Merlin (moteur-fusée)

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Schéma du moteur Merlin

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 brûle 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[modifier | modifier le code]

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 peu performant et nettement plus lourd, 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[1].


Versions[modifier | modifier le code]

Quatre versions du Merlin ont été développées :

Merlin 1A[modifier | modifier le code]

Le Merlin 1A est une version peu coûteuse, 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. Au cours du premier vol, 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, lors du deuxième lancement du Falcon 1, il fonctionne parfaitement.

Merlin 1B[modifier | modifier le code]

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 : la turbine développe une puissance de 1860 kW au lieu de 1490 kW. Selon les plans initiaux le Merlin 1B doit équiper le lanceur lourd Falcon 9 dont le premier étage doit recevoir 9 moteurs de ce type. Les résultats des premiers vols du lanceur Falcon 1 entrainent l'abandon du Merlin 1B et le développement du Merlin 1C, qui contrairement au 1B est refroidi par circulation d'ergols.

Merlin 1C[modifier | modifier le code]

Le Merlin 1C est caractérisé par une tuyère et une chambre de combustion refroidies par circulation d'ergol. Le premier test de cette version du moteur sur une durée correspondant à son fonctionnement lors d'un lancement (170 secondes) est réalisé en novembre 2007 [2],[3]. Le Merlin 1C qui équipe le Falcon 1 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[4]. 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 2 943 m/s[5]. La masse à vide est de 522 kg.

Le Merlin 1C est utilisé pour la première fois au cours du troisième vol du Falcon 1. Bien que le lancement ait été un échec à la suite d'une défaillance du second étage, le fonctionnement du Merlin 1C est irréprochable selon Elon Musk[6]. Cette version est utilisée sur le quatrième vol réussi du Falcon 1 le 28 septembre 2008[7] puis sur les deux premiers vols du Falcon 9 en 2010.

Merlin 1C Vacuum[modifier | modifier le code]

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 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[8],[9]. Le premier moteur a été testé pour la durée d'utilisation (329 secondes) le 2 janvier 2010[10]. Il a été utilisé sur les deux vols Falcon 9 de 2010.

Merlin 1D[modifier | modifier le code]

Les performances de la première version du lanceur Falcon 9, baptisée V1.0, sont inférieures à celles attendues et SpaceX décide de développer une version plus puissante du Merlin. Le Merlin 1D développe 65 t de poussée au niveau de la mer contre 35 t pour la version précédente. Ce gain est obtenu en augmentant de 50% la pression dans la chambre de combustion qui passe à 97 bars. De plus la poussée est désormais modulable de 70 à 100%. Le Merlin 1D équipe une nouvelle version du lanceur nettement allongé, la version V1.1, qui effectue son premier vol couronné de succès le 29 septembre 2013.

Synthèse des caractéristiques techniques[11].
Merlin 1 Merlin 1A Merlin 1B Merlin 1C Merlin 1C vide Merlin 1C amélioré Merlin 1D Merlin 1D vide
1er vol - - - - - - 29/9/2013 29/9/2013
Masse - - - 522 kg - - - -
Poussée au sol 322,5 à 345 kN 324 kN 349 kN 422 kN 556 kN 512/556 kN 654 kN -
Poussée dans le vide 378 kN 369 kN 394 kN 482 kN - 569/617 kN kN 716 kN 801 kN
Ratio masse/poussée - - - - - - - -
Pression chambre de combustion 54,8 bars 55 bars 58 bars 58 bars 67,7 bars 67,7 bars 97,2 bars 97,2 bars
Rapport de détente 14,5 14,5 14,5 14,5 117 14,5 16 117
Vitesse d'éjection (vide) 3041 m/s 2829 m/s 2966 m/s 2981 m/s 3355 m/s 2981 m/s 3040 m/s -
Vitesse d'éjection (au sol) - - 2559 m/s 2622 m/s - 2696 m/s 2766 m/s -
Refroidissement tuyère revêtement ablatif refroidi par le RP-1
Autre caractéristisque - - - - - - Poussée modulable de 70 à 100%
Utilisation - 1er étage Falcon 1 - 1er étage Falcon 1
1er étage Falcon 9 V1.0
2ème ét. F9 V1.0 - 1er ét. F9 V1.1 2ème ét. F9 V1.1
Statut - production arrêtée abandonné production arrêtée production arrêtée abandonné en production

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]