Falcon 9 — двустепенна многократно използваема ракета-носител на SpaceX
Falcon 9 е двустепенна многократно използваема ракета-носител, проектирана и произведена от SpaceX в САЩ. Основната ѝ отличителна черта е възможността за повторно използване на първата степен: последните версии могат да се връщат на Земята, да извършват управляемо кацане и да бъдат подготвяни за повторни полети. Както първата, така и втората степен се задвижват от двигатели Merlin на SpaceX, които използват криогенен течен кислород (LOX) и ракетен керосин (RP-1). Името "Falcon 9" идва от измисления космически кораб от "Междузвездни войни" — "Хилядолетният сокол", а цифрата 9 означава деветте двигателя на първата степен.
Дизайн и архитектура
Ракетата е двустепенна: първата степен носи основната тяга при изстрелването и после се отделя, след което изпълнява маневри и каца вертикално на суша или плаваща платформа (дронски кораб). Втората степен продължава полета и извежда полезния товар в целевата орбита. Първата степен е снабдена с осем или девет двигателя Merlin (в зависимост от версията) и разполага с разгъваеми крака за кацане, управляващи повърхнини (grid fins) и други системи за повторно използване. Патентованите технологии и инженерни решения позволяват на SpaceX да намалява разходите за достъп до орбита чрез многократна употреба на основните елементи.
Двигатели и гориво
Двигателите Merlin използват течен кислород (LOX) и RP-1 (рафиниран керосин). Merlin е проектиран за висока ефективност, добър импулс и възможност за бързо стартиране многократно при подготвяне на повторни полети. Втората степен използва вариант на двигателя, оптимизиран за работа в вакуум.
Варианти и история на развитието
- v1.0 (2010–2013) — първите полети; първият полет на Falcon 9 се състоя на 4 юни 2010 г.
- v1.1 (2013–2016) — преработен корпус и конфигурация на двигателите; първи полет на 21 септември 2013 г.
- Full Thrust / v1.2 (от декември 2015 г.) — увеличена тяга и подобрения по горивната система; първи полет на 22 декември 2015 г.
- Block 5 (представен май 2018 г.) — окончателната производствена версия на Falcon 9 Full Thrust с допълнителна тяга, подсилено защитно покритие за повторни полети, подобрени крака за кацане и други усъвършенствания, целящи бърза подготвителна обработка преди следващ старт.
- Falcon Heavy — вариант с по-голяма полезна тяга, съставен от централен корпус, базиран на първата степен на Falcon 9, и два прикачени странични ускорителя (първи степени на Falcon 9). Първият полет се извърши през февруари 2018 г.
Производителност и полезен товар
Falcon 9 може да изведе до около 22 800 kg в ниска околоземна орбита (НЗО). В пълно изстрелване (експендъбъл режим) тя може да пренесе приблизително 8 300 kg до геостационарна трансферна орбита (GTO); при възстановяване на първата степен този капацитет спада — около 5 500 kg до GTO. Полезният товар се поставя под двучастен товарен обтекател (fairing), чийто вътрешен обем е приблизително 145 кубични метра (около 145 куб. м). Най-тежките спътници, изведени на GTO от Falcon 9, включват Intelsat 35e (ок. 6 761 kg) и Telstar 19V (ок. 7 075 kg).
Възстановяване и многократна употреба
Една от ключовите иновации е възможността за кацане и повторно използване на първата степен. Кацащите апарати имат разгъваеми крака и grid fins за контрол на спускането. Каца се както на сухопътни площадки, така и на плаващи дронски кораби в океана (например платформи с имена като "Of Course I Still Love You" и "A Shortfall of Gravitas"). SpaceX също така разработва и техники за улавяне и повторно използване на товарните обтекатели — половинките на fairing-а, които падайки, могат да се спират с парашути и/или да бъдат връщани и рециклирани.
Мисии, сертификации и постижения
През 2008 г. SpaceX спечели договор по програмата на НАСА за търговско снабдяване (Commercial Resupply Services, CRS) за доставки до Международната космическа станция (МКС). Първата мисия по този договор с Falcon 9 и капсулата Dragon стартира на 8 октомври 2012 г. Falcon 9 е сертифицирана и за полети с хора до МКС; капсулата Crew Dragon извърши първия пилотиран полет (Demo‑2) с астронавти на 30 май 2020 г., което бе историческо събитие за комерсиалните пилотирани полети от САЩ от 2011 г. насам.
Falcon 9 е сертифицирана за националната сигурност и за мисии на НАСА с категория 3, което позволява нейното използване при високо критични и сложни космически мисии. Ракетата също така извежда голям брой търговски спътници, научни полезни товари и стотици спътници за мрежата Starlink на SpaceX. На 24 януари 2021 г. Falcon 9 постави световен рекорд, като изведе 143 спътника в един старт.
Чести употреби и статистика
- От юни 2010 г. до март 2013 г. бяха изстреляни няколко ракети от дизайн v1.0.
- Версията v1.1 извърши десетки изстрелвания между 2013 и 2016 г.
- Full Thrust (v1.2) и по-късно Block 5 доведоха до значително увеличаване на честотата на изстрелванията и възможностите за реизползване.
- Някои първи степени са били използвани повече от десет пъти, което демонстрира надеждността и икономическите предимства на многократната употреба.
Значение и бъдеще
Falcon 9 промени модела на комерсиалните космически полети, като намали цената за достъп до орбита и направи възможни по-чести и рутинни полети. Тя е една от първите комерсиални ракети, сертифицирани за превоз на хора и един от двигателите на развитието на нови услуги като масови малкисателитни констелации (напр. Starlink) и бързи товари за научни програми. В дългосрочен план SpaceX планира да замени Falcon 9 и Falcon Heavy с по-голямата система Starship, проектирана за още по-големи полезни товари и междуконтинентални/междупланетни мисии.
Някои ключови дати
- Първи полет на Falcon 9: 4 юни 2010 г.
- Първа доставка до МКС (CRS): 8 октомври 2012 г.
- Първи полет на Falcon Heavy: февруари 2018 г.
- Въвеждане в експлоатация на Block 5: май 2018 г.
- Първи пилотиран полет с Crew Dragon (Demo‑2): 30 май 2020 г.
- Рекордно изстрелване с 143 спътника: 24 януари 2021 г.
Falcon 9 продължава да се използва широко както за държавни, така и за търговски мисии. Постоянните подобрения, бързият темп на изстрелвания и успешните операции по възстановяване я правят една от най-важните и разпространени ракети-носители в съвременната космонавтика.
История на разработката
Концепция и финансиране
През октомври 2005 г. SpaceX заяви, че ще изстреля Falcon 9 през първата половина на 2007 г. Първото изстрелване е осъществено през 2010 г.
SpaceX похарчи собствени средства, за да създаде Falcon 1. Създаването на Falcon 9 беше по-бързо, защото НАСА помогна с разходите. Те също така заявиха, че ще закупят няколко търговски полета. Това започна с пари от програмата за търговски орбитални транспортни услуги (COTS) през 2006 г. Договорът беше Споразумение по космическия закон (Space Act Agreement - SAA) "за разработване и демонстриране на търговска услуга за орбитален транспорт". Той включваше заплащане от НАСА на три демонстрационни полета. Договорът беше на стойност 278 млн. щ.д. за осигуряване на финансиране на разработката на Dragon, Falcon 9 и демонстрационни изстрелвания на Falcon 9 с Dragon. През 2011 г. бяха добавени други основни етапи, Така общата стойност на договора стана 396 млн. щ.д.
През 2008 г. НАСА става основният потребител на машината. Тя се съгласи да закупи 12 изстрелвания на комерсиални снабдителни услуги към Международната космическа станция. Парите щяха да бъдат изплатени след успешното завършване на демонстрационните мисии. Договорът за доставка на космическа логистика беше на стойност 1,6 млрд. щатски долара за минимум 12 мисии за пренасяне на доставки до и от Международната космическа станция.
Илон Мъск заяви, че без парите на НАСА това е щяло да отнеме повече време.
SpaceX е стигнала дотук само благодарение на това, че се е опирала на невероятните постижения на НАСА, че е имала НАСА за основен наемател при изстрелването и че е получавала експертни съвети и наставничество по време на целия процес на разработване. СпейсЕкс би искала да изкаже специални благодарности на офиса на НАСА COTS за непрекъснатата им подкрепа и напътствия по време на този процес. Програмата COTS демонстрира силата на истинското частно-публично партньорство и ние очакваме с нетърпение вълнуващите начинания, които нашият екип ще осъществи в бъдеще.
През 2011 г. SpaceX заяви, че разходите за Falcon 9 v1.0 са около 300 милиона щатски долара. НАСА заяви, че разходите са щели да бъдат 3,6 милиарда щатски долара, ако е бил използван традиционният подход за сключване на договор "разходи плюс". През 2014 г. SpaceX публикува общите разходи за Falcon 9 и капсулата Dragon. НАСА предостави 396 млн. щатски долара. SpaceX предостави над 450 млн. щатски долара.
В доклад на НАСА от 2011 г. се посочва, че разработването на ракета като Falcon 9 би струвало около 4 милиарда щатски долара. "Един по-комерсиален подход за разработване" би позволил на агенцията да плати само 1,7 млрд. щатски долара".
В показанията на SpaceX пред Конгреса през 2017 г. се казва, че нормалният процес на НАСА, при който се задава само изискване, а подробностите се оставят на SpaceX, им е позволил да изработят ракетата Falcon 9 на много по-ниска цена.
Развитие
Първоначално SpaceX искаше да последва Falcon 1 с кораб с по-голям капацитет - Falcon 5. През 2005 г. SpaceX съобщава, че вместо това работи по Falcon 9. Те заявиха, че вече имат правителствен клиент. Твърдеше се, че Falcon 9 може да пренася приблизително 9500 kg (20 900 lb) до ниска околоземна орбита. Те заявиха, че цената на един полет ще бъде 27 милиона щатски долара, а полезният товар ще бъде 3,7 метра. Цената на полета с полезен товар от 5,2 метра (17 фута) ще бъде 35 милиона щатски долара. SpaceX също така заяви, че тежката версия на Falcon 9 ще има капацитет на полезен товар от около 25 000 кг. Falcon 9 е предназначен за изстрелване в ниска околоземна орбита (LEO), геосинхронна трансферна орбита (GTO), както и за изстрелване на кораби с екипаж и товари до Международната космическа станция (МКС). По това време ракетата не е за многократна употреба. Това доведе до по-високи от очакваните оценки на цената.
Тестване на
Първоначалният договор на НАСА предвиждаше демонстрационен полет на Falcon през септември 2008 г. Той предвиждаше и трите демонстрационни полета да бъдат извършени до септември 2009 г. През февруари 2008 г. планът за първия демонстрационен полет е отложен за началото на 2009 г. Според Илон Мъск забавянето е било причинено от това колко cpmplex работа са били правилата за изстрелване от Кейп Канаверал.
Първият тест с два двигателя, свързани към първата степен, е проведен през януари 2008 г. След други тестове Falcon 9 е тестван с девет двигателя. През ноември 2008 г. двигателите са тествани за пълна продължителност на мисията (178 секунди за първата степен). През октомври 2009 г. първата степен за първи път успешно извършва тестово изстрелване с всички двигатели. Това е направено в Макгрегър, Тексас. През ноември 2009 г. SpaceX проведе първото изпитание на втората степен. Тестът продължи четиридесет секунди. През януари 2010 г. е проведено изстрелване с пълна продължителност (329 секунди) на втората степен на Falcon 9. Планираната дата за изстрелване от SpaceX е март 2010 г.
През февруари 2010 г. на космодрума 40 в Кейп Канаверал е монтиран първият полет на SpaceX. На 9 март 2010 г. SpaceX трябваше да извърши изпитателен пуск на първата степен. Тестът е спрян 2 секунди преди изстрелването. Причината е повреда в системата, предназначена за изпомпване на хелий под високо налягане от стартовата площадка в първата степен. Проблемът е бил в площадката, а не в самата ракета. Всички системи на Falcon 9, довели до прекъсването, са работили според очакванията. Друг тест на 13 март 2010 г. е успешен.
Производство
През декември 2010 г. SpaceX произвеждаше по един Falcon 9 (и космически кораб Dragon) на всеки три месеца. Те искаха да удвоят този темп до един на всеки шест седмици. До септември 2013 г. производствените площи на SpaceX са се увеличили до близо 93 000 кв. м (1 000 000 кв. фута). Фабриката беше настроена да произвежда 40 ракетни ядра годишно. Към ноември 2013 г. фабриката произвежда по един кораб Falcon 9 на месец. Компанията искаше да увеличи този брой до 18 превозни средства годишно в средата на 2014 г. и до 24 превозни средства годишно до края на 2014 г. До края на 2015 г. компанията искаше да произвежда по 40 ракетни ядра годишно.
До февруари 2016 г. тези нива на производство не бяха постигнати. Компанията заяви, че темпът на производство на ядрата на Falcon 9 се е увеличил само до 18 на година. Те също така заявиха, че броят на ядрата за първата степен, които могат да се произвеждат наведнъж, се е удвоил от три на шест. Очакваше се до края на 2016 г. темпът да нарасне до 30 ядра годишно. И все пак, До август 2016 г. SpaceX работеше за постигане на производствен капацитет от 40 ядра годишно.
От 2018 г. насам SpaceX обикновено използва повторно първите степени. Това намали нуждата от нови ядра. През 2021 г. SpaceX е извършила 31 изстрелвания на F9. Само при две от тях са използвани нови ускорители. Те възстановиха ускорителя при всички полети с изключение на един.
Семейството на ракетата Falcon 9; от ляво на дясно: Falcon 9 v1.0, v1.1, Full Thrust, Block 5 и Falcon Heavy.
Дизайн
Falcon 9 е двустепенна ракета. тя се захранва с LOX и RP-1. И двете степени имат ракетни двигатели Merlin 1D. Първата степен има девет, които са пригодени за използване на морско равнище. Втората степен има един, който е пригоден за използване във вакуум. За запалването на двигателите се използва пирофорна смес от триетилалуминий-триетилборан (TEA-TEB). Двигателите на първата степен са поставени във форма, която SpaceX нарича "Octaweb". Много от ядрата имат четири крака за приземяване в основата на "Octaweb". За да контролира ядрото, докато то пада през атмосферата, SpaceX използва решетъчни перки. Те се разгъват от превозното средство след отделянето му. Крачетата се разгъват миг преди кацането.
Стените и куполите на резервоара за гориво са изработени от алуминиево-литиева сплав. Резервоарът на втората степен на Falcon 9 е по-къс вариант на резервоара на първата степен. Това намалява разходите за изработката им. Връзката между двете степени е структура от
въглеродни влакна и алуминиева сърцевина. Първоначалната система за разделяне на стъпалата има дванадесет точки за закрепване. В ракетата-носител v1.1 те са намалени до три.
Falcon 9 използва обтекател за полезен товар, за да предпази спътниците по време на изстрелването. Обтекателят е дълъг 13 m (43 фута), с диаметър 5,2 m (17 фута) и тежи приблизително 1900 kg (4200 фунта). Той е изработен от обвивка от въглеродни влакна върху алуминиева сърцевина от пчелна пита. Тестването на конструкцията е извършено в съоръжението Plum Brook Station на НАСА през пролетта на 2013 г.
SpaceX използва множество полетни компютри. Това прави системата по-слабо засегната от повреди. Всеки ракетен двигател Merlin се управлява от три компютъра. Всеки от тези компютри има по два процесора, които се проверяват взаимно. Софтуерът работи под Linux. Той е написан на C++. Всяка степен има свои собствени полетни компютри. Това е в допълнение към контролерите на всеки двигател. Процесорът на микроконтролера на всеки двигател работи на базата на архитектура PowerPC.
Ракетата Falcon 9 може да изгуби до два от двигателите и да изпълни мисията. Всеки двигател създава тяга от 854 kN (192 000 lb ). f
Интерактивен 3D модел на Falcon 9, напълно интегриран вляво и в разглобен вид вдясно.
Версии на стартиране
Falcon 9 v1.0 летя пет пъти в периода 2010-2013 г. Falcon 9 v1.1 извърши първия си полет през септември 2013 г. Мисията носеше много малък полезен товар с тегло 500 kg (1 100 lb) - спътника CASSIOPE. По-късно той изстрелва по-големи неща. Това включваше комуникационния спътник SES-8 GEO. Както Falcon 9 v1.0, така и Falcon 9 v1.1 бяха разходоориентирани ракети носители (ELV). Falcon 9 Full Thrust извърши първия си полет през декември 2015 г. Първата степен на версията Falcon 9 Full Thrust може да се използва многократно. Настоящата версия, известна като Falcon 9 Block 5, извърши първия си полет през май 2018 г.
Ценообразуване
През 2010 г. цената за изстрелване на Falcon 9 v1.0 беше 49,9 до 56 млн. щатски долара. Към 2012 г. посоченият ценови диапазон се увеличава на 54-59,5 млн. щатски долара. През август 2013 г. цената за изстрелване на Falcon 9 v1.1 беше 56,5 млн. щ.д.; до юни 2014 г. тя беше увеличена на 61,2 млн. щ.д. От май 2016 г. цената за мисия Falcon 9 Full Thrust (позволяваща възстановяване на ускорителя) е 62 млн. щ.д. Товарните мисии на Dragon до МКС са на средна цена от 133 млн. щ.д. Мисията DSCOVR, за Националната океанска и атмосферна администрация (NOAA), струва 97 млн. щ.д.
През 2004 г. Илон Мъск заяви, че "дългосрочните планове предвиждат разработване на тежкотоварен продукт и дори на супертежък, ако има търсене от страна на клиентите. [...] В крайна сметка смятам, че 500 щ.д. на паунд (1100 щ.д./кг) [полезен товар, доставен в орбита] или по-малко е много постижимо". На цената си от 2016 г. изстрелването на Falcon 9 FT струва малко над 2700 щ.д./кг (1200 щ.д./кг).
През 2011 г. Мъск изчислява, че материалите, необходими за изстрелването на Falcon 9 v1.0, струват около 200 000 щатски долара. Първата степен използва 245 620 л (54 030 имп. галона; 64 890 щатски галона) течен кислород и 146 020 л (32 120 имп. галона; 38 570 щатски галона) гориво RP-1, а втората степен - 28 000 л (6 200 имп. галона; 7 400 щатски галона) течен кислород и 17 000 л (3 700 имп. галона; 4 500 щатски галона) гориво RP-1.
През октомври 2019 г. данни от НАСА показаха, че "базовата цена" на Falcon 9 от 62 милиона щатски долара за изстрелване ще бъде намалена на 52 милиона щатски долара за полетите, планирани за 2021 г. и след това.
През април 2020 г. CNBC съобщи, че изстрелванията на ВВС на САЩ са стрували 95 милиона щатски долара Това се дължи на използваната допълнителна сигурност. Изпълнителният директор на SpaceX Кристофър Кулурис заяви, че повторното използване на ракетите може да доведе до още по-ниски цени, че "изстрелването струва 28 млн. щатски долара, това е с всичко".
Галерия
· .jpg)
Първа степен на ракета-носител (Falcon 9, сериен номер B1021) след приземяване от полет през 2016 г. Тази ракета се приземи на кораб с безпилотни летателни апарати.
Други уебсайтове
- Официална страница на Falcon 9
- SAOCOM 1B | Стартиране и кацане
- Изпитателно изстрелване на два двигателя Merlin 1C, свързани с първата степен на Falcon 9, филм 1, филм 2 (18 януари 2008 г.)
- Съобщение за пресата за обявяване на дизайна (9 септември 2005 г.)
- SpaceX се надява да снабдява МКС с новата тежка ракета Falcon 9 (Flight International, 13 септември 2005 г.)
- SpaceX изстрелва Falcon 9 с клиент Архивирано 11 юни 2007 г. в Wayback Machine (Defense Industry Daily, 15 септември 2005 г.)
|
| |||||||||
| Космически кораб |
| |||||||||
| Изпитвателни превозни средства |
| |||||||||
| ||||||||||
| Съоръжения за изстрелване |
| |||||||||
| Места за кацане |
| |||||||||
| Други съоръжения |
| |||||||||
| Подкрепа |
| |||||||||
| Програми за научноизследователска и развойна дейност |
| |||||||||
| * означава неизползвани превозни средства или двигатели, както и бъдещи мисии или обекти. † означава неуспешни мисии, унищожени превозни средства и изоставени обекти.
| ||||||||||
Въпроси и отговори
В: Какво представлява Falcon 9?
О: Falcon 9 е двустепенна ракета, проектирана и произведена от SpaceX в САЩ. Тя използва криогенен течен кислород и ракетен керосин (RP-1) като гориво, а името ѝ идва от измисления космически кораб от "Междузвездни войни" - "Хилядолетният сокол". Числото девет се отнася до деветте двигателя на първата степен на ракетата.
Въпрос: Колко версии на Falcon 9 има?
О: Съществуват много версии на ракетата, включително v1.0 (2010-2013 г.), v1.1 (2013-2016 г.), v1.2 Full Thrust (2015 г. - сега), версия Block 5 и версия Block 5 Full Thrust, която се използва от май 2018 г.
Въпрос: Възможно ли е да се използват повторно части от Falcon 9?
О: Да, частите на ракетата могат да се използват повече от един път - например последната версия на първата степен може да се върне на Земята и да бъде летяна отново много пъти.
В: Колко товари може да превозва Falcon 9?
О: Тя може да пренесе до 22 800 кг до ниска околоземна орбита (НОО). При пълно използване може да пренесе 8 300 кг (18 300 фунта) до геостационарна трансферна орбита (GTO). Когато се възстанови след изстрелването, може да пренесе 5500 kg (12100 lb) до GTO с обем на товара от 145 кубични метра.
В: Какъв договор спечели SpaceX през 2008 г.?
О: През 2008 г. SpaceX спечели договор за търговско снабдяване (Commercial Resupply Services - CRS) в рамките на програмата на НАСА за търговски орбитални транспортни услуги, който ще доставя товари до Международната космическа станция с помощта на техните Falcon 9 и капсула Dragon.
В: Какъв рекорд постави Falcon 9 на 24 януари 2021 г.?
О: На 24 януари 2021 г.Falcon 9 постави нов рекорд, като изведе в орбита 143 спътника едновременно - това е повече от всяка друга американска ракета, която се използва в момента по това време.
