musk on Twitter. Twitter. Dostupné online [cit. 2017-04-16]. (česky) 
  27. falcon_9_users_guide_rev_2.0.pdf [online]. [cit. 2017-04-16]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2017-03-14. 
  28. SpaceX Falcon 9 v1.1 DISCUSSION AND UPDATES (THREAD 5). forum.nasaspaceflight.com [online]. [cit. 2017-04-16]. Dostupné online. 
  29. Thomas Mueller's answer to Is SpaceX's Merlin 1D's thrust-to-weight ratio of 150+ believable? - Quora. www.quora.com [online]. [cit. 2017-04-16]. Dostupné online. (anglicky) 
  30. SVITAK, Amy. Dragon's "Radiation-Tolerant" Design. Aviation Week. November 18, 2012. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2013-12-03. (anglicky) 
  31. Merlin LOX/RP-1 Turbopump [online]. Barber-Nichols [cit. 2012-11-22]. Dostupné online. (anglicky) 
  32. Production at SpaceX [online]. SpaceX, September 24, 2013 [cit. 2013-09-30]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2016-04-03. (anglicky) 
  33. SpaceX Completes 100th Merlin 1D Engine [online]. SpaceX, October 22, 2014 [cit. 2014-10-16]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2016-04-04. (anglicky) 
  34. SpaceX Prepared Testimony by Jeffrey Thornburg [online]. June 26, 2015. Dostupné online. (anglicky) 
  35. FOUST, Jeff. SpaceX seeks to accelerate Falcon 9 production and launch rates this year. SpaceNews. 2016-02-04. Dostupné online [cit. 2016-02-06]. (anglicky) 

Související články[editovat | editovat zdroj]