Falcon - краткая история ракеты⁠⁠

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 немного 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.