Falcon 9 ( — «сокіл») — група одноразових і частково багаторазових ракет-носіїв (РН) сімейства Falcon американської компанії SpaceX. «9» — це кількість двигунів, встановлених на першому ступені ракети.
У залежності від профілю місії (маса корисного навантаження, орбіта чи вимоги клієнта) цю РН відносять до середнього або важкого класу. Слід зауважити, що ця ракета ні разу фактично не виконала місію важкого класу (вважається, що для цього потрібно вивести 20 т КН на ННО). Найважче навантаження було виведене під час місії Starlink G 4-23, де було виведено 54 супутника Starlink. Загальна маса склала майже 17 т. При цьому 1-й ступінь успішно здійснив посадку на автоматичний дрон в Атлантиці. У разі одноразового пуск теоретично ця ракета може виводити і більше 20 т на ННО, але такого вантажу не було у профілі компанії. У поточній версії ракети — Block 5 — перший ступінь після запуску і виконання своєї місії по підйому вантажу (супутника тощо) може повертатися на спеціальний майданчик (на землі чи на той, що плаває в океані ASDS) і використовуватися повторно. 21 грудня 2021 року відбулося соте успішне приземлення. А 17 червня 2022 року той самий прискорювач злітав тринадцятий раз. Також повторно використовується обтікач корисного вантажу. Наразі рекордними є 14 польотів першого ступеня.
У 2008 році SpaceX підписала контракти з NASA щодо постачання вантажів до МКС в рамках програми Commercial Resupply Services. Доставка здійснювалась вантажним космічним кораблем Dragon першого покоління, що запускався на орбіту ракетою-носієм Falcon 9. Також за допомогою цих ракет SpaceX запускає пілотовані КК Dragon 2 до МКС за програмою Commercial Crew Development та вантажні за програмою CRS-2. Перша тестова безпілотна місія SpaceX DM-1 відбулася 2 березня 2019 року, важливе випробування під назвою «In-flight abort test» — 19 січня 2020 року.
Вперше (від останнього польоту Спейс Шаттла) запуск «двох астронавтів із американської землі» та ще й приватною компанією відбувся 30 травня 2020 року (місія SpaceX DM-2). Вони успішно повернулися із МКС на Землю через два місяці — 2 серпня 2020 року.
Варіанти Falcon 9
Falcon 9 v1.0 (block 1) — складався з першого ступеня без бокових прискорювачів і другого ступеня. Двигуни Merlin 1C, вага ракети 318 т. Передбачалося, що вартість запуску цього РН складе $56 млн, маса виведеного вантажу на НОО — 9 т і на ГПО — 3,4 т Falcon 9 v1.1 (Block 2) — складався з подовженого (у порівнянні з v1.0) першого ступеня і другого ступеня. Двигуни Merlin 1D+, вага ракети 480 т. Змінено розташування двигунів. Замість трьох рядів по три двигуни викор-ся компоновка з центральним двигуном і розташуванням решти по колу. Маса виведеного вантажу на НОО — 13 т і на ГПО — 4,8 т Falcon 9 Full Thrust Block 3 (v1,2) — версія, на якій вдалося вперше успішно посадити перший ступінь. Falcon 9 Block 4 — перехідний етап до Block 5. Falcon 9 Block 5 — є завершальною версією для ракет сімейства Falcon. Її двигуни мають збільшену тягу (у порівнянні із Block 3), а сама ракета — ще більш покращений термозахист та малий проміжок часу на відновлення між запусками. Falcon Heavy (укр. Важкий, Heavy) — має додаткову пару приєднаних збоку бічних прискорювачів на базі першого ступеня. Тобто, Heavy оснащений 27-ма двигунами Merlin 1D+, загальною тягою на рівні моря — 22'819 кН. Вартість запуску цього РН $90–135 млн, маса виведеного вантажу на НОО — 63,8 т і на ГПО — 26,7 т. Falcon Heavy наразі — найпотужніша із існуючих ракет у світі і друга за потужністю в історії після Сатурн V (тобто з усіх РН, що коли-небудь виводили вантаж на НОО без довиведення).
Історія створення та розвитку
Головна перевага SpaceX, що спрощує і здешевлює польоти у космос — це застосовування ракет, конструкційні елементи яких використовуються повторно. Під час їх розробки Ілону Маску довелося подолати багато перешкод (). Спочатку їх конфігурація, схема розміщення двигунів, самі двигуни та елементи пального були дещо іншими, ніж зараз. Але численні тести та вже проведені вдалі і невдалі запуски призвели до появи ракети Falcon 9 Full Thrust, на якій було встановлено перший ступінь, що зміг вперше успішно повернутися на Землю.
У 2013 році почалися випробування посадки першого ступеня ракети-носія Falcon. 2 травня 2014 року SpaceX поділилася відео другого тестового польоту (зліт і посадка) першого ступеня на території . Висота підйому порівняно з попереднім запуском зросла в чотири рази і досягла 1000 м.
14 вересня 2017 року SpaceX опублікувала відео, яке ілюструє весь тяжкий шлях, що довелося здолати їх команді, для досягнення можливості повторного використання першого ступеня.
22 грудня 2015 року, після того, як Falcon 9 Full Thrust успішно вивела на орбіту 11 супутників (місія ), 1-й ступінь ракети вперше зумів здійснити вертикальне приземлення на посадковий майданчик, що знаходиться на базі ВПС США на мисі Канаверал .
8 квітня 2016 року, вперше, в ході місії CRS-8, було здійснено повернення і м'яку посадку першого ступеня ракети-носія Falcon 9 FT на плаваючу платформу Autonomous spaceport drone ship «Of Course I Still Love You», яка відпливла в океан так, що відстань між нею і стартовим майданчиком склала 660 км.
20 січня 2021 року SpaceX у восьме запустила один і той же перший ступінь, вивівши на орбіту супутники Starlink, це був 105-й запуск ракет покоління Falcon 9. Перед цим ще один ступінь полетів сьомий разОдна й та сама ракета SpaceX ввосьме доставила вантаж на орбіту , УП, 21 січня 2021. Крім того, одна половина обтікача використовувалася вчетверте, а інша — втретєSpaceX повторила власний рекорд , УП, 5 березня 2021.
27 квітня 2024 року, о 20:34 (за східним часом), (28 квітня, 03:34 — за київським часом), було здійснено черговий успішний запуск ракети-носія Falcon 9, яка вивела на орбіту пару супутників системи навігації Galileo GM25 і FM27Falcon 9 запускає навігаційні супутники Galileo. 28.04.2024, однак, в ході повторного використання першого ступеня у 20-й раз, ступінь вперше впала в океан, замість того, щоб здійснити м'яку посадку на спеціальну плавучу платформуПерший ступінь ракети SpaceX Falcon 9 потонув після 20-го успішного запуску. 29.04.2024.
11 серпня 2024 року компанія SpaceX успішно запустила в космос одну і ту ж ракету-носій Falcon 9 в 22-й раз, чим встановила своєрідний рекорд живучостіSpaceX Falcon 9 встановила рекорд живучості - одна і та ж ракета злітала в космос 22 рази. 13.08.2024.
Перший ступінь
Як пальне, на першому ступені використовується очищений гас RP-1 (m=123,57 т, t=-7 °C), а як окисник — надохолоджений рідкий кисень (m=287,43 т, t=-207 °C). Значне охолодження елементів палива дозволяє помістити більшу їх масу в той самий об'єм паливних баків. Щоб зберегти низьку температуру, заправка окисника починається за ~35 хв, а пального — за ~30 хв до старту. Під час польоту середня витрата палива становить2'450 кг/с.
Обидва баки, в яких знаходяться паливні елементи, виконані із алюміній-літієвого сплаву (літій додає міцності конструкції і зменшує її вагу) . Стінки верхнього баку самі по собі є несучою конструкцією, а от стінки нижнього підсилені шпангоутами і поздовжніми балками, так як саме до нижньої частини першого ступеня прикладається найбільше навантаження. Окисник надходить до двигунів трубопроводом, що проходить по осі паливного бака. Для створення підвищеного тиску в баках застосовується стиснений гелій.
У нижньому торці першого ступеня за схемою octaweb встановлені 9 двигунів Merlin 1D+ (саме тому у назві ракети присутня цифра «9») зі збільшеною тягою і питомим імпульсом. Така схема значно спрощує процес збирання відсіку для двигунів. Для їх запуску використовується самозапалювальна суміш триетилалюмінію і триетилборану . При посадці задіяно три двигуни, що мають систему запалювання для повторного запуску.
Система керування польотом першого ступеня оснащена трьома резервними комп'ютерами на кожному двигуні. Вони постійно перевіряють одне одного, що значно підвищує відмовостійкість. На цих комп'ютерах встановлена операційна система Linux. Інерціальна навігація та GPS, що встановлені на першому ступені, співпрацюють із основним бортовим комп'ютером другого ступеня і використовуються під час посадки.
Послідовність процесів запуску РН передбачає можливість зупинки цієї процедури, керуючись даними перевірки стану двигунів і різноманітних систем ракети-носія. З цією метою стартовий майданчик оснащений чотирма спеціальними зажимами, які ще деякий час утримують першу ступень після початку роботи двигунів. Якщо будуть виявлені якісь неполадки, запуск зупиняється і пальне з баків відкачується. Таким чином проводяться стендові випробування і проявляється можливість повторного використання ракети. Система керування польотом працює так, що політ буде здійснюватись навіть в разі відмови двох двигунів за рахунок довшого ввімкнення інших семи. Наприклад, під час першого запуску КК Dragon із місією CRS-1 на 79 с польоту у період максимального аеродинамічного спротиву відбувся зрив захисного конічного обтікача одного із двигунів. Через втрату у ньому тиску його робота була зупинена. Тому іншим восьми двигунам першого ступеня, а також двигуну другого ступеня, довелося працювати довше. І, хоча, додатковий вантаж не вдалося доставити на заплановану орбіту, основна місія по підйому КК Dragon до МКС була здійснена.
З'єднання першого ступеня з другим здійснюється через перехідний ступінь (4,5 м довжиною), виготовлений з алюмінію, вкритого вуглецевим волокном . Він має витримувати вагу 2-го ступеня та корисного вантажу. В перехідному ступені розміщується двигун Merlin 1D Vacuum другого ступеня, гідравлічне оснащення решітчастих плавників та холодногазова РСК. SpaceX намагається уникати використання піротехніки, тому відстикування ступенів здійснюється пневматичними штовхачами, що розділяють цангові з'єднання. На Falcon 9 FT присутні чотири такі точки контакту.
Реактивна система керування (РСК) на першому ступені ракет-носіїв сімейства Falcon 9 використовує охолоджений стиснений азот. Він під тиском випускається із восьми газових сопел, розміщених у двох блоках (попереду, позаду, з одного вільного боку і знизу кожного блоку). Робота сопел, що направлені вниз, здійснює поштовх пального згори донизу (до забірного отвору) у баках, щоб відбувся перезапуск основних двигунів Merlin 1D+ і почалося гальмування. Позаяк блоки РСК розташовані по боках у верхній частині ступеня, то вони можуть використовуватися для керування польотом у трьох площинах.
Розглядаючи запуск 30 жовтня 2017 року, можна побачити, що перші 15 с після старту ракета летить вертикально, потім нахиляється і лягає на заданий курс. Протягом підйому вона досягає швидкості звуку, але уповільнюється на 76 с польоту, долаючи Максимальне динамічне навантаження. Після 2 хв. 30 с польоту на висоті 67 км, коли швидкість становить 2282 м/с відбувається вимкнення основних двигунів (МЕСО). Через 3 с після цього здійснюється відстикування першого ступеня і він, вмикаючи на кілька секунд центральний двигун і керуючись рушіями РСК робить маневр, щоб уникнути впливу полум'я від двигуна 2-го ступеня. Піднімаючись до максимальної висоти у 119 км, перший ступінь розвертається у напрямку ASDS, зменшуючи таким чином витрати пального.
Потім, рухаючись двигунами вперед, він входить у атмосферу, де і починають працювати чотири титанові решітчасті плавники (керма висоти) розміром 159 см х123 см. Вони розташовані у верхній частині ступеня і спочатку притулені до його боків. Після відстикування від другого ступеня, решітчасті плавники розкриваються і під час спуску в атмосфері (особливо, коли вимкнені двигуни), рухаючись, стабілізують обертання першого ступеня (крен, тангаж та рискання) і можуть змінювати його кут атаки для прицільного приземлення в задану точку. Їх рух керується замкненою гідравлічною системою, а термостійкість сприяє повторному використанню Повідомлення Ілона Маска у Twitter 25 червня 2017.
Знизившись до висоти у 58 км (6 хв. 28 с польоту), перший ступінь вмикає три двигуни на 22 с, зменшивши свою швидкість із 1450 м/с до 857 м/с.