SpaceX Merlin

Merlin 1A

A primeira versão, o Merlin 1A, tinha uma tubeira descartável de baixo custo, feita de compósito de polímero reforçado com fibra de carbono e resfriada por ablação. Seu empuxo era de 340 kN. O Merlin 1A voou apenas duas vezes. No primeiro voo, em 24 de março de 2006, um vazamento de combustível provocou um incêndio e uma falha pouco depois do lançamento. No segundo, em 21 de março de 2007, o motor funcionou corretamente. Nos dois voos, o Merlin 1A equipava o primeiro estágio de um Falcon 1.

A SpaceX contratou a Barber-Nichols em 2002 para desenvolver e fabricar a turbobomba. A empresa fez o projeto e as análises de engenharia e aproveitou a experiência adquirida com as turbobombas dos motores RS-88, também chamado Bantam, e Fastrac, da NASA.

Merlin 1B

O Merlin 1B era uma versão aperfeiçoada do Merlin 1A. A Barber-Nichols fez as alterações na turbobomba para a SpaceX. O motor foi concebido para o Falcon 1, com empuxo de cerca de 378 kN ao nível do mar e 423 kN no vácuo. Seu impulso específico era de 261 s ao nível do mar e 303 s no vácuo.

Uma nova turbina elevou a potência de cerca de 1.490 kW no Merlin 1A para 1.860 kW no Merlin 1B. A instalação de mais bocais fez com que a turbina passasse de admissão parcial para admissão total. Os impulsores de RP-1 e de oxigênio líquido também foram ligeiramente ampliados. A rotação subiu para 22.000 rpm, com maior pressão de descarga. A massa da turbobomba permaneceu em aproximadamente 68 kg. A ignição por chama foi substituída por uma mistura pirofórica de trietilalumínio, ou TEA, e trietilborano, ou TEB.

O Merlin 1B deveria estrear no Falcon 9, cujo primeiro estágio teria um conjunto de nove motores. Após o primeiro voo do Falcon 1, a SpaceX passou a concentrar o desenvolvimento no Merlin 1C, com resfriamento regenerativo. O Merlin 1B nunca foi usado em um veículo de lançamento.

Merlin 1C

Foram produzidas três versões do Merlin 1C. A versão do Falcon 1 tinha um conjunto móvel de exaustão da turbobomba, que direcionava os gases para controlar a rotação do foguete em torno de seu eixo longitudinal. A versão do primeiro estágio do Falcon 9 era quase idêntica, mas seu conjunto de exaustão era fixo. A terceira versão equipava o segundo estágio do Falcon 9 e tinha uma tubeira maior, otimizada para funcionar no vácuo, além de permitir o ajuste do empuxo entre 60% e 100% da capacidade máxima.

A tubeira e a câmara de combustão do Merlin 1C utilizavam resfriamento regenerativo. A turbobomba era a mesma do Merlin 1B, com pequenas alterações. Em novembro de 2007, o motor funcionou por 170 segundos em um teste que reproduziu a duração de uma missão completa. Seu primeiro voo ocorreu em agosto de 2008. Em setembro, ele equipou o Falcon 1 em seu quarto voo, que o tornou o primeiro foguete de combustível líquido desenvolvido pela iniciativa privada a alcançar a órbita. O Merlin 1C também foi usado no voo inaugural do Falcon 9, em junho de 2010.

Na configuração do Falcon 1, o Merlin 1C tinha empuxo de cerca de 347 kN ao nível do mar e 400 kN no vácuo, com impulso específico no vácuo de 304 s. O consumo de propelente era de aproximadamente 136 kg por segundo. Em testes, um único motor acumulou 27 minutos de funcionamento, o equivalente a dez voos completos do Falcon 1. A câmara e a tubeira eram resfriadas por um fluxo de cerca de 45 kg de querosene por segundo, capaz de absorver 10 MW de calor.

O primeiro uso de um Merlin 1C ocorreu na terceira tentativa de lançamento do Falcon 1, que não teve sucesso. Ao comentar a falha, Elon Musk afirmou: "O voo do nosso primeiro estágio, com o novo motor Merlin 1C que será usado no Falcon 9, foi perfeito". O motor foi usado no quarto voo do Falcon 1, concluído com sucesso em 28 de setembro de 2008.

Em 7 de outubro de 2012, o motor Merlin 1C número 1 da missão CRS-1 apresentou uma falha um minuto e vinte segundos após o lançamento. Um clarão pode ser visto nesse momento no vídeo do lançamento. A falha ocorreu quando o veículo atingia a pressão aerodinâmica máxima, ou max-Q. A investigação interna da SpaceX concluiu que o motor havia sido desligado após uma queda repentina de pressão. Apenas sua carenagem aerodinâmica foi destruída, o que gerou os destroços vistos no vídeo. O motor não explodiu, pois o controle em solo recebeu dados dele durante todo o voo. Os outros oito motores funcionaram normalmente e o sistema de bordo ajustou a trajetória, permitindo que a missão principal fosse concluída. A carga secundária, porém, não alcançou a órbita prevista. Os protocolos de segurança destinados a evitar colisões com a Estação Espacial Internacional impediram um segundo acionamento do estágio superior para colocá-la nessa órbita.

A SpaceX planejava desenvolver uma versão de 560 kN do Merlin 1C para os primeiros estágios do Falcon 9 Block II e do Falcon 1e. Esses projetos foram abandonados com a adoção do Merlin 1D e do Falcon 9 v1.1, que tinha um primeiro estágio mais comprido.

Merlin Vacuum 1C

Em 10 de março de 2009, a SpaceX anunciou a conclusão bem-sucedida dos testes do motor Merlin Vacuum. Derivada do Merlin 1C, essa versão tinha uma seção de exaustão maior e uma tubeira de expansão muito mais ampla para aumentar a eficiência no vácuo. Sua câmara de combustão utilizava resfriamento regenerativo. A tubeira de expansão, feita de liga de nióbio e com cerca de 2,7 m de comprimento, utilizava resfriamento por radiação. O empuxo no vácuo era de aproximadamente 411 kN e o impulso específico, de 342 s. Em 2 de janeiro de 2010, o primeiro exemplar de produção, já integrado ao segundo estágio do Falcon 9, foi acionado durante 329 segundos, o tempo previsto para a inserção orbital. Ele voou no segundo estágio do voo inaugural do Falcon 9, em 4 de junho de 2010. Em março de 2009, o Merlin Vacuum em potência máxima tinha a maior eficiência entre os motores de foguete a hidrocarbonetos fabricados nos Estados Unidos.

Uma versão modificada do Merlin Vacuum passou por um teste não planejado em dezembro de 2010. Pouco antes do segundo voo do Falcon 9, foram encontradas duas fissuras na tubeira, feita de chapa de liga de nióbio e com cerca de 2,7 m de comprimento. Os engenheiros cortaram os 1,2 m inferiores da tubeira e o lançamento ocorreu dois dias depois. O desempenho adicional proporcionado pela tubeira mais longa não era necessário para cumprir os objetivos da missão. O motor modificado colocou o segundo estágio em uma órbita que alcançou 11.000 km de altitude.

Merlin 1D

O Merlin 1D foi desenvolvido entre 2011 e 2012 e voou pela primeira vez em 2013. O projeto buscava aumentar a confiabilidade e o desempenho do motor e facilitar sua fabricação. Em 2011, as metas eram um empuxo no vácuo de cerca de 689 kN, impulso específico no vácuo de 310 s, razão de expansão de 16:1, ante 14,5:1 no Merlin 1C, e pressão na câmara de aproximadamente 9,7 MPa, escolhida como ponto ideal de operação. O Merlin 1D foi projetado inicialmente para funcionar entre 70% e 100% do empuxo máximo. Os aperfeiçoamentos feitos a partir de 2013 permitiram reduzir o empuxo para 40%.

A proporção básica entre combustível e oxidante é determinada pelo dimensionamento das tubulações que alimentam cada motor. Uma válvula borboleta controlada por um servomotor ajusta uma pequena fração da vazão total e permite o controle fino da mistura.

Em 24 de novembro de 2013, Elon Musk afirmou que o motor operava a 85% de sua capacidade e que a SpaceX esperava elevar o empuxo ao nível do mar para cerca de 734 kN, com relação empuxo-peso de 180. Essa versão do Merlin 1D foi usada no Falcon 9 Full Thrust e estreou no voo 20.

Em maio de 2016, a SpaceX anunciou novos planos de aperfeiçoamento do Merlin 1D, com empuxo de 914 kN no vácuo e 845 kN ao nível do mar. A empresa previa que o aumento elevaria a capacidade de carga do Falcon 9 para cerca de 22 toneladas em órbita terrestre baixa, em missões sem recuperação do foguete. O ganho de desempenho viria apenas das alterações nos motores. A SpaceX não anunciou outras mudanças no veículo comparáveis às que haviam acompanhado a versão Full Thrust anterior.

Em maio de 2018, antes do primeiro voo do Falcon 9 Block 5, a SpaceX anunciou que havia alcançado a meta de 845 kN. Esse empuxo ao nível do mar se aproxima do fornecido pelos motores H-1 e RS-27, já retirados de serviço, usados nos foguetes Saturno I, Saturno IB e Delta II.

Em 23 de fevereiro de 2024, um dos nove motores Merlin usados no lançamento daquele dia completou sua 22.ª missão e era o exemplar com mais voos acumulados. Com isso, o Merlin já havia superado o recorde de 19 voos do motor número 2019 do ônibus espacial, tornando-se o motor de foguete com mais voos até aquela data.

Merlin 1D Vacuum

Uma versão do Merlin 1D para operação no vácuo foi desenvolvida para o segundo estágio do Falcon 9 v1.1 e do Falcon Heavy. Em 2020, o Merlin 1D Vacuum tinha empuxo de cerca de 981 kN e impulso específico de 348 s, o maior entre os motores de foguete a hidrocarbonetos dos Estados Unidos. O aumento do impulso específico decorre da maior razão de expansão permitida pela operação no vácuo, que chegou a 165:1 com uma extensão de tubeira aperfeiçoada.

O motor pode reduzir o empuxo para 39% do máximo, ou cerca de 360 kN.

Controle dos motores

Os computadores dos motores Merlin utilizam redundância tripla. Cada unidade de processamento tem três computadores que verificam continuamente uns aos outros para garantir tolerância a falhas. Cada um dos dez motores do Falcon 9, nove no primeiro estágio e um no segundo, tem sua própria unidade de processamento.

Turbobomba

A turbobomba de oxigênio líquido e RP-1 dos motores Merlin 1A a 1C foi projetada e desenvolvida pela Barber-Nichols. A turbobomba do Merlin gira a 36.000 rotações por minuto e fornece cerca de 7.460 kW de potência.

Gerador de gás

A turbobomba de cada motor Merlin é acionada por um gerador de gás de ciclo aberto, que queima uma mistura de oxigênio líquido e RP-1 rica em combustível. O sistema é semelhante ao empregado no motor Rocketdyne F-1, usado no programa Apollo.

Merlin 2

Em 30 de julho de 2010, durante a Joint Propulsion Conference do American Institute of Aeronautics and Astronautics, Tom Markusic, diretor das instalações de desenvolvimento de foguetes da SpaceX em McGregor, apresentou os primeiros planos de um novo motor. O Merlin 2 usaria oxigênio líquido e RP-1 em ciclo gerador de gás, com empuxo previsto de cerca de 7.560 kN ao nível do mar e 8.540 kN no vácuo. Ele equiparia os conceitos de veículos de lançamento superpesados que Markusic chamou de Falcon X e Falcon XX. Se construído com esse desempenho, o motor teria superado o empuxo dos F-1 usados no Saturno V.

O Merlin 2 também foi cogitado para versões de maior capacidade do Falcon 9 Heavy. Markusic afirmou que o motor "poderia ser qualificado em três anos por 1 bilhão de dólares". Em meados de agosto, Elon Musk esclareceu que a arquitetura do Merlin 2 era essencial aos planos da SpaceX de desenvolver veículos superpesados e que a empresa pretendia avançar nessa direção. As configurações de foguetes apresentadas por Markusic na conferência, porém, eram apenas "ideias de uma sessão de criação", um "conjunto de ideias para discussão".

Nenhum trabalho posterior em um motor Merlin 2 a querosene e oxigênio líquido foi divulgado publicamente. Na Joint Propulsion Conference de 2011, Musk afirmou que a SpaceX trabalhava no conceito de um motor com combustão em estágios. Em outubro de 2012, a empresa anunciou estudos para um motor que seria "muitas vezes mais potente que a família Merlin 1" e que não usaria RP-1. O motor seria destinado a um novo foguete da SpaceX que, com um conjunto desses motores, poderia colocar cargas de 150 a 200 toneladas em órbita terrestre baixa. Chamado Raptor, ele usaria metano líquido como combustível e foi anunciado com empuxo ao nível do mar de cerca de 6.670 kN. Após o anúncio inicial, Musk reviu a especificação para aproximadamente 2.260 kN, cerca de um terço do valor anterior, com base na otimização da relação empuxo-peso.

Fontes

• Belfiore, Michael (18 de janeiro de 2005). «Race for Next Space Prize Ignites» (em inglês). Wired