スペースX マーリン

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)の推力を発生しました。マーリン 1A は 2 回しか飛行していません。1 回目は 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て失敗しました^{[ 5 ] [ 6 ]}。2 回目は 2007 年 3 月 21 日で、正常に動作しました^{[ 7 ]} 。どちらの場合も、マーリン1A はファルコン 1 の第 1 段に搭載されました^{[ 8 ] [ 9 ]。}   

SpaceXのターボポンプは、2002年にBarber-Nichols, Inc.に委託された全く新しい設計で、設計、エンジニアリング解析、および製造のすべては同社が行いました。同社は以前に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に携わっていました。Merlin  1Aターボポンプは、独自の摩擦溶接されたメインシャフトを使用し、両端はInconel  718、中央には一体型のアルミニウムRP-1インペラが配置されていました。ターボポンプのハウジングは精密鋳造で製造され、タービン側はInconel、中央はアルミニウム、LOX側は300系ステンレス鋼でした。タービンは部分流入（つまり、作動流体はタービンの回転の一部、円周全体ではなく弧を通してのみ流入する）の衝動設計で、最大20,000rpmで回転し 、総重量は68kg （150ポンド）でした。  

Merlin 1Bロケットエンジンは Merlin  1A エンジンの改良版でした。ターボポンプのアップグレードは SpaceX のために Barber-Nichols, Inc. が担当しました。^{[ 10 ]}これはFalcon 1ロケット用に設計され、海面で380 kN (85,000 lbf) 、真空中で420 kN (95,000 lbf)の推力を発生させ、海面で261 s (2.56 km/s) 、真空中で303 s (2.97 km/s)の比推力を発揮します。        

Merlin 1B は、タービンのアップグレードにより 1A よりも強化され、出力が1,500 kW (2,000 hp)から1,900 kW (2,500 hp)に増加しました。^{[ 11 ]}タービンのアップグレードは、ノズルを追加して、以前の部分吸入設計を全吸入に変更することで実現しました。RP-1 と LOX の両方のインペラをわずかに拡大することもアップグレードの一部でした。このモデルは 22,000 rpm の高速で回転し、より高い吐出圧力を発生させました。ターボポンプの重量は68 kg (150 lb)で変更ありませんでした。^{[ 10 ]} 1A からのもう 1 つの注目すべき変更は、トーチ点火からTEA – TEB (自然発火性) 点火への変更でした。^{[ 11 ]}       

Merlin 1B は当初、ファルコン 9ロケットに搭載される予定で、その第 1 段には 9 基のエンジンがクラスター状に配置されていました。ファルコン 1 の初飛行での経験から、SpaceX は Merlin の開発を再生冷却式の Merlin  1C に移行しました。そのため、Merlin  1B はロケットに搭載されることはありませんでした。^{[ 8 ] [ 9 ]}

Merlin 1Cエンジンは 3 つのバージョンが製造されました。Falcon  1 用の Merlin 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、排気をベクトル化することでロール制御を行うために使用されました。Falcon 9 の第 1 段 用の Merlin 1C エンジンは、ターボポンプ排気アセンブリが可動式ではない点を除けば、  Falcon  1 で使用されたバージョンとほぼ同じです。最後に、Merlin  1C真空バージョンが Falcon 9 の第 2 段で使用されています 。このエンジンは、 真空動作に最適化されたより大きな排気ノズルを使用し、60% から 100% の間でスロットルできる点で、Falcon 9 の第 1 段バージョンとは異なります。^{[ 13 ]}

Merlin 1C は再生冷却ノズルと燃焼室を使用しています。使用されているターボポンプは Merlin  1B モデルで、わずかな変更が加えられています。2007 年 11 月に 170 秒間のフルミッション燃焼が行われ、^{[ 12 ]} 2008 年 8 月に初めてミッションで飛行し、^{[ 15 ]} 2008 年 9 月に「軌道到達に成功した初の民間開発液体燃料ロケット」であるFalcon 1 Flight 4に動力を供給し、^{[ 15 ]} 2010 年 6 月にFalcon  9 の初飛行に動力を供給しました。^{[ 16 ]}

ファルコン1ロケットで使用するよう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秒 (2.98 km/s)であった。この構成では、エンジンは毎秒140 kg (300 lb)の推進剤を消費した。単一のマーリン1Cエンジンでテストが実施され、合計27分間 (さまざまなテストの期間を合計) 正常に動作し、これはファルコン1の完全な飛行10回分に相当する。^{[ 17 ]}マーリン1Cの燃焼室とノズルは、毎秒45 kg (100 lb)のケロシン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することができる。^{[ 18 ]}               

マーリン1Cは、ファルコン 1の打ち上げに失敗した3回目の試みの一部として初めて使用されました。失敗についてイーロン・マスクは次のように述べています。「 ファルコン9で使用される新しいマーリン1Cエンジンを搭載した第1段の飛行 は完璧でした。」^{[ 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 で成功しました。^{[ 20 ]} 

2012年10月7日、 CRS-1ミッションのマーリン1C（エンジン 1）がT+00:01:20に異常を起こし、 CRS-1打ち上げビデオでは閃光として映っている。この故障は、機体が最大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、エンジンは急激な圧力低下後に停止し、空力シェルのみが破壊され、ビデオに映ってい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ていたため、エンジンは爆発しなかった。残りの8基のエンジンが正常に作動し、機上で飛行軌道が再調整されたため、主要ミッションはこの異常の影響を受けなかったが^{[ 21 ]}、二次ミッションのペイロードはISSとの衝突を防ぐための安全プロトコルにより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、二次ペイロード用の上段の2回目の噴射が阻止された。^{[ 22 ]}

SpaceXは、 Falcon 9 Block IIおよびFalcon 1Eブースターで使用するために、 560 kN（130,000 lbf）バージョンのMerlin 1Cを開発する計画を立てていました。 ^{[ 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Merlin 1Dエンジンとより長いFalcon 9 v1.1ブースターを優先するために中止されました。         

2009年3月10日、SpaceXのプレスリリースで、マーリン真空エンジンの試験が成功したことが発表された。1Cエンジンの派生型であるマーリン真空エンジンは、排気部が大きく、膨張ノズルも大幅に大きいため、宇宙の真空中でエンジンの効率を最大化できる。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る。このエンジンは、真空推力411kN （92,500lbf ）、真空比推力342秒（3.35km /s）を発揮する。^{[ 25 ]}初めて量産されたマーリン真空エンジンは、2010年1月2日に統合されたファルコン9第2段で全時間（329秒）の軌道投入燃焼試験を受けました。 ^{[ 26 ]} 2010年6月4日のファルコン9初飛行で第2段に搭載されました。2009年3月10日現在、最大出力では、マーリン真空エンジンは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効率よく作動します。^{[ 27 ]}        

2010年12月に、改良型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）のニオブ合金シートノズルに2つの亀裂が発見された。より長いノズルから得られるはずだった追加の性能はミッションの目的を達成するのに必要ではなかったため、技術的な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。改良型エンジンは、第2段を高度11,000 km（6,800マイル）の軌道に投入することに成功した。^{[ 24 ]}     

Merlin 1D エンジンは、SpaceX によって 2011 年から 2012 年にかけて開発され、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、製造性の向上などが含まれていました。^{[ 28 ]} 2011 年に、この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 Merlin 1C の 14.5 に対して)、スイートスポットでの燃焼室圧力9.7 MPa (1,410 psi)でした。Merlin 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、現在では 40% までスロットルできるようになりました。^{[ 29 ]}        

基本的なマーリンエンジンの燃料/酸化剤混合比は、各エンジンへの推進剤供給管のサイズによって制御され、混合比を微調整するために「サーボモーター制御バタフライバルブ」によって全流量のごく一部が調整される。^{[ 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%で稼働しており、海面推力を約730 kN（165,000 lbf）まで、推力重量比を180まで高めることが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、 真空推力を914kN（205,000lbf）、海面推力を845kN（190,000lbf）に増強することで、Merlin 1Dエンジンのさらなるアップグレード計画を発表しました。SpaceXによると、この追加推力により、完全使い捨てミッションにおけるFalcon 9の低軌道ペイロード能力は約22トンに増加するとのことです。SpaceXはまた、以前のFull ThrustバージョンのFalcon 9とは異なり、性能向上はエンジンのアップグレードのみによるものであり、機体に対するその他の重要な変更は公表されていないと述べています。      

2018年5月、ファルコン9ブロック5の初飛行に先立ち、SpaceXは845kN（190,000lbf）の目標が達成されたと発表した。[ 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い。  

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の1基が22回目のミッションを飛行し、当時最多飛行回数を誇るエンジンとなった。これは既に、スペースシャトルのメインエンジン2019号機の19回の飛行記録を上回り、現在までに最も多く飛行したロケットエンジンとなっている。^{[ 33 ]}

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およびファルコン ヘビー第 2 段用に開発されました。^{[ 2 ]}  2020 年現在、マーリン1D 真空エンジンの推力は220,500 lbf (981 kN) ^{[ 39 ]}、比推力は 348秒^{[ 40 ]}で、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膨張比の増加によるもので、改良されたノズル延長部を使用することで現在は 165:1 となっています。^{[ 40 ] [ 42 ]}   

エンジンは最大推力の39%、つまり360 kN (81,000 lbf)までスロットルを下げることができる。^{[ 42 ]}  

SpaceXは、マーリンエンジンのコンピュータに三重冗長設計を採用している。このシステムは、各処理ユニットに3台のコンピュータを使用し、それぞれが常に他のコンピュータの状態をチェックすることで、耐障害性設計 を実現している。1つの処理ユニットは、ファルコン9ロケットで使用される10基のマーリンエンジン（第1段に9基、第2段に1基）のそれぞれに搭載されている。 ^{[ 46 ]}

マーリンエンジン1A～1Cで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・ニコルスによって設計・開発されました。^{[ 47 ]}毎分36,000回転で回転し、10,000馬力（7,500kW ）を発揮します。^{[ 48 ]}  

各マーリンエンジンのLOX/RP-1トライアンフロケット3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過剰開放サイクルガス発生器によって駆動される。^{[ 49 ]}

2010年7月30日に開催された米国航空宇宙学会合同推進会議で、SpaceXマクレガーロケット開発施設の所長であるトム・マルクシック氏は、新型エンジンの計画の初期段階からの情報をいくつか共有した。SpaceXのMerlin 2 LOX /RP-1燃料エンジンはガス発生器サイクルで、海面高度で7,600 kN (1,700,000 lbf) 、真空中で8,500 kN (1,920,000 lbf)の推力を発揮し、マルクシック氏がFalcon XとFalcon XXと名付けたSpaceXの超大型打ち上げロケットのコンセプトに動力を供給する予定だった。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大きいエンジンが誕生するはずだった。^{[ 54 ]}    

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想定して考案されたマーリン2は、「10億ドルで3年以内に認定される可能性がある」とマルクシック氏は述べた。^{[ 55 ]} 8月中旬までに、スペースXのCEOイーロン・マスク氏は、マーリン2エンジンのアーキテクチャはスペースXが「超重量級」打ち上げロケットという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は実際に「超重量級打ち上げロケットに向けて進みたい」と考えているものの、推進会議でマルクシック氏が示した特定の打ち上げロケットの具体的な設計構成は、単なる概念的な「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」に過ぎないと明言した。^{[ 56 ]}

最初の議論以来、「マーリン2」ケロロックスエンジンの開発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、SpaceXは代わりに潜在的なステージサイクルエンジンの開発に取り組んでいると述べた。^{[ 57 ]} 2012年10月、SpaceXは「マーリン1シリーズのエンジンの数倍のパワーを持ち、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開発を公表した。^{[ 58 ]}彼らは、この大型エンジンは新しいSpaceXロケット向けであり、この大型エンジンを複数使用することで、理論上150～200トン（170～220ショートトン）程度のペイロードを低軌道に打ち上げることができると示唆した。SpaceXが現在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、海面推力は6,700キロニュートン（1,500,000 lbf）とされていた。^{[ 59 ]}ラプターの最初の発表以来、マスク氏は推力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）に更新した。これは当初公表された数値の約3分の1である。^{[ 60 ]}   

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