Merlin (moteur-fusée) - Définition

Introduction

Schéma du moteur Merlin

Merlin 1C en cours d'assemblage

Moteur Merlin 1C : à droite l'ex astronaute Ken Bowersox vice président de l'assurance qualité à SpaceX

Le moteur-fusée Merlin est le propulseur utilisé par les lanceurs Falcon 1 et Falcon 9 développés par la société américaine SpaceX. Ce moteur-fusée à ergols liquides brule de l'oxygène liquide et du RP-1 (une variante du kérosène) qui constitue le mélange le plus utilisé par les moteurs développés récemment. Le Merlin a une poussée au niveau de la mer comprise entre 32 et 55,6 tonnes selon les versions.

Historique

Le moteur Merlin 1 est conçu pour les nouveaux lanceurs Falcon 1 et Falcon 9 développés par la société américain SpaceX. Cet établissement est fondé en 2002 par Elon Musk, qui a décidé d'investir dans l'industrie astronautique une partie de la fortune gagnée en vendant les sociétés PayPal et Zip2 Corporation dont il était propriétaire. Le moteur développé doit être peu coûteux et fiable. Pour atteindre cet objectif, l'architecture est simple et utilise des techniques éprouvées. Le moteur tolère des fluctuations dans sa température de fonctionnement et le ratio du mélange d'ergols. La chambre de combustion utilise un injecteur à aiguille simple et robuste reprenant une technologie particulièrement fiable développée pour le moteur du module lunaire Apollo. Le Merlin comprend un minimum de pièces : il est alimenté par une unique turbopompe qui met sous pression à la fois le carburant et le comburant. La turbopompe, qui est mise en mouvement par un générateur de gaz, alimente également en kérosène sous pression le système hydraulique qui permet d'orienter la poussée du moteur. En application du principe de simplicité la première version du Merlin utilise un revêtement ablatif pour son refroidissement. Mais le système, jugé sans doute peu performant, est abandonné à partir du modèle 1C au profit d'un système de refroidissement utilisant le kérosène qui circule dans la paroi de la chambre de combustion et de la tuyère. La tuyère qui évacue les gaz produits par le générateur de gaz est orientable et la poussée est utilisée pour orienter en roulis le premier étage de la fusée Falcon 1. Sur la version utilisée sur le lanceur Falcon 9 l'évacuation des gaz n'est pas orientable. La version utilisée sur le deuxième étage du Falcon 9 dispose d'une tuyère allongée..

Versions

Quatre versions du Merlin ont été développées :

Merlin 1A

Le Merlin 1A est une version peu couteuse, utilisant une tuyère en composite à base de fibre de carbone avec un revêtement ablatif. Il est développé en 2 ans. Au cours de son développement, sa poussée passe de 322,5 à 345 kN pour permettre au lanceur de décoller plus rapidement mais son impulsion spécifique dans le vide tombe de 3040 à 2981 m/s. La pression dans la chambre de combustion n'atteint pas les 54,8 bars visés et la proportion d'imbrulés passe à 6%, une valeur particulièrement mauvaise. Le Merlin 1A n'a été utilisé qu'à 2 reprises sur un lanceur Falcon 1. Le 24 mars 2006 il prend feu à la suite d'une fuite de carburant peu après le lancement et entraine l'échec de la mission. Le 21 mars 2007 il fonctionne parfaitement.

Merlin 1B

Le Merlin 1B est une version améliorée du 1A capable de produire 38 tonnes de poussée. L'accroissement des performances est obtenu en améliorant l'efficacité de la turbopompe avec une turbine développant une puissance de 1860 kw (au lieu de 1490 kw). Le Merlin 1B doit équiper le lanceur lourd Falcon 9 dont le premier étage doit recevoir 9 moteurs de ce type. Les premiers vols du lanceur Falcon 1 entrainent l'abandon du Merlin 1B et le lancement du Merlin 1C refroidi par par circulation d'ergols.

Merlin 1C

Le Merlin 1C possède une tuyère et une chambre de combustion équipées d'un système de refroidissement par circulation d'ergols. Le premier tir effectué avec succès correspondant à la durée de fonctionnement (170 seconds) a été réalisé en novembre 2007. Lorsqu'il équipe le Falcon 1, le Merlin 1C a une poussée au niveau de la mer de 35 tonnes et dans le vide de 40 tonnes et une impulsion spécifique de 2 966 m/s. Il consomme 140 kg de carburant par seconde. Au cours de plusieurs tests successifs le même moteur Merlin 1C a fonctionné durant 27 minutes en durée cumulée correspondant au temps de 10 vols Falcon 1. Dans la version qui doit être utilisée sur le Falcon 1e (une version améliorée du Falcon 1) et le Falcon 9, le Merlin 1C fournit une poussée de 56 tonnes au niveau de la mer pour une impulsion spécifique de 2 943m/s. La masse à vide est de 522 kg.

Le Merlin 1C a été utilisé pour la première fois au cours du troisième vol du Falcon 1, qui échoue à la suite d'une défaillance du second étage. Installé sur le premier étage, son fonctionnement est néanmoins irréprochable selon Elon Musk. Cette version est utilisé sur le quatrième vol (réussi) du Falcon 1 le 28 septembre 2008

Merlin Vacuum

Le Merlin Vaccum (vide) est une version du Merlin 1C optimisée pour le fonctionnement dans le vide et qui équipe le deuxième étage du lanceur Falcon 9. La tuyère est allongée pour permettre une meilleure efficacité dans le vide. La chambre de combustion est équipée d'un système de refroidissement par circulation d'ergols tandis que l'extrémité inférieure de la tuyère réalisée en alliage de niobium évacue la chaleur par rayonnement. Cette version peut être redémarrée deux fois et dispose d'un double système d'allumage pour réduire les risques. Le moteur délivre une poussée dans le vide de 44,5 tonnes dans le vide modulable de 60 à 100% pour une impulsion spécifique de 3 355 m/s. Le moteur est monté sur cardan pour orienter la poussée en lacet et tangage tandis que le déplacement en roulis est réalisée par le biais de la sortie du générateur de gaz. Le temps de fonctionnement nominal sur le Falcon 9 est de 354 secondes. Le premier moteur a été testé pour la durée d'utilisation (329 secondes) le 2 janvier 2010.