SpaceX Falcon - краткая история ракеты от Falcon-1 до Falcon-9
Falcon 1 был одноразовой легкой ракетой носителем, разработанной и изготовленной компанией SpaceX в частном порядке с 2006 по 2009 год.
Первоначально планировалось, что первая ступень приводнится на парашюте и будет восстановлена для повторного использования, но эта возможность
так и не была продемонстрирована.
Высота - 21 м
Диаметр - 1,7 м
Масса - 28 т
Две ступени.
Двигатели:
1 ступень - 1 ЖРД жидкий кислород/керосин SpaceX Merlin 1A, Merlin 1С, макс. тяга 450 кН
2 ступень - 1 ЖРД жидкий кислород/керосин SpaceX Kestrel (упрощенный Merlin 1), макс. тяга 31 кН.
Полезная нагрузка на LEO (максимальная, теоретическая) - 670 кг, практическая - 180 кг.
* -тут и далее
LEO - Low Earth Orbit, низкая околоземная орбита, НОО.
SSO - Sun-synchronous orbit, солнечно-синхронная (гелиосинхронная) орбита, ССО
GTO - Geostationary transfer orbit, геопереходная орбита, ГПО
Запуски проводились с острова Омелек (часть атолла Кваджалейн в Республике Маршалловы Острова).
Три первых полета закончились авариями, четвертый ( имитатор нагрузки 165 кг, 28 сентября 2008 г ) и пятый полеты (вывод на орбиту малазийского
спутника наблюдения за Землей RazakSAT, 180 кг) прошли успешно.
Falcon 1e
Далее планировалась разработка ракеты-носителя Falcon 1e.
Falcon 1e должен был быть модернизацией SpaceX Falcon 1.
Предполагалось использовать разрабатываемый уже в то время двигатель Merlin-1D с тягой 556 кН в составе 1й ступени. Во второй ступени должен был
использоваться ЖРД Kestrel , модернизированный до большей тяги. Первая ступень удлинялась, обтекатель полезной нагрузки предполагалось парашютировать
и повторно использовать.
Высота - 27,40 м
Диаметр - 1,70 м
Полезная нагрузка на LEO - 1010 кг
Полезная нагрузка на SSO - 560 кг
Первый запуск Falcon 1e был запланирован на середину 2011 года. Но Илану пришло в голову, что легкая ракета это слишком легко,
а вот среднего класса... это уже интересно.
- А не добавить ли нам больше движков, чтобы утащить больше вот этих всяких космических штук? подумали в SpaceX. Ну и добавили
Falcon 5:
Falcon 5 должна была оснащаться пятью двигателями Merlin , а верхняя ступень - одним двигателем Merlin, оптимизированным для работы в вакууме.
Авионика, материалы конструкции, концепция, двигатели и система запуска сохранялись от Falcon 1, уже проверенные и работоспособные.
Разумеется, возрастали размеры - длина и диаметр, ибо первой ступени нужно было "кормить" уже пять двигателей Merlin 1С
(развивающий в матрице 5х Merlin 1С - 347 кН каждый), ну и выросла стартовая масса.
В зависимости от фазы полета первая ступень могла потерять до трех двигателей и при этом выполнить свою задачу.
Основная конструкция была изготовлена из алюминиевого сплава космического класса в запатентованном градуированном монококе,
общей переборке и архитектуре со стабилизацией полетного давления, разработанной SpaceX.
Герметизация бака с гелием обеспечивалась композитными баками Inconel с внешней оболочкой от Arde Corporation, той же модели,
которая использовалась в ракете Boeing Delta IV.
Разделение ступеней происходило с помощью разделительных болтов двойного действия и системы пневматических толкателей.
Все компоненты прошли космическую квалификацию и уже летали на других ракетах-носителях.
Система спасения парашютированием была построена для SpaceX компанией Irvin Parachute Corporation (IRVIN-GQ), которая также
создавала парашюты для Space Shuttle (тормозной посадочный), самолетов Lockheed SR-71 Blackbird, Eurofighter Typhoon и других систем.
Конструкция бака второй ступени выполнена из алюминиево-литиевого сплава (алюминий, легированный литием).
Это позволяет создавать аэрокосмическую технику с меньшей массой, что даёт возможность экономии горючего,
увеличения грузоподъемности и улучшения других характеристик летательных аппаратов.
Один двигатель SpaceX Kestrel с питанием под давлением приводил в движение верхнюю ступень Falcon 5.
Для дополнительной надежности перезапуска двигатель имел двойные резервные факельные воспламенители.
Высота - 29,00 м
Диаметр - 3,40 м
Масса - 129 700 кг
Тяга: 1 735 кН
Полезная нагрузка LEO - 4 200 кг
Полезная нагрузка GTO - 1 250 кг
Однако в ходе разработки Falcon 5 в SpaceX пришли к оптимальной схеме использования девяти двигателей в первой ступени,
Falcon 5 был отменен, и разрабатываемая ракета получила название Falcon 9 - по количеству двигателей первой ступени.
Т.е. по принятой в то время терминологии SpaceX, Falcon Heavy это Falcon 27
Falcon 9 Air:
Так же какое то время параллельно разработке Falcon 9 шла разработка р-н Falcon 9 Air воздушного старта для Stratolaunch Systems.
Предполагалось, что полезная нагрузка р-н Falcon 9 Air, доставляемая на низкую околоземную орбиту составит 6 100 кг.
Falcon 9 Air должен был иметь в составе первой ступени 4 двигателя Merlin 1D (т.е. по сути это должен был быть Falcon 4 Air).
В конечном итоге, соглашение между SpaceX и Stratolaunch Systems было аннулировано, в силу большой разницы между р-н,
предлагаемой SpaceX, и требований к р-н от Stratolaunch Systems , и Stratolaunch Systems занялось р-н Orbital Sciences Pegasus II
(которая так и не была реализована).
* -тут и далее р-н это ракета носитель.
Усилия, прилагаемые молодой фирмой SpaceX к созданию ракеты среднего класса, в конечном итоге дали свои плоды,
и у SpaceX стало получаться что то интересное.
Falcon 9 v1.0
Первая ступень Falcon 9 v1.0 использовалась при первых пяти запусках Falcon 9 и приводилась в действие девятью
ракетными двигателями SpaceX Merlin 1C , расположенными по схеме 3x3.
Каждый из этих двигателей имел тягу на уровне моря 420 кН.
Двигатель SpaceX Kestrel второй ступени был заменен на оптимизированный для работы в вакууме SpaceX Merlin 1C vacuum,
развивающий тягу в 445 кН.
Высота - 47,8 м
Диаметр - 3,66 м
Масса - 333 400 кг
Полезная нагрузка LEO - 9 000 кг
Полезная нагрузка GTO - 3 400 кг
Первая ступень планировалась к посадке парашютированием в океан, но первые ступени даже не доходили до стадии
раскрытия парашютов — они разрушались при входе в атмосферу.
Корабль-эвакуатор Freedom Star, используемый для вылавливания из океана многоразовых твердотопливных ракетных
ускорителей космического корабля "Шаттл", находился у побережья Джорджии, чтобы забрать первую ступень.
Но забирать было нечего и ребята пили виски и поплевывали в океан.
Две попытки посадки на парашютах в океан ракет носителей Falcon 9 v1.0 B0003 и Falcon 9 v1.0 B0004 привели к отказу
системы парашютирования и отказу от попыток сажать р-н Falcon 9 v1.0 на парашютах в последующих полетах трех р-н Falcon 9 v1.0 B0005, B0006, B0007.
В процессе агрессивных игр с Falcon 9 v1.0, хотя Falcon 9 v1.0 успешно отлетала все пять полетов,
включая вывод на орбиту трех разных "демок" Драконов, двух миссий грузовых Драконов ( SpaceX CRS-1 C103 и SpaceX CRS-2 C104) к МКС,
(и неудачи с выводом вторичной нагрузки - спутника связи Orbcomm-OG2 в миссии SpaceX CRS-2 , штатно доставившей грузовой Дракон на орбиту),
SpaceX пришла к выводу, что парашют первой ступени это совсем не то, что нужно.
Посему от парашютов решительно отказались, и занялись посадкой на двигателях.
Falcon 9 v1.1:
Первый запуск состоялся в сентябре 2013 г. (р-н Falcon 9 v1.1 B1003)
Последний полет Falcon 9 v1.1 (р-н B1017) был осуществлен в январе 2016.
Falcon 9 v1.1 представлял собой шаг вперед по сравнению с Falcon 9 v1.0, с увеличенной тягой, высотой и весом.
Двигатели Merlin 1C были заменены на матрицу более мощных двигателей Merlin 1D, развивающих тягу на уровне моря до 630 кН каждый.
Однако возможности двигателей Merlin 1D в конфигурации Falcon 9 v1.1 использовались, по оценкам разработчиков,
примерно на 85 процентов. Двигатель мог тянуть и больше.
Изменилась матрица двигателей - Merlin 1D х 8 по кругу, один Merlin 1D в центре.
Высота - 68,4 м
Диаметр - 3,66 м
Масса - 505 846 кг
Полезная нагрузка LEO - 13 150 кг
Полезная нагрузка GTO - 4 850 кг
Falcon 9 v1.1 (R):
В рамках усилий SpaceX по разработке многоразовой системы запуска, после отказа от идеи посадки парашютированием,
первые ступени модификации Falcon 9 v1.1 - ракеты носителя Falcon 9 v1.1(R) (R от англ. reusable — повторно используемая)
включали четыре выдвижных посадочных опоры и решетчатые стабилизаторы для управления спуском.
После успешного запуска полезной нагрузки на орбиту отрабатывались методы контролируемой посадки в океан, после чего
перешли к попыткам садиться на плавучую платформу. Однако предпринятые попытка посадить успешно отработавшие свою
миссию в космосе р-н B1012 (доставившую Dracon C107 на орбиту) и B1015 ( доставившую Dracon C108.1) а впоследствии и B1017
(доставивший на орбиту Jason-3) на плавучую платформу окончились неудачей.
Но SpaceX считал, что нормальная ракета носитель в 21 веке должна быть многоразовой и уметь садится.
Falcon 9 v1.2 ( Falcon 9 Full Thrust):
Falcon 9 v1.2 представляет собой существенную модернизацию Falcon 9 v1.1 , которая совершила свой последний полет в январе 2016 года.
Двигатели Merlin 1D (наконец то) были форсированы до 845 кН тяги на уровне моря каждый, увеличен бак второй ступени,
увеличена плотность топлива (путем переохлаждения).
Ракета-носитель первой ступени может выйти на низкую околоземную орбиту как одноступенчатая, если на ней не устанавливать
вторую ступень (разгонный блок) и полезную нагрузку.
Высота - 70 м (с обтекателем полезной нагрузки)
Диаметр - 3,66 м
Масса - 549 000 кг
Полезная нагрузка LEO - 22 800 кг ( не возвращаемая 1 ступень)/ 15 600 кг (возвращаемая)
Полезная нагрузка GTO - 8300 кг / 5 500 кг
Полезная нагрузка к Марсу - 4 020 кг
Ракета носитель Falcon 9 v1.2 B1019 впервые совершила управляемое приземление (после доставки на орбиту 11 спутников Orbcomm OG2)
на мысе Канаверал 22 декабря 2015 года, а B1021.1 успешно сел на плавучую платформу.
Falcon 9 v1.2 B1019 теперь находится в постоянной экспозиции возле штаб-квартиры SpaceX в Хоторне, Калифорния:
Весь мир запасался попкорном, усаживался к экранам телевизоров или компьютеров, и завороженно глядя прямую трансляцию,
следил за стартом очередного Falcon 9 1.2, уже зная что таки взлетит, и доставит полезную нагрузку на орбиту, а вот при посадке начнется самый экшен.
Иногда садящийся Falcon 9 не подводил ожиданий публики и эффектно бабахался при посадке.
Но все чаще Сокол -9 садился, садился, садился, садился... и публика начинала понимать что это все таки прорыв...
В связи с накопляемым опытом, Falcon 9 v1.2 постоянно модернизировался, получая т.н. "Блоки", т.е. наборы модификаций, причем вводя
их поэтапно и постепенно, от миссии к миссии.
Например, набор модификаций Block 4 сначала получила вторая ступень, летая в космос на первой Block 3 в трех миссиях: NROL - 76 и Inmarsat-5 F4 в мае 2017 года
и Intelsat 35e в июле, а потом до Block 4 были модернизированы и первые ступени Block 3.
Falcon 9 Block 5 (Falcon 9 v1.2 Block 5):
В 2017 году SpaceX объявила, что в разработке находится еще одна серия дополнительных улучшений, Falcon 9 Block 5 , которая пришла на смену
переходному Block 4. Самыми большими изменениями между Block 3 и Block 5 являются более высокая тяга всех двигателей
( двигатели Merlin 1D были доведены до 850 кН тяги на уровне моря каждый, в ряде источников упоминается название Merlin 1D+) и
улучшения посадочных "ног".
Из дополнений вносимых в конструкцию интересны многоразовый теплозащитный экран, защищающий двигатели и
трубопроводы в основании ракеты ; теплозащитное покрытие на первой ступени для ограничения повреждения от перегрева при входе в атмосферу,
включая черный теплозащитный слой на посадочных опорах, дорожке качения и промежуточной ступени.
Block 5 включает в себя улучшенную систему управления полетом для оптимизации угла атаки при снижении, что снижает потребность в топливе для посадки.
В некоторых случаях к ракете добавляется космический буксир SHERPA , что делает ее трехступенчатой ракетой-носителем частично
многоразового использования . Кроме того, многочисленные небольшие изменения помогут упростить восстановление и повторное
использование бустеров первой ступени.
Изменения направлены на увеличение скорости производства и эффективности повторного использования.
SpaceX планирует запускать каждую ракету-носитель Block 5 не менее десяти раз с промежуточными проверками и до 100 раз с ремонтом.
Первый полет -11 мая 2018 г.
Высота - 70 м (с обтекателем полезной нагрузки)
Диаметр - 3,66 м
Масса - 549 т
Полезная нагрузка на LEO (28,5°):
22,8 т (не возвращаемый запуск)
15,6 т (многократное использование)
Полезная нагрузка на GTO (27°)
8,3 т (не возвращаемый запуск)
5,5 т (многократное использование)
Полезная нагрузка на Марс - 4 т
Falcon Heavy (Falcon 9 Heavy):
Falcon Heavy является производным от р-н Falcon 9 и состоит из усиленной первой ступени Falcon 9 в качестве центрального ядра с
двумя дополнительными первыми ступенями Falcon 9, служащими ускорителями.
Идея объединить несколько Falcon в один носитель возникла давно, еще в 2003 году.
Концепция была интересной и казалась простой, но, как говорил потом Маск " Мы были довольно наивны в этом".
Интеграционные и структурные проблемы объединения даже трех ядер Falcon 9 оказались намного сложнее, чем ожидалось.
Нужно было изначально проектировать р-н с возможностью работы в масштабируемой связке.
Готовясь к первому демонстрационному полету Falcon Heavy, Маск демонстрировал достаточно низкий уровень ожидания,
поскольку конструкция получилась достаточно сложной:
" Есть очень большая вероятность, что ракета не выйдет на орбиту … Я надеюсь, что она уйдет достаточно далеко от стартовой площадки,
чтобы не повредить ее. Я бы даже это посчитал победой, если честно."
27 двигателей Merlin 1D работают вместе:
Высота - 70 м
Ширина - 12,2 м
Масса - 1 420 т
Полезная нагрузка LEO - 63,8 т
Полезная нагрузка GTO - 26,7 т
Полезная нагрузка к Марсу - 16,8 т
Полезная нагрузка к Плутону - 3,5 т
Первоначально планировалось внести в связку 3х Falcon 9 Block 4/ Block 5 (Falcon Heavy) систему перекачивания горючего из боковых носителей
в центральный, затем от этой схемы отказались, просто введя в процесс полета дросселирование двигателей центрального носителя.
Разумеется, в серийные Falcon 9 были внесены изменения, но не кардинальные, и один из боковых носителей - Falcon 9 Block 5 B1052,
совершив два полета в связке Falcon Heavy, был впоследствии выделен в самостоятельный Falcon 9 Block 5 B1052, который успешно
вывел на орбиту самостоятельным третьим полетом итальянский COSMO-SkyMed 2, и благополучно приземлился. И готовится к следующему полету.
Кстати, в трех предыдущих запусках Falcon Heavy участвовали и благополучно сели Falcon 9 B1023, B1025, B1052, B1053 и B1055, из которых B1023 и B1025
сначала слетали сами, а потом в связке Falcon Heavy.
Falcon Heavy существует в трех вариантах запуска:
1 - полностью расходуемые все три Falcon 9. Полезная нагрузка на LEO - 63,8 т
2 - расходуемый центральный Falcon 9. Боковые садиться на 2 плавучие платформы (текущий вариант для будущих миссий). Полезная нагрузка на LEO - более 57 т
3 - полностью многоразовый вариант. Полезная нагрузка на LEO - около 30 т
Серьезные задачи для Falcon Heavy планируются с этого года - 3 миссии для космических сил США ( USSF-44, USSF-52 и USSF-67), миссия Психея к
одноименному астероиду, Inmarsat GX6B, в 2023 - лунный посадочный модуль Griffin c луноходом NASA VIPER, в 2024 - NASA GOES-U,
NASA Europa Clipper, силовая и двигательная установка (PPE), жилой и логистический блок (HALO) для окололунной МКС Gateway,
и минимум два рейса "грузовика" Dracon XL к окололунной станции.
