SpaceX Merlin

La versión inicial, el Merlin 1A , utilizaba una tobera de polímero compuesto reforzado con fibra de carbono, de bajo costo, desechable y refrigerada por ablación , y producía 340 kN (76 000 lbf) de empuje. El Merlin 1A voló solo 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 correctamente. ^{[ 7 ]} En ambas ocasiones, el Merlin 1A estaba montado en una primera etapa del Falcon 1. ^{[ 8 ] [ 9 ]}   

La turbobomba de 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 previamente 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 integral de aluminio RP-1 en el medio. La carcasa de la turbobomba se construyó utilizando fundición de precisión , con Inconel en el extremo de la turbina, aluminio en el centro y acero inoxidable de la serie 300 en el extremo de LOX. La turbina era 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) .  

El motor de cohete Merlin 1B era una versión mejorada del  motor Merlin 1A. Las mejoras de la turbobomba fueron realizadas por Barber-Nichols, Inc. para SpaceX. ^{[ 10 ]} Estaba destinado a los vehículos de lanzamiento Falcon 1 , capaz de producir 380 kN (85 000 lbf) de empuje a nivel del mar y 420 kN (95 000 lbf) en el vacío, y 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 se mejoró con respecto al 1A mediante 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 añadiendo boquillas adicionales, convirtiendo el diseño de admisión parcial anterior en admisión total. Los impulsores ligeramente ampliados para RP-1 y LOX formaron parte de la actualización. Este modelo giraba a una velocidad mayor de 22 000 rpm 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 paso de la ignición por antorcha a la ignición por antorcha (TEA - TEB , pirofórica ). ^{[ 11 ]}       

El uso inicial del Merlin 1B estaba previsto para el cohete Falcon 9 , cuya primera etapa albergaría un grupo de nueve de estos motores. Gracias a la experiencia del  primer vuelo del Falcon 1, SpaceX centró el desarrollo del Merlin en el Merlin  1C, que cuenta con refrigeración regenerativa. Por lo tanto, el Merlin  1B nunca se utilizó en un cohete. ^{[ 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 alabeo 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  del Merlin 1C en la segunda etapa del Falcon 9. Este motor se diferencia de la variante de la primera etapa del Falcon 9 en que utiliza una tobera de escape más grande optimizada para el funcionamiento en vacío y puede regularse entre el 60 % y el 100 %. ^{[ 13 ]}  

El Merlin 1C utiliza una tobera y una cámara de combustión con refrigeración regenerativa . La turbobomba utilizada es un modelo Merlin  1B con solo ligeras modificaciones. Se encendió con una prueba completa de misión 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 por una empresa privada en alcanzar con éxito la órbita", Falcon 1 Flight 4 , en septiembre de 2008, ^{[ 15 ]} e impulsó el Falcon  9 en su vuelo inaugural en junio de 2010. ^{[ 16 ]}

En su configuración para su uso en vehículos Falcon 1, el Merlin  1C tenía un empuje a nivel del mar de 350 kN (78 000 lbf) , un empuje en el vacío de 400 kN (90 000 lbf) y un impulso específico en el vacío de 304 s (2,98 km/s) . En esta configuración, el motor consumía 140 kg (300 lb) de propelente por segundo. Se han realizado pruebas con un solo motor Merlin 1C funcionando con éxito durante un total de 27 minutos (contando la duración de las diversas pruebas), lo que equivale a diez vuelos completos del Falcon 1. ^{[ 17 ]} La cámara y la tobera del Merlin 1C se enfrían regenerativamente mediante un flujo de queroseno de 45 kg (100 lb) por segundo y son capaces de absorber 10 MW (13 000 hp) de energía térmica . ^{[ 18 ]}               

Un motor Merlin 1C se utilizó por primera vez en el tercer intento fallido de lanzar un Falcon  1. Al hablar del fracaso, Elon Musk comentó: «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 exitoso cuarto vuelo del Falcon  1 el 28 de septiembre de 2008. ^{[ 20 ]}

El 7 de octubre de 2012, un motor Merlin 1C (Motor n.°  1) de la misión CRS-1 experimentó una anomalía a las 00:01:20 T, que aparece como un destello en el vídeo del lanzamiento de la CRS-1 . El fallo se produjo justo cuando el vehículo alcanzó la presión aerodinámica máxima (max-Q). La revisión interna de SpaceX determinó que el motor se apagó tras una pérdida repentina de presión y que solo se destruyó la cubierta aerodinámica, generando los restos que se ven en el vídeo; el motor no explotó, ya que el control terrestre de SpaceX siguió recibiendo datos del mismo durante todo el vuelo. La misión principal no se vio afectada por la anomalía debido al funcionamiento normal de los ocho motores restantes y a 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 impidieron un segundo encendido de la etapa superior para la carga útil secundaria. ^{[ 22 ]}

SpaceX planeaba desarrollar una versión de 560 kN (130 000 lbf) del motor 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, de mayor longitud.         

El 10 de marzo de 2009, un comunicado de prensa de SpaceX anunció las pruebas exitosas del motor Merlin Vacuum. Una variante del motor 1C, el Merlin Vacuum cuenta con una sección de escape más grande y una tobera de expansión significativamente más grande para maximizar la eficiencia del motor en el vacío del espacio. Su cámara de combustión se enfría regenerativamente , mientras que la tobera de expansión de aleación de niobio de 2,7 metros de largo (9 pies) ^{[ 24 ] [ 13 ]} se enfría radiativamente . El motor entrega un empuje en el vacío de 411 kN (92 500 lbf) y un impulso específico en el vacío de 342 s (3,35 km/s) . ^{[ 25 ]} El primer motor Merlin Vacuum de producción se sometió a una prueba de inserción orbital de duración completa (329 segundos) de la segunda etapa integrada del Falcon 9 el 2 de enero de 2010. ^{[ 26 ]} Se utilizó en la segunda etapa para el vuelo inaugural del Falcon 9 el 4 de junio de 2010. A plena potencia y a fecha de 10 de marzo de 2009, el motor Merlin Vacuum opera con la mayor eficiencia de cualquier motor de cohete de fabricación estadounidense alimentado con hidrocarburos. ^{[ 27 ]}        

En diciembre de 2010 se realizó una prueba no planificada de un motor Merlin Vacuum modificado. Poco antes del segundo vuelo programado del Falcon 9 , se descubrieron dos grietas en la tobera de lámina de aleación de niobio de 2,7 metros (9 pies) de longitud del motor Merlin Vacuum. La solución de ingeniería consistió en cortar los 1,2 metros (4 pies) inferiores de la tobera y lanzar dos días después, ya que el rendimiento adicional que se habría obtenido con una tobera 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 millas) 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 fiabilidad, un mejor rendimiento y una mejor capacidad de fabricación. ^{[ 28 ]} En 2011, los objetivos de rendimiento para el motor eran un empuje en el vacío de 690 kN (155 000 lbf) , un impulso específico en el vacío ( _Isp ) de 310 s (3,0 km/s) , una relación de expansión de 16 (en comparación con el 14,5 anterior del Merlin 1C) y una presión de cámara en el "punto óptimo" de 9,7 MPa (1410 psi) . El Merlin 1D fue diseñado originalmente para regular su empuje entre el 100 % y el 70 % del empuje máximo; sin embargo, las mejoras posteriores desde 2013 permiten ahora que el motor lo regule hasta el 40 %. ^{[ 29 ]}        

La relación básica de mezcla de combustible/oxidante del motor Merlin se controla mediante el dimensionamiento de los tubos de suministro de propulsor a cada motor, y solo una pequeña cantidad del flujo total se ajusta mediante una " válvula de mariposa controlada por servomotor " para proporcionar un control preciso de la relación de mezcla. ^{[ 30 ]}

El 24 de noviembre de 2013, Elon Musk declaró que el motor estaba funcionando al 85% de su potencial y que anticipaban poder aumentar el empuje a nivel del mar a unos 730 kN (165 000 lbf) y una relación empuje-peso de 180. ^{[ 31 ]} Esta versión del Merlin 1D se utilizó en el 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 motor Merlin  1D, aumentando su empuje en el vacío a 914 kN (205 000 lbf) y su empuje a nivel del mar a 845 kN (190 000 lbf) . Según SpaceX, este empuje adicional incrementará la capacidad de carga útil del Falcon 9 en órbita terrestre baja (LEO) a aproximadamente 22 toneladas métricas en una misión totalmente desechable. SpaceX también señaló que, a diferencia de la versión anterior de empuje completo del Falcon 9, el aumento de rendimiento se debe exclusivamente a la mejora de los motores, y no se prevén 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 que se usaban en el Saturno I , el Saturno IB y el 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 con más vuelos hasta la fecha, superando el récord de 19 vuelos del motor principal del transbordador espacial n.º 2019. ^{[ 33 ]}

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 registrado para un motor de cohete de hidrocarburos estadounidense. ^{[ 41 ]} El aumento se debe a la mayor relación de expansión que proporciona operar en el vacío, ahora de 165:1 utilizando una extensión de tobera actualizada. ^{[ 40 ] [ 42 ]}   

El motor puede reducir su potencia hasta el 39% de su empuje máximo, o 360 kN (81.000 lbf) . ^{[ 42 ]}  

SpaceX utiliza un diseño de triple redundancia en las computadoras del motor Merlin. El sistema emplea tres computadoras en cada unidad de procesamiento, cada una supervisando constantemente a las demás, para implementar un diseño tolerante a fallos . Una unidad de procesamiento forma parte de cada uno de los diez motores Merlin (nueve en la primera etapa y uno en la segunda) 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 , entregando 10 000 caballos de fuerza (7500 kW) . ^{[ 48 ]}  

La turbobomba LOX/RP-1 del cohete triump 3 en cada motor Merlin es 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 la conferencia conjunta de propulsión del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIA) celebrada el 30 de julio de 2010, Tom Markusic, director del centro de desarrollo de cohetes McGregor de SpaceX , compartió información sobre las etapas iniciales de planificación de un nuevo motor. El motor Merlin 2 de SpaceX, alimentado con LOX /RP-1 y con un ciclo de generador de gas , capaz de generar un empuje proyectado de 7600 kN (1 700 000 lbf) a nivel del mar y de 8500 kN (1 920 000 lbf) en el vacío, proporcionaría la potencia para los vehículos de lanzamiento superpesados ​​conceptuales de SpaceX, a los que Markusic denominó Falcon X y Falcon XX . De haberse construido, esta capacidad habría dado como resultado un motor con mayor 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 ser calificado en tres años por $1 mil millones". ^{[ 55 ]} A mediados de agosto, el CEO de SpaceX, Elon Musk, aclaró que si bien la arquitectura del motor Merlin 2 era un elemento clave de cualquier esfuerzo que SpaceX hiciera hacia su objetivo de vehículos de lanzamiento de "carga súper pesada" —y que SpaceX de hecho quería "avanzar hacia la carga súper pesada"— las configuraciones de diseño potenciales específicas de los vehículos de lanzamiento particulares mostrados por Markusic en la conferencia de propulsión eran simplemente "ideas conceptuales de lluvia de ideas", solo un "conjunto de ideas para discutir". ^{[ 56 ]}

Since the original discussion, no work on any "Merlin 2" kerolox engine has been pursued and made public. At the 2011 Joint Propulsion Conference, Elon Musk stated that SpaceX were instead working towards a potential staged cycle engine.^[57] In October 2012, SpaceX publicly announced concept work on a rocket engine that would be "several times as powerful as the Merlin 1 series of engines, and won't use Merlin's RP-1 fuel".^[58] They indicated that the large engine was intended for a new SpaceX rocket, using multiple of these large engines could notionally launch payload masses of the order of 150 to 200 tonnes (170 to 220 short tons) to low Earth orbit. The forthcoming engine currently under development by SpaceX has been named "Raptor". Raptor will use liquid methane as a fuel, and was stated as having a sea-level thrust of 6,700 kilonewtons (1,500,000 lbf).^[59] Since the initial announcement of Raptor, Musk has updated the specification to approximately 230 tonnes-force (2,300 kN; 510,000 lbf)—about one-third the original published figure—based on the results of optimizing for thrust-to-weight ratio.^[60]

• Belfiore, Michael (18 de enero de 2005). "Se enciende la carrera por el próximo premio espacial" . Wired.