スペースXマーリン

マーリン 1D

スペースXのマクレガー試験台でマーリン1Dの試験発射
原産国	アメリカ合衆国
メーカー	スペースX
応用	ブースターステージエンジン 上段エンジン
関連LV	ファルコン 1  · ファルコン 9  · ファルコン ヘビー
状態	アクティブ
液体燃料エンジン
推進剤	LOX / RP-1
サイクル	ガス発生器
パフォーマンス
推力、真空	981 kN (221,000 lb f ) [1]
推力、海面	845 kN (190,000 lb f ) [1]
推力重量比	184
チャンバー圧力	9.7  MPa (1,410 psi) [2]
比推力、真空	311秒（3.05km/s）[3] [更新が必要]
比推力、海面	282秒（2.77km/s）[3] [更新が必要]
寸法
直径	海面: 0.92 m (3.0 フィート) 真空: 3.3 m (11 フィート)
乾燥質量	470 kg (1,030 ポンド) [4]

マーリンは、SpaceXが開発したロケットエンジンのシリーズです。現在はファルコン9およびファルコンヘビーの打ち上げロケットに搭載されており、以前はファルコン1で使用されていました。マーリンエンジンは、ガスジェネレーターパワーサイクルでロケット推進剤としてRP-1と液体酸素を使用します。マーリンエンジンはもともと海上で回収して再利用できるように設計されていましたが、2016年以降はファルコン9ブースター全体が9基のマーリンエンジンのうちの1基を使用して着陸パッドに垂直に着陸し、再利用のために回収されています。

マーリンの心臓部にあるインジェクターは、アポロ月着陸船着陸エンジン ( LMDE )で初めて使用されたピントル型です。推進剤は、単軸、デュアルインペラーのターボポンプによって供給されます。ターボポンプは、油圧アクチュエーター用の高圧流体も供給し、その後、低圧入口にリサイクルされます。これにより、別の油圧駆動システムが不要になり、油圧流体が不足して推力偏向制御が失敗する可能性がなくなります。

初期バージョンのマーリン1Aは、安価で使い捨てのアブレーション冷却式 炭素繊維強化ポリマー 複合ノズルを使用し、340 kN（76,000 lbf）の推力を生み出した。マーリン1Aは2回しか飛行していない。最初は2006年3月24日で、打ち上げ直後に燃料漏れにより火災が発生し故障した。^{[5] [6]} 2回目は2007年3月21日で、正常に動作した。^{[7]どちらの場合も、マーリン1Aは}ファルコン1の第1段に搭載された。^{[8] [9]}

SpaceX のターボポンプは、2002 年に Barber-Nichols, Inc. と契約したまったく新しい白紙設計で、同社が設計、エンジニアリング分析、構築をすべて担当しました。同社は以前にもRS-88 (Bantam) および NASA Fastracエンジン プログラム用のターボポンプを手がけていました。Merlin 1A ターボポンプは、インコネル 718 の両端と中央に一体型アルミニウム RP-1 インペラを備えた、独自の摩擦溶接メイン シャフトを使用しました。ターボポンプのハウジングは、タービンの端にインコネル、中央にアルミニウム、LOX 端に 300 シリーズのステンレス鋼を使用した、精密鋳造で構築されました。タービンは部分吸入 (つまり、作動流体はタービンの回転の一部 (円弧であり、全周ではありません) のみで吸入される) のインパルス設計で、最大 20,000 rpm で回転し、総重量は 68 kg (150 ポンド) でした。^[要出典]

マーリン1Bロケットエンジンは、マーリン1Aエンジンのアップグレード版でした。ターボポンプのアップグレードは、スペースXのためにバーバー・ニコルズ社によって行われました。^{[10]このエンジンは}ファルコン1ロケット用に設計され、海面で380kN（85,000lbf）、真空中で420kN（95,000lbf）の推力を発揮し、海面で261秒（2.56km/s）、真空中で303秒（2.97km/s）の比推力を発揮します。

マーリン1Bはタービンのアップグレードにより1Aから強化され、出力が1,500kW（2,000馬力）から1,900kW（2,500馬力）に増加しました。^[11]タービンのアップグレードは、ノズルを追加することで達成され、以前の部分吸気設計が全吸気に変更されました。RP-1とLOXの両方のわずかに拡大されたインペラは、アップグレードの一部でした。このモデルは、22,000rpmでより高速に回転し、より高い吐出圧力を生み出しました。ターボポンプの重量は68kg（150ポンド）で変更されていませんでした。^{[10] 1Aからのもう1つの注目すべき変更点は、トーチ点火から}TEA - TEB（自然発火性）点火 に移行したことです。^[11]

マーリン1Bは当初、ファルコン9ロケットに搭載される予定だった。ファルコン9ロケットの第一段には、このエンジンが9基搭載される予定だった。ファルコン1の初飛行での経験から、スペースXはマーリンの開発を再生冷却式のマーリン1Cに移行した。そのため、マーリン1Bはロケットには使用されなかった。^{[8] [9]}

マーリン 1Cエンジンには 3 つのバージョンが製造された。ファルコン 1 用のマーリン エンジンには可動式のターボポンプ排気アセンブリがあり、排気を方向転換することでロール制御を行うために使用されていた。ファルコン 9 の第 1 段用のマーリン 1C エンジンは、ターボポンプ排気アセンブリが可動ではないことを除けば、ファルコン 1 に使用されたバージョンとほぼ同じである。最後に、ファルコン 9 の第 2 段にはマーリン 1C真空バージョンが使用されている。このエンジンは、真空操作に最適化された大型の排気ノズルを使用し、60% から 100% の間で絞り込みができる点で、ファルコン 9 の第 1 段バージョンと異なる。^[13]

マーリン 1C は、再生冷却ノズルと燃焼室を採用している。ターボポンプは、わずかな変更を加えたマーリン 1B モデルである。2007 年 11 月に 170 秒間のフルミッションデューティ噴射が行われ、^{[12] 2008 年 8 月に初}飛行が行われ、^[15] 2008 年 9 月には「軌道到達に成功した最初の民間開発の液体燃料ロケット」であるファルコン 1 フライト 4に動力を供給し、 ^[15] 2010 年 6 月にはファルコン 9 の初飛行に動力を供給した。^[16]

ファルコン1機体用に構成されたマーリン1Cは、海面推力が350 kN（78,000 lbf）、真空推力が400 kN（90,000 lbf）、真空比推力が304 s（2.98 km/s）であった。この構成では、エンジンは1秒あたり140 kg（300 lb）の推進剤を消費した。テストは、1台のマーリン1Cエンジンで合計27分間（さまざまなテストの所要時間を合計して計算）正常に動作し、これはファルコン1の完全な飛行10回に相当します。^[17]マーリン1Cのチャンバーとノズルは、毎秒45 kg（100 lb）の灯油の流れによって再生冷却され、10 MW（13,000 hp）の熱エネルギーを吸収できます。^[18]

マーリン1Cは、ファルコン1の3回目の打ち上げに失敗したときに初めて使用された。この失敗についてイーロン・マスクは「ファルコン9に搭載される新しいマーリン1Cエンジンを搭載した第一段の飛行は、絵に描いたような完璧さだった」と述べた。^[19]マーリン1Cは、2008年9月28日のファルコン1の4回目の飛行に使用された。^[20]

2012年10月7日、 CRS-1ミッションのマーリン1C（エンジンNo.1）がT+00:01:20に異常を経験し、CRS-1の打ち上げビデオにフラッシュとして映っている。故障は、機体がmax-Q（最大空力圧力）に達した直後に発生した。SpaceXの内部調査では、突然の圧力低下後にエンジンが停止し、空力シェルのみが破壊され、ビデオに見られる破片が発生したことが判明した。SpaceXの地上管制は飛行中ずっとエンジンからデータを受信し続けたため、エンジンは爆発しなかった。残りの8つのエンジンが正常に動作し、機上で飛行軌道が再調整されたため、主ミッションは異常の影響を受けなかったが^[21]、ISSとの衝突を防ぐための安全プロトコルにより、副ミッションのペイロードは目標軌道に到達できなかった。これらのプロトコルにより、副ペイロードの上段の2回目の点火は阻止された。^[22]

スペースXは、ファルコン9ブロックIIとファルコン1Eブースターで使用するために、マーリン1Cの560kN（130,000lbf）バージョンを開発することを計画していました。^[23]このエンジンとこれらのブースターモデルは、より高度なマーリン1Dエンジンとより長いファルコン9 v1.1ブースターに取って代わられました。

2009年3月10日、SpaceXのプレスリリースは、Merlin Vacuumエンジンのテストが成功したことを発表しました。1Cエンジンの派生型であるMerlin Vacuumは、より大きな排気セクションと大幅に大きな膨張ノズルを備えており、宇宙の真空でのエンジン効率を最大化します。燃焼室は再生冷却され、長さ2.7メートル（9フィート）^[24]の ニオブ合金^[13]膨張ノズルは放射冷却されます。エンジンは、真空推力411 kN（92,500 lbf）と真空比推力342 s（3.35 km/s）を実現します。^[25]最初の量産型マーリン真空エンジンは、2010年1月2日に統合型ファルコン9第二段の軌道投入全期間噴射（329秒）を実施した。^[26] 2010年6月4日のファルコン9初飛行では第二段に搭載された。2009年3月10日現在、マーリン真空エンジンはフルパワーで稼働しており、アメリカ製の炭化水素燃料ロケットエンジンの中で最も高い効率を示している。^[27]

2010年12月、改造されたマーリン真空エンジンの予定外のテストが行​​われた。ファルコン9の予定されていた2回目の飛行の直前に、マーリン真空エンジンの2.7メートル（9フィート）のニオブ合金板ノズルに2つの亀裂が発見された。長いノズルから得られる余分な性能はミッションの目的を達成するのに必要なかったため、エンジニアリング上の解決策はノズルの下部1.2メートル（4フィート）を切り取り、2日後に打ち上げることだった。改造されたエンジンは、第2段を高度11,000 km（6,800マイル）の軌道にうまく投入した。^[24]

マーリン 1D エンジンは、2011 年から 2012 年にかけてスペース X 社によって開発され、2013 年に初飛行が行われました。この新しいエンジンの設計目標には、信頼性の向上、性能の向上、製造性の向上が含まれていました。^[28] 2011 年、エンジンの性能目標は、真空推力 690 kN (155,000 lbf)、真空比推力 ( I _sp ) 310 s (3.0 km/s)、膨張比 16 (以前のマーリン 1C の 14.5 に対して)、および「スイート スポット」でのチャンバー圧力 9.7 MPa (1,410 psi) でした。マーリン 1D は、当初最大推力の 100% から 70% の間でスロットルするように設計されていましたが、2013 年以降のさらなる改良により、エンジンは 40% までスロットルできるようになりました。^[29]

基本的なマーリン燃料/酸化剤混合比は、各エンジンへの推進剤供給チューブのサイズによって制御され、混合比の微調整を可能にするために、「サーボモーター制御 バタフライバルブ」によって全体の流量のごく一部が調整されます。 ^[30]

2013年11月24日、イーロン・マスクは、エンジンは実際には潜在能力の85%で動作しており、海面推力を約730 kN（165,000 lbf）、推力重量比を180にまで増加できると予想していると述べた。^{[31]このバージョンのマーリン1Dは}ファルコン9フルスラストで使用され、フライト20で初飛行した。

2016 年 5 月、SpaceX は Merlin 1D をさらにアップグレードし、真空推力を 914 kN (205,000 lbf)、海面推力を 845 kN (190,000 lbf) に増やす計画を発表しました。SpaceX によると、追加の推力により、Falcon 9 LEO ペイロード容量は、完全に使い捨てのミッションで約 22 メトリック トンに増加します。SpaceX はまた、Falcon 9 車両の以前のフル スラスト イテレーションとは異なり、パフォーマンスの向上はアップグレードされたエンジンのみによるものであり、車両に対するその他の重要な変更は公に計画されていないと述べました。

2018年5月、ファルコン9ブロック5の初飛行に先立ち、スペースXは845kN（190,000lbf）の目標を達成したと発表した。^{[32]マーリン1Dは現在、}サターンI、サターンIB、デルタIIで使用されていた退役したロケットダインH-1 / RS-27エンジンの海面推力に近づいている。

2024年2月23日、その打ち上げに使用された9基のマーリンエンジンのうち1基が、当時の飛行の主力エンジンであった22回目のミッションを飛行した。このエンジンは、スペースシャトルのメインエンジン2019号の19回の飛行という記録を上回り、現在までに最も飛行回数の多いロケットエンジンとなっている。^[33]

2020年3月18日、ファルコン9に搭載されたスターリンク衛星の打ち上げでは、上昇中にエンジンが早期に停止した。停止は飛行開始から2分22秒後に発生し、カメラに映った「イベント」を伴っていた。ファルコン9の残りのエンジンはより長く燃焼し、ペイロードを軌道に乗せた。しかし、第1段は正常に回収されなかった。その後の調査で、SpaceXは洗浄液として使用されていたイソプロピルアルコールが閉じ込められて発火し、エンジンが停止したことを発見した。この問題に対処するため、SpaceXは次の打ち上げで洗浄プロセスが行われなかったことを明らかにした。^{[34] [35] [36]}

2020年10月2日、GPS-III衛星の打ち上げは、第1段の9基のエンジンのうち2基の早期始動が検出されたため、T-2秒で中止されました。エンジンはさらなるテストのために取り外され、ガス発生器のポートが塞がれていることが判明しました。詰まりを取り除いた後、エンジンは予定通りに始動しました。その後、SpaceXは他のエンジンを検査し、Crew-1打ち上げ用のFalcon 9ロケットのエンジンのうち2基にもこの問題があることを発見しました。それらのエンジンは新しいM1Dエンジンに交換されました。^[37]

2021年2月16日、スターリンク衛星を打ち上げたファルコン9の108便目では、破損した熱シールドカバーを通過した高温の排気ガスによりエンジンが早期に停止した。ミッションは成功したが、ブースターは回収できなかった。^[38]

マーリン1Dエンジンの真空バージョンは、ファルコン9 v1.1とファルコンヘビーの第2段用に開発されました。^[2] 2020年現在、マーリン1D真空の推力は220,500 lbf（981 kN）^[39]で、比推力は348秒^[40]であり、米国の炭化水素ロケットエンジンとしては史上最高の比推力です。^{[41]この増加は、真空中で動作することで得られるより大きな}膨張比によるもので、改良されたノズル延長部を使用することで現在は165:1になっています。^{[40] [42]}

エンジンは最大推力の39%、つまり360kN（81,000lbf）まで絞り込むことができる。^[42]

トランスポーター7号ミッションの打ち上げでは、リズムの向上とコスト削減を目的とした新しいマーリン真空エンジン（略してMVac）ノズル延長設計または改良型が初公開されました。この新しいノズル延長は短く、その結果、性能と材料使用量の両方が減少します。このノズルは、MVacエンジンが宇宙で生成する推力が10％低下するため、低性能ミッションでのみ使用されます。このノズルにより、必要な材料の量が75％削減されます。つまり、SpaceXは、より長い設計の場合と同じ量の希少なニオブ金属で、3倍以上のミッションを打ち上げることができます。 ^{[43] [44]}

2024年7月11日、カリフォルニア州ヴァンデンバーグ空軍基地からスターリンクグループ9-3を打ち上げたファルコン9便354便は、22基のスターリンク衛星の展開のために近地点を上げるためのエンジン再点火の試み中にMVacに異常を経験した。Xについては、イーロン・マスクとスペースXの両社が、2度目の再点火の試み中にエンジンが爆発的に故障したことを確認したが、搭載衛星の展開段階が続いたため、機体の第2段に損傷を与えたようには見えなかった。^[45]

SpaceXは、Merlinエンジンのコンピュータに3重冗長設計を採用しています。このシステムでは、各処理ユニットに3台のコンピュータを使用し、各コンピュータが常に他のコンピュータをチェックすることで、フォールトトレラント設計を実現しています。Falcon 9ロケットに搭載されている10台のMerlinエンジン（第1段に9台、第2段に1台）には、それぞれ1台の処理ユニットが使用されています。^[46]

マーリンエンジン1A～1Cに使用されているマーリンLOX/RP-1ターボポンプは、バーバー・ニコルズ社によって設計・開発された。 ^{[47]このポンプは}毎分36,000回転で回転し 、10,000馬力（7,500kW）の出力を発揮する。^[48]

各マーリンエンジンのLOX/RP-1ターボポンプは、アポロ時代のロケットダインF-1エンジンで使用されていたものと同様の燃料豊富なオープンサイクルガス発生器によって駆動されます。^[49]

2011年8月時点で^{[アップデート]}、SpaceXは月産8基のペースでMerlinエンジンを生産しており、最終的には月産33基（年間400基）に増やす計画だった。^[2] 2013年9月までに、SpaceXの総製造スペースは93,000平方メートル（100万平方フィート）近くに拡大し、工場は年間最大40基のロケットコアを生産できるように構成され、以前のエンジン計画で想定されていた年間400基のエンジンを使用するのに十分な量だった。^[50] 2014年10月までに、SpaceXは100基目のMerlin 1Dエンジンを製造し、現在は週4基のペースでエンジンを生産しており、まもなく5基に増やすと発表した。^{[51] [52]}

2016年2月、スペースXは、2016年末までにファルコン9/ファルコンヘビーのロケットコアを年間30基製造するためには、年間数百基のエンジンを製造する必要があると示唆した。^{[53] [更新が必要]}

ファルコン 9 ブースター 1 基につき 9 基のマーリン エンジンが使用され、第 2 段には 1 基のマーリン真空エンジンが使用されています。第 2 段は使い果たされるため、打ち上げごとに 1 基のマーリン真空エンジンが消費されます。SpaceX は、エンジンを搭載したブースターを、推進着陸によって回収して再利用できるように設計し、最初に回収されたブースターは 2017 年 3 月に再利用されました。2020 年までに、その年に打ち上げられた 26 基のファルコン 9 のうち、新しいブースターを使用したのは 5 基のみでした。2021 年までに、ファルコン 9 の打ち上げ 31 基のうち、新しいブースターを使用したのは 2 基のみでした。

2010年7月30日のアメリカ航空宇宙学会共同推進会議で、スペースXのマクレガーロケット開発施設所長トム・マーカシックは、新しいエンジンの計画の初期段階からいくつかの情報を共有した。スペースXのマーリン2 LOX /RP-1燃料エンジンはガスジェネレータサイクルで、海面で7,600 kN（1,700,000 lbf）、真空で8,500 kN（1,920,000 lbf）の推力を発揮し、スペースXの概念的な超重量級打ち上げロケット（マーカシックはファルコンXおよびファルコンXXと名付けた）に動力を供給する予定である。このような能力が実現すれば、サターンVで使用されたF-1エンジンよりも推力の高いエンジンになるはずだった。^[54]

マーリン2はファルコン9ヘビーのより高性能な派生型に搭載される可能性を秘めており、マーカジック氏は「3年で10億ドルで認定される可能性がある」と示唆した。^[55] 8月中旬までに、スペースXのCEOであるイーロン・マスク氏は、マーリン2のエンジン構造はスペースXが「超重量級」打ち上げロケットの目標に向けて行うあらゆる取り組みの重要な要素であり、スペースXは確かに「超重量級打ち上げに向けて動きたい」と考えているが、推進会議でマーカジック氏が示した特定の打ち上げロケットの具体的な潜在的な設計構成は、単に概念的な「ブレインストーミングのアイデア」であり、「議論のためのアイデアの集まり」にすぎないと明言した。^[56]

最初の議論以来、「マーリン2」ケロロックスエンジンに関する研究は進められておらず、公表もされていない。2011年の合同推進会議で、イーロン・マスクは、スペースXは代わりに段階的サイクルエンジンの可能性に向けて取り組んでいると述べた。^{[57] 2012年10月、スペースXは「マーリン1シリーズのエンジンよりも数倍強力で、マーリンの}RP-1燃料を使用しない」ロケットエンジンのコンセプトワークを公表した。^[58]彼らは、この大型エンジンは新しいスペースXロケット用であり、これらの大型エンジンを複数使用することで、理論上は150〜200トン（170〜220ショートトン）のペイロード質量を低地球軌道に打ち上げることができると示唆した。現在スペースXが開発中の次期エンジンは「ラプター」と名付けられている。ラプターは燃料として液体メタンを使用し、海面での推力は6,700キロニュートン（1,500,000 lbf）と発表された。^[59]ラプターの最初の発表以来、マスクは推力対重量比の最適化の結果に基づいて、仕様を約230トン力（2,300 kN、510,000 lbf）に更新しました。これは、当初発表された数値の約3分の1です。^[60]

• ベルフィオーレ、マイケル (2005 年 1 月 18 日)。「次期宇宙賞をめぐる競争が激化」。Wired。

ウィキメディア・コモンズには、マーリン (ロケットエンジン)に関連するメディアがあります。

• SpaceX公式サイト