Disclaimer: цей матеріал містить дані, не підтверджені компанією-власником ракетної техніки, про яку йтиметься, та отримані за допомогою власних розрахунків. Також стаття вийшла доволі насиченою, тому якщо Вас цікавить лише висновок — одразу спускайтесь в самий вниз.

Merlin 1D Vac. є найефективнішим рідинним ракетним двигуном (скорочено — “РРД”), що використовує вуглеводневе пальне та “LOX” (рідкий кисень) як окисник. У вакуумі питомий імпульс (скорочено “ПІ” або “Isp”) цього двигуна складає 348с., що на десятку більше, ніж у радянського “РД-180”, який є двигуном замкнутого циклу!

Під час місії “Transporter 7”, яка відбулась 15 квіт. 2023 р., ми помітили, що сопло Merlin 1D Vac. було вкорочене. Я одразу припустив, що найімовірніше така модифікація двигуна пов’язана з достатньою ΔV (характеристична швидкість) ракети, якої з головою повинно вистачити для виконання місії. Простими словами — в баках ракети палива було більше, ніж потрібно для виведення корисного вантажу на потрібну орбіту. Вкоротивши сопло, ми знизимо ефективність двигуна, проте це можна компенсувати “зайвим” пальним, яке є у баках.

Трошки контексту. Ракетний двигун, спалюючи паливо, розганяє та “виштовхує” з себе продукти згорання (скорочено — “ПЗ”). Чим більша швидкість, якої можуть досягти ПЗ на виході з сопла, тобто в момент, коли вони покидають двигун, тим більше значення тяги та ПІ двигуна, та більший вантаж, який ракета може доставити на конкретну орбіту, при однаковій кількості палива. Швидкість ПІ на виході з сопла залежить від відношення тисків у камері згорання (скорочено — “КЗ”) та на т.з. “зрізі сопла” — чим більше це співвідношення, тим ефективніше працює двигун. Щоб досягти якомога меншого тиску на виході з сопла його потрібно якомога більше розширити, тобто збільшити вихідний діаметр. Часто це явище описують терміном “розширення сопла” (яке дорівнює відношенню площі зрізу сопла, до площі т.з. “критичного січення” (найвужчого місця в сопла) — того самого, біля якого бігають “мишки” на запусках Falcon 9).

Merlin 1D Vac. має сопло з розширенням аж 165, в той час як версія двигуна призначена для встановлення на перший ступінь — 16. У вакуумі на двигун не діє атмосферний тиск, що дозволяє більше розширити сопло та отримати ще трошки ефективності.

Проте не можна нескінченно збільшувати сопло… Потрібно знайти “золоту середину”, коли двигун вже достатньо досконалий та водночас має якомога меншу масу та розміри.

Сопло двигуна виготовляють з ніобієвого сплаву, який є доволі дорогим. А з повномасштабним вторгненням “РФ” на територію України ціна на цей матеріал іще збільшилась (адже Росія є великим експортером цієї сировини). Ймовірно Space X якраз задля зниження вартості двигуна вкоротила його сопло — зменшила кількість “дорогоцінного” сплаву у його конструкції.

Тепер щодо характеристик двигуна з вкороченим сопловим насадком. Як я вже казав вище, зменшуючи розширення сопла, ми водночас втрачаємо ПІ двигуна. Мені одразу ж стало цікаво, про які втрати йдеться, тому я вирішив зробити розрахунки…

“Charlie Garcia” (YouTube) у своєму відео, присвяченому місії Transporter 7, надав зображення кількох сопел. Також він прикріпив графік залежності ПІ Merlin 1D Vac. від розширення його сопла.
Я використав ці дані. Порахувавши розширення “модернізованого” двигуна (використовуючи перше фото), яке становить 74, я визначив значення ПІ — 339с. Тобто втрата ефективності приблизно 3%.

Я не став довіряти тому, що опублікував “Charlie Garcia”, тому вирішив зробити повністю власне дослідження (це було щось)…

Використовуючи відеоматеріали з місій One Web-17, Crew-6 та, власне, Tr-7, і кілька методів я отримав значення розширення сопла Merlin-а 74-75. Далі, використовуючи термодинаміку та трохи магії, я розрахував ПІ двигуна. Він склав близько 335-ти секунд, тобто втрата ефективності ≈ 4%.

Отже результати отримані з даних “Charlie Garcia” та повністю мої розрахунки дали схожі результати. Спиратись на них, як на 100% достовірну інформацію, звісно, не можна, проте вони дають можливість уявити картину. А 3-4% питомого імпульсу — це цифри, за якими у звичайний час двигунобудівельники женуться…

Першоджерело.