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Die Versionen des Merlin Triebwerks

Einleitung

Die Falcon ist eines der Projekte, welche versuchen privat eine Trägerrakete zu entwickeln. Die vom Milliardär Elon Musk gegründete Firma SpaceX entwickelt zwei Trägerraketen, die Falcon I und die erheblich größere Falcon 9. Wie bei der Kistler Rakete liegt ein Schlüssel für den niedrigen Startpreis der Rakete in der Wiederverwendbarkeit. Dabei setzt die Firma SpaceX das selbst entwickelte Merlin Triebwerk ein. In der ersten Stufe der Falcon 1 und 1e je eines. Bei der Falcon 9 neun in der ersten und eines in der zweiten Stufe und bei der Falcon Heavy sogar 28 dieser Triebwerke.

Die Entwicklung des Merlin

Das Merlin Triebwerk der Falcon 1 wird auch in der Falcon 9 verwendet. Seine Entwicklungsgeschichte geht daher bis ins Jahr 2002 zurück. Geplant war zur erst ein Triebwerk mit einer Ablativen Kühlung, wie in der zweiten Stufe der Falcon 1.

Im Juni 2004 konnte Space X den ersten Test eines kompletten Merlin 1 Triebwerks nach 2 Jahren Entwicklungszeit durchführen.

Während der Entwicklung wurde das Merlin Triebwerk im Schub gesteigert von 72.000 auf 77.000 Pfund (322.5 auf 345 kN) damit die Rakete schneller abhebt. Dabei sank jedoch der spezifische Impuls von 3040 auf 2981 m/s im Vakuum. Es gelang nicht den angestrebten Brennkammerdruck von 54.8 Bar zu erreichen. Damit sank auch die Verbrennungseffizienz von 96 auf 94% - ein recht schlechter Wert. Die Triebwerke von Ariane 5 erreichen 98-99 Prozent. So wurde aus dem Merlin 1, das man entsprechend den Spezifikationen nie bauen konnte, das Merlin 1A. Dieses Triebwerk wurde bei den ersten beiden Starts der Falcon 1 eingesetzt.

Die gesamte Testdauer des Merlin 1A bis zum Abschluss der Qualifikation umfasst mit 3000 Sekunden etwa ein Zehntel bis Zwanzigstel, des Wertes der bei anderen neuen Entwicklungen wie dem RS-68 oder Vulcain 2 getestet wurde. Auch bei den Nachfolgemustern hat sich dies nicht geändert. So absolvierte das Merlin 1C 20 Tests über die volle nominelle Brenndauer von 170 s, das sind 3.400 s.

Für die Falcon V wurde dann das Merlin 1B aus diesem Triebwerk heraus entwickelt. Die Turbine liefert 2500 anstatt 2000 Ps und damit mehr Förderdruck. Durch Änderungen im Leitungssystem erlaubt es dann auch eine höhere Flussrate. Weiterhin wird von der Entzündung mit einer Fackel auf eine mit Triethylaluminat (TEA) und. Triethyl-Boran (TEB) umgestellt. Diese hypergolische Zündung wird in den meisten Trägerraketen mit dieser Treibstoffkombination und auch beim Kestrel Triebwerk der zweiten Stufe der Falcon 1 verwendet. Der Schub steigt dadurch zwar an, doch der spezifische Impuls sinkt weiter ab. Das erhöht den Treibstoffverbrauch bzw. senkt bei gleicher Stufengröße die Nutzlast ab. Weiterhin wurde beim Merlin 1B die Rollacchsensteuerung vom Triebwerk entfernt, da geplant war es, in der Falcon V einzusetzen und da reicht eine Rollsteuerung für die ganze Stufe. (Quelle)

Das Merlin 1B wurde ab 2005 entwickelt. Dieses Merlin 1B wurde jedoch dann auch bald vom Merlin 1C abgelöst und absolvierte keinen einzigen Start in einer Trägerrakete. Das Merlin 1C ersetzte ab dem dritten Testflug der Falcon 1 das Merlin 1A.

In der Endstufe sollte das Merlin 1C einen Schub von 557 kN erreichen, doch sind es Ende 2010 noch 420 kN am Boden und 480 kN im Vakuum. Eine Steigerung des Brennkammerdrucks durch eine um 20 % leistungsfähigere Turbopumpe sollte dieses Ziel ab Mitte 2009 ermöglichen, doch selbst beim zweiten Flug einer Falcon 9 wurde es noch nicht eingesetzt. Das Merlin 1C hat einen spezifischen Impuls von 2981 m/s. Es wird regenerativ gekühlt mit 45.4 kg Kerosin pro Sekunde. Der Treibstoffverbrauch beträgt 159 kg/s. Die regenerative Kühlung ist ein Unterschied zum Merlin 1, welches ablativ gekühlt wird. Das Merlin 1C Triebwerk wiegt 522 kg.

Als Grund für diesen Wechsel der Technologie für die Kühlung der Düse nannte Musk, dass man ursprünglich annahm, die Entwicklungskosten so senken zu können und sich dies als falsch erweis. Ein zweiter Grund dürfte sein, dass ein ablativ gekühltes Triebwerk schwerer ist und je größer es ist, desto größer wird der Aufwand für die Kühlung. In der Tat räumte Elon Musk ein, die Entwicklung des Merlin 1 wäre unerwartet schwierig gewesen. Die ablative Kühlung des Triebwerks war nicht ausreichend, so dass man sich entschloss den Brennkammerdruck zu senken und damit den spezifischen Impuls zu verringern. Auch dies dürfte ein Grund sein, warum die Falcon 1 nicht die geplanten 670 kg Nutzlast erreichte. Da durch die nach Brennschluss noch notwendige Kühlung ein kleiner Restschub von etwa 1% des Normalschubs resultiert und dies bei der Stufentrennung nicht berücksichtigt wurde, kollidierte die erste Stufe beim dritten Start der Falcon 1 mit der zweiten Stufe.

Es gibt auf der SpaceX Website eine Diskrepanz in den Werten des Merlin IC (Block II) bei der Falcon 1e und 9. Beide Träger sollen das Block II Triebwerk einsetzen, doch während bei der Falcon 1e der Schub 512 kN beim Start und 569 kN im Vakuum beträgt, sind es bei der Falcon 9 556 / 617 kN. Es spricht allerdings viel dafür, dass dieses schubstärkere Block II Triebwerk niemals eingesetzt wird. Stattdessen wird ab dem siebten Flug der Falcon 9 gleich das Merlin 1D eingesetzt werden und die Falcon 1e wurde inzwischen eingestellt.

Das Zweitstufentriebwerk der Faclon 9 Merlin vacuum ist eine Variation des Erststufentriebwerks. Es erhält eine Düsenverlängerung aus Niob und das Abgas des Gasgenerators wird genutzt um das Triebwerk zu schwenken. Weiterhin ist der Schub etwas geringer und es ist auch im Schub regulierbar. Die Düsenglocke erreicht hier einen Durchmesser von 2,10 m. Beim zweiten Testflug gab es Risse in der Düse, sodass diese gekürzt wurde. Dies soll auch bei den folgenden Flügen beibehalten werden.

2006 gab Elon Musk an, man entwickelte ein Merlin 2, das größte Einkammertriebwerk, das derzeit in der Produktion ist. Obgleich kein Schub angegeben wurde, kann man dessen Schub in etwa eingrenzen. Er muss kleiner sein als der des RD-170 (7900 kN) weil es ein Vierkammertriebwerk ist und kleiner als 7740 kN (F-1 Einkammertriebwerk, aber nicht in Produktion). Das größte Triebwerk das heute in Produktion ist mit einer Brennkammer ist, ist das RS-68 mit 3300 kN Schub. In einem Interview war von 1.5 Millionen Pfund Schub (6670 kN) die Rede, Das Merlin 2 soll einfach eine "hochskalierte" Version des Merlin 1C sein. Nach Ansicht des Autors wird dies so nicht funktionieren, und in der Tat hat man in den letzten vier Jahren nichts mehr vom Merlin 2 gehört. Würde es existieren, so würde SpaceX sicher nicht 27 Triebwerke für die Delta 9 Heavy einsetzen sondern nur drei Merlin 2. Nach Musks Ansicht sollte die Entwicklung des Merlin 2 im Jahre 2006 nur 100 Millionen Dollar kosten.

Die persönliche Ansicht des Autors wurde 2010 von SpaceX offiziell bestätigt, als Zeichnungen einer Falcon XX mit einer Nutzlast im Bereich der Saturn V auftauchten. Die Entwicklungskosten des Merlin 2 dass diese Rakete einsetzt wurden nun nicht mehr mit 100 Millionen, sondern 1,5 Milliarden Dollar beziffert.

Die Falcon Heavy und die Block III Version der Falcon 9 setzen das Merlin 1D ein, welches einen wesentlich höheren Brennkammerdruck aufweist. Es ist wie das Merlin Vakuum im Schub auf 70% drosselbar. Nach Berichten über das Merlin 1D scheint das Block II Design des IC gestorben zu sein, da SpaceX angibt das 1D ab dem siebten Start der Falcon 9 einzusetzen und bis zum sechsten Flug das bisher verfügbare 1C. Die technischen Daten des Merlin 1D stammen von der Falcon Heavy sowie des RLV Grashopper das ebenfalls ein Merlin 1D einsetzt. Es erlaubt die Vergrößerung der Startmasse der Falcon 9 von 333 auf 480 t und der Falcon Heavy von 885 auf 1.400 t.

Von den ingesamt 25 Merlin Triebwerken die bisher bei fünf Falcon 1 und zwei Falcon 9 Starts eingesetzt wurden gab es zwei Ausfälle/Probleme. Zum einen beim Erststart der Falcon 1 und zum zweiten eine von SpaceX "Anomalie" genanntes sauerstoffreiches Treibstoffgemisch im Gasgenerator, dass die Turbine  beschädigen könnte. Es trat zum Glück erst beim Abschalten auf und blieb so ohne Folgen für den Flug.

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Büchertipps

Von mir gibt es mehrere Bücher zum Thema Trägerraketen. Mein bisher umfassendstes Werk ist ein zweibändiges Lexikon über Trägerraketen mit jeweils rund 400 Seiten Umfang. Eine sehr gute, kompakte Übersicht über die Trägerraketen Russlands, Europas, Chinas, Japan Indiens und verschiedener Nationen (Brasilien, Israel, Australien, Nordkorea, Südkorea, Iran) ist das Raketenlexikon: Band 2: Internationale Trägerraketen Der dazu gehörende Band 1 (Raketenlexikon: Band 1: US Trägerraketen) behandelt die amerikanischen Trägerraketen. Jeder Band behandelt die Technik und Geschichte von rund 100 Submodellen in kompakter Form. Die grundlegende Technik eines Modells wird in einem einführenden ersten Kapitel ausführlicher besprochen. Die folgenden Kapitel beinhalten dann die Veränderungen von Subversion zu Subversion. Jeder Typ wird mit einem ausführlichen Datenblatt und einem Startfoto dokumentiert.

Speziell mit der Geschichte der Trägerraketenentwicklung in Europa beschäftigt sich das zweibändige Wert Europäische Trägerraketen 1+2. Band 1 behandelt die nationalen Trägerprogramme (Black Arrow und Diamant) , die glücklose Europa-Rakete und die Ariane 1-4. Band 2 die beiden aktuellen Projekte Ariane 5 und Vega. Beide Bücher sind voll mit technischen Daten, Details zur Entwicklungsgeschichte und zu den Trägern.

Mehr über diese Bücher und weitere des Autors zum Themenkreis Raumfahrt, finden sie auf der Website Raumfahrtbucher.de.

© der Bilder: SpaceX

© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

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