SpaceX vacuum Merlin engine redesign: ignition transient analysis and test bench development in EcosimPro

Liquid rocket engines based on gas-generator cycles represent a simple and reliable solution, but they sacrifice performance by discarding part of the propellants and may suffer from operational limitations related to combustion by-products. The SpaceX Vacuum Merlin engine, operating on an RP-1/LOX open cycle, is a clear example, as its fuel-rich gas generator produces soot that prevents cycle closure and limits overall efficiency. The increasing interest in methane motivates the investigation of alternative architectures. This work carried out at Novaeka Company based in Padova, investigates a theoretical redesign of the Vacuum Merlin engine by replacing RP-1 with LCH4 and adopting a fuel-rich staged combustion closed cycle. A previous steady-state analysis demonstrated the thermodynamic feasibility. The present work extends the assessment to a full transient analysis, with particular focus on engine start-up. A detailed model was developed in EcosimPro, and used to simulate ignition in vacuum conditions, analyse valve sequencing, turbopump spin-up, and evaluate overall system stability. The model was further extended including the chill-down phase and a conceptual test bench for the sea level version, allowing the investigation of a realistic test sequence and its impact during hot-fire operation. In addition, a Design of Experiments approach was applied to quantify the sensitivity of engine performance and health parameters to propellant inlet temperatures and turbomachinery efficiency variations. Overall, the results show that stable operating conditions can be achieved through a controlled ignition sequence, consistent with steady-state predictions. The integrated test bench simulations highlight the practical difficulty of maintaining ideal cryogenic conditions at engine inlet, also indicating that engine performance is primarily driven by oxidizer inlet temperature and turbine efficiency. However, the achievable performance gains with respect to the original Merlin architecture remain limited, while system complexity, engine length and volume increase. Although technically feasible, the redesigned Merlin offers no decisive advantage over the existing architecture, providing insight into why such a solution has not been adopted in any operational launch systems.

I motori a razzo a propellente liquido con ciclo a generatore di gas sono semplici e affidabili, ma le prestazioni vengono penalizzate in quanto parte dei propellenti viene espulsa e possono inoltre avere limitazioni operative dovute ai prodotti di combustione. Il motore Merlin di SpaceX, ottimizzato per il vuoto, adotta un ciclo aperto con RP-1/LOX e ne costituisce un esempio: il generatore di gas, operante in ambiente ricco di combustibile, produce fuliggine, impedendo la chiusura del ciclo e limitando l’efficienza. L’interesse crescente per il metano sta quindi spingendo la ricerca verso soluzioni alternative. Questo lavoro, svolto presso l’azienda Novaeka situata a Padova, analizza la riprogettazione teorica del motore, sostituendo RP-1 con LCH4 e adottando un ciclo chiuso a combustione stadiata in eccesso di combustibile. Una precedente analisi stazionaria ne aveva confermato la fattibilità. Il presente studio la estende includendo la fase transitoria con particolare attenzione alla fase di avviamento. È stato sviluppato un modello dettagliato del motore in EcosimPro per simulare l’accensione in vuoto, analizzare la sequenza di apertura delle valvole, l’avvio delle turbopompe e la stabilità del sistema. Il modello è stato poi ampliato per includere il raffreddamento dei tubi e la progettazione di un banco di prova per la versione ottimizzata a livello del mare, permettendo lo studio di un test realistico e l’impatto sul motore. È stato inoltre utilizzato un approccio basato sul disegno degli esperimenti per valutare la sensibilità delle prestazioni e dei parametri di integrità alle variazioni di temperatura dei propellenti e di efficienza delle turbomacchine. I risultati mostrano che condizioni operative stabili possono essere ottenute con una corretta sequenza di accensione, in linea con le previsioni dello studio stazionario. Le simulazioni con il banco di prova evidenziano la difficoltà di mantenere condizioni criogeniche ottimali all’ingresso e indicano che le prestazioni dipendono principalmente dalla temperatura dell’ossidante e dall’efficienza della turbina. Tuttavia, i miglioramenti prestazionali rispetto al Merlin originale sono limitati, mentre aumentano complessità, lunghezza e volume del motore. Pur essendo tecnicamente fattibile, questa versione non offre vantaggi significativi rispetto all’architettura esistente, spiegandone la mancata adozione.