Falcon семейство ракет носителей

Ракета Falcon-9

Ракета Falcon-9

Галерея Falcon-9

Разработчик SpaceX
Статус Эксплуатируется
Первый полет 2010
Произведено пусков 32 (март 2017)

Falcon 9 (Фалькон 9) – семейство ракет-носителей среднего класса серии Falcon, разработанная в начале 2000-хх американской компанией SpaceX.

История ракет Falcon-9

Компания SpaceX, принадлежащая знаменитому миллиардеру Силиконовой долины Илону Маску не смотря на свою известность, является довольно молодой — она вышла на рынок космических полетов только в 2002 году.

На начальном этапе, ее главной ставкой была легкая РН Falcon 1 –дешевая ракета ($7,9 млн. за запуск) могла при минимальном бюджете доставить около тонны груза в космос. Falcon 1 была простой двухступенчатой жидкостной ракетой, первая ступень которой оснащалась одним двигателем Merlin 1A, а вторая ступень одним двигателем Kerstel.

Ракета летала 5 раз, из которых 3 пуска оказались неудачными. SpaceX добились не плохих технологических результатов (учитывая, что опыта, практически, не было), но ошиблись с нишей рынка – оказалось, что спроса на грузы до 1 тонны почти нет и ракета была не востребована. В 2009 году пуски ракет Falcon 1 были завершены.

Однако, главный козырь SpaceX оставался – простой и дешевый, при этом – мощный и надежный двигатель Merlin 1, созданный компанией был в распоряжении и модернизировался. А для ракеты – двигатель – самая главная деталь.

Уже к концу первого десятилетия XXI века SpaceX готовилась заменить легкую Falcon 1 на более мощную Falcon 9, первая ступень которой оснащалась уже девятью двигателями Merlin (отсюда и номер в наименовании ракеты). В отличие от предшественника, Falcon 9 могла забросить на опорную орбиту до 9 тонн полезной нагрузки и, в этом уже могла конкурировать с «хозяевами» рынка космических пусков: ракетами Союз-2, Атлас-5 и Дельта-4.

Конструкция ракет Falcon-9

Falcon 9 – двухступенчатая жидкостная ракета-носитель среднего класса.

Falcon 9 изначально создавалась с расчётом на повторное использование. На первую ступень ракеты-носителя установлено оборудование для её возврата и вертикального приземления на посадочную площадку или плавающую платформу Autonomous Spaceport Drone Ship (она так же получила более известное имя Of course I still love you — Конечно, я тебе по-прежнему люблю), с использованием собственных двигателей. Вторая ступень одноразовая. В декабре 2015 года после доставки на орбиту 11 спутников, первая ступень ракеты Falcon 9 FT впервые успешно вернулась на Землю.

Возвращение ступени осуществляется по следующей схеме:

Отделившись на высоте приблизительно 80 км при скорости около 3,4 км/с первая ступень осуществляет манёвр ухода от пламени второй ступени, затем по инерции продолжает движение приблизительно до высоты 140 км. При достижении пиковой высоты, осуществляется разворот, и производится короткое включение двигателя для задания направления к месту приземления. Длительность работы двигателя зависит от места приземления. В процессе подготовки к вхождению в атмосферу первая ступень снова совершает разворот и, на высоте около 70 км при скорости около 1,3 км/с, осуществляет торможение путем включения трёх двигателей. Нижняя часть первой ступени и посадочные стойки выполнены с использованием термостойких материалов, позволяющих выдержать высокую температуру, создаваемую при входе в атмосферу. На высоте около 40 км двигатели выключаются, скорость сбрасывается до 250 м/с. Уже возле поверхности включается центральный двигатель и ступень замедляется до 2 м/с, обеспечивая мягкую посадку вертикально на выдвижные опоры.

Использование элементов многоразового использования (посадочные стойки и запас топлива) может уменьшить максимальную полезную нагрузку ракеты-носителя на 15–30 % в зависимости от места посадки и скорости Falcon 9 в момент отделения первой ступени.

Первая ступень ракеты построена по стандартной для ракетостроения схеме: двигательный блок, над которым снизу вверх расположены топливный бак и бак окислителя. Оба бака алюминиево-литиевые. В качестве топлива применяется керосин, в качестве окислителя – жидкий кислород.

Двигательный блок ракеты составлен из девяти жидкостных двигателей Merlin. В версии 1.1 двигательный блок был перестроен в сравнении в базовой версией 1.0. У версии 1.0 девять двигателей были выстроены в 3 ряда, создавая квадратную форму, у версии 1.1 8 двигателей выстроены по кругу, а девятый в центре.

Первая ступень соединяется с второй композитным промежуточным адаптером, скрывающим двигатель второй ступени.

Механизмы разделения полностью пневматические, в отличие от большинства ракет, использующих для подобных целей пиропатроны. Такой тип механизма позволяет обеспечить его дистанционное тестирование и контроль, повышая надежность процесса разделения ступеней.

Вторая ступень – фактически, уменьшенная версия первой. Идеология тотальной экономии для снижения стоимости ракеты, принятая в SpaceX, заставляет конструкторов идти на максимальную унификацию модулей. Вторая ступень использует те же материалы, инструменты и техпроцессы. Стенки баков для топлива и окислителя из сверхпрочного алюминий-литиевого сплава являются несущей конструкцией ступени. Также использует в качестве компонентов топлива керосин и жидкий кислород.

На второй ступени используется один жидкостный ракетный двигатель Merlin Vacuum – модификация базового двигателя для работы в космосе. Отличается значительно увеличенным соплом для оптимизации работы двигателя в вакууме. Двигатель может быть перезапущен многократно для доставки полезной нагрузки на различные рабочие орбиты.

Бортовые системы представлены комплексами авионики, которыми оснащаются обе ступени. Большая часть систем разрабатывается и производится в SpaceX, что позволяет снизить их стоимость

Каждый двигатель Merlin оснащён собственным контроллером, следящим за каждым параметром двигателя в течение всего времени работы. Ракета-носитель Falcon 9 способна успешно завершить миссию даже при аварийном выключении 2 из 9 двигателей первой ступени.

Обтекатель, выполненный из композитных материалов располагается на верхушке второй ступени и защищает содержащийся полезный груз от аэродинамических, термальных и акустических эффектов во время полёта в атмосфере. Состоит из двух половин и отделяется сразу же после выхода из атмосферы.

Модификации

Falcon 9 v1.0 — Первая версия ракеты-носителя, также известная как Block 1. Было осуществлено 5 запусков данной версии с 2010 по 2013 год. Использовала 9 двигателей Merlin 1C. Двигатели располагались рядно, по схеме 3 на 3. Номинальное время работы первой ступени — 170 с. Вторая ступень использовала 1 двигатель Merlin 1C Vacuum. Номинальное время работы второй ступени — 345 с.

Ракета была способна доставить на низкую околоземную орбиту до 9 тонн. Фактически, ракета использовалась только для запусков космического корабля Dragon на низкую опорную орбиту.

Во время запусков проводились тесты по повторному использованию обеих ступеней ракеты-носителя. Изначальная стратегия использования лёгкого термозащитного покрытия для ступеней и парашютной системы себя не оправдала, и была заменена на стратегию управляемого приземления с использованием собственных двигателей.

Использование версии 1.0 было прекращено в 2013 году с переходом на Falcon 9 v1.1.

Falcon 9 v1.1 – вторая версия ракеты, впервые запущенная в 2013 году.

Баки для топлива и окислителя, как первой, так и второй ступени ракеты-носителя Falcon 9 v1.1 были значительно удлинены по сравнению с предыдущей версией 1.0.

Первая ступень использует 9 двигателей Merlin 1D, с увеличенной тягой и удельным импульсом. Новый тип двигателя получил способность к дросселированию до 70%. Изменено расположение двигателей: вместо трёх рядов по три двигателя используется компоновка с центральным двигателем и расположением остальных по окружности. Номинальное время работы первой ступени — 180 с. Вторая ступень использует 1 двигатель Merlin 1D Vacuum. Номинальное время работы второй ступени — 375 с.

Заявленная масса выводимого груза на низкую опорную орбиту выросла до 13 тонн.

На версии 1.1 начались отработки возможностей посадки первой ступени. Версия с этой функцией получила индекс (R) – reusable – многократно используемый.

Видео запуска ракеты-носителя Falcon-9

Falcon 9 FT – Full Thrust – Полная тяга. Созданная в конце 2015 года новейшая версия ракеты. На 2017 год применяется только она.

Основные изменения:

  • модифицирована структура крепления двигателей;
  • посадочные стойки и первая ступень усилены, для соответствия возросшей массе ракеты;
  • изменён дизайн решетчатых рулей;
  • композитная структура между ступенями стала длиннее и крепче;
  • увеличена длина сопла двигателя второй ступени;
  • добавлен центральный толкатель для повышения надёжности и точности расстыковки ступеней ракеты-носителя.

Топливные баки верхней ступени увеличены на 10 %, за счёт чего общая длина ракеты-носителя увеличилась до 70 м.

Стартовая масса выросла до 541 тонны, за счёт увеличения вместимости топливных компонентов, что было достигнуто благодаря использованию переохлаждённого окислителя.

В новой версии ракеты-носителя применяются охлажденные компоненты топлива. Жидкий кислород будет охлаждаться с −183 °C до −207 °C, что позволит повысить плотность окислителя на 8–15 %. Керосин будет охлаждён с 21 °C до −7 °C, его плотность увеличится на 2,5 %. Повышенная плотность компонентов позволяет поместить большее количество топлива в топливные баки, что, в сумме с возросшей тягой двигателей, значительно увеличивает характеристики ракеты.

В новой версии используются модифицированные двигатели Merlin 1D, работающие на полной тяге (в предыдущей версии тяга двигателей была намеренно ограничена), что позволило значительно увеличить показатели тяги обеих ступеней ракеты-носителя.

Номинальное время работы первой ступени уменьшилось до 162 секунд. Время работы двигателя второй ступени увеличилось до 397 секунд.

Первый запуск версии FT состоялся 22 декабря 2015 года. Были успешно выведены на целевую орбиту 11 спутников, а также впервые состоялась успешная посадка первой ступени на посадочную площадку на мысе Канаверал.

Основная статья Falcon Heavy

Falcon Heavy — ракета-носитель тяжёлого класса Falcon Heavy, в отличие от Falcon 9, будет иметь дополнительную пару присоединенных сбоку ускорителей. Фактически, первая ступень Falcon 9 у нее играет роль универсального ракетного модуля. Ракета будет иметь возможность заброски до 53 тонн нагрузки на низкую опорную орбиту. При возвращении боковых ускорителей и центрального блока, грузоподъемность не превысит 32 т.

Эксплуатация ракет Falcon-9

Falcon 9 активно применяется для доставки на орбиты разных высот правителственных и коммерческих грузов. Так же, в рамках договоренностей с NASA, SpaceX использует Falcon 9 и беспилотные корабли Dragon для доставки грузов на Международную Космическую Станцию. Стоимость вывода коммерческого спутника в космос ракетой Falcon 9 составляет порядка $60 млн. (2015 год).

Стартовые площадки

В настоящее время запуски Falcon 9 в космос были осуществлены или готовятся со следующих площадок:

  • Мыс Канаверал, космодром ВВС США площадка SLC-40.
  • Мыс Канаверал, Космический центр Кеннеди, площадка – LC-39A
  • База Ванденберг, площадка SLC-4-East.
  • Полигон McCregor в штате Техас используется для испытаний систем многоразового использования первых ступеней.
  • Космодром SpaceX в штате Техас. Находится на стадии строительства.

Посадочные площадки

Для посадки возвращаемых первых ступеней SpaceX использует 2 площадки:

  • База ВВС США на мысе Канаверал — Посадочная зона 1.
  • База Ванденберг — стартовый комплекс SLC-4-West.
  • Морская платформа Autonomous Spaceport Drone Ship, располагающаяся в Атлантическом океане в точке оптимальной посадки ступени.

Планируется переоборудование данных стартовых комплексов, с сооружением до 5 площадок, размерами 60 на 60 метров, для управляемого приземления как первой ступени, так и боковых ускорителей для Falcon Heavy.

Первые тестовые попытки приземления первой ступени Falcon 9 были осуществлены на специально изготовленную плавающую платформу Autonomous Spaceport Drone Ship, которая является переоборудованной баржей.

30 марта 2017 года Falcon 9 совершила первый повторный запуск. В полете применялась первая ступень, один раз уже летавшая и приземлявшаяся на Землю (в 2016 году). Миссия признана успешной, спутник был выведен на заданную орбиту, а ступень вернулась на Землю уже второй раз.

Ступени ракет Falcon-9 на заводе SpaceX

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТ FALCON-9 (FT)

Тип ракета-носитель среднего класса
Топливо Керосин + жидкий кислород
I ступень 9 Merlin
II ступень 1 Merlin Vacuum
Стартовая масса 541 т.
Тяга (на уровне земли) 683 тс.
Полезная нагрузка (НОО) 22,8 т. (на ГПО 8,3 т.)
Длина ракеты 70 м.

Американская ракета-носитель Falcon 9. Досье

В декабре 2008 года NASA подписало с SpaceX контракт об использовании созданных компанией ракеты Falcon 9 и корабля Dragon для доставки грузов на МКС, предусматривающий 12 миссий. На эти цели NASA выделило компании $1,6 млрд (в случае заказа дополнительных полетов предусмотрено увеличение общей суммы контракта до $3,1 млрд). Впоследствии была достигнута договоренность об увеличении миссий до 20.

Модификации

Всего разработано пять модификаций космического носителя.

Запуски базовой версии ракеты — Falcon 9 v1.0 — проводились в 2010-2013 годах.

Затем появилась модификация Falcon 9 v1.1 (запускалась в 2013-2015 годы) и ее версия Falcon 9 v1.1 (R) с возвращаемой ступенью (2014-2016 годы). На запусках Falcon 9 v1.1 (R) отрабатывался спуск и посадка многоразовой ступени.

Следующим этапом стало создание Falcon 9 FT (FT — Full Thrust, «полная тяга»; другое обозначение: Falcon 9 v1.2). Эта модификация оснащена возвращаемой ступенью, которая способна выдерживать около двух-трех повторных запусков. Впервые Falcon 9 FT стартовала 22 декабря 2015 года, эта версия эксплуатируется в настоящее время.

В октябре 2016 года Илон Маск сообщил о разработке модификации Falcon 9 (Block 5), которая станет окончательной. Компания SpaceX рассчитывает использовать ее многоразовую ступень не менее 10 раз и проводить повторные запуски через 24 часа после посадки ступени. Переходной версией между третьей и пятой модификациями будет Falcon 9 (Block 4). Эта версия стартовала впервые сегодня, 14 августа 2017 года.

Характеристики

Falcon 9 — двухступенчатая ракета-носитель тяжелого класса. Максимальная длина эксплуатируемой версии Falcon 9 FT составляет 70 м, диаметр — 3,66 м, стартовая масса — 549 т.

Заявленная грузоподъемность — до 8,3 т на геопереходную орбиту и до 22,8 т на низкую опорную. За время эксплуатации самый тяжелый полезный груз, выведенный Falcon 9 в космос, составил 8,6 т. Столько весил грузовой корабль Dragon, который был запущен 8 апреля 2016 года на МКС.

Ракета оснащена жидкостными двигателями производства SpaceX: на первой ступени установлено 9 двигателей Merlin 1D, на второй — один Merlin Vacuum. В качестве топлива используется керосин (окислитель — жидкий кислород). Топливные баки изготовлены из алюминий-литиевого сплава.

Для повышения точности выведения полезного груза на орбиту система управления ракеты сопряжена со спутниковой навигационной системой GPS. Для надежности Falcon 9 производителем предусмотрена автоматическая остановка процедуры запуска (при обнаружении проблемы происходит откачка топлива, ракета снимается со стартовой площадки, затем после выяснения причины и доработки используется для повторного пуска), а также возможность работы при аварийной остановке одного или двух двигателей первой ступени во время полета.

Возвращаемая ступень

SpaceX разработана технология, предусматривающая возвращение на Землю отработавшей первой ступени, оснащенной четырьмя раскладывающимися посадочными опорами для мягкого приземления. Спуск осуществляется с помощью торможения двигателей и парашюта. После посадки на специальную морскую платформу (длина — 90 м, ширина — 50 м) судна-робота в акватории Мирового океана или на спецплощадку на территории базы ВВС США на мысе Канаверал (штат Флорида) первая ступень может использоваться повторно.

Впервые эксперимент по возвращению первой ступени был проведен 29 сентября 2013 года после запуска версии Falcon 9 v1.1. Ступень планировалось плавно спустить и приводнить в океан, однако из-за сильного вращения она упала на воду и разрушилась. Первая успешная посадка на землю состоялась 22 декабря 2015 года (запускалась версия Falcon 9 FT), на морскую платформу — 8 апреля 2016 г. (Falcon 9 FT).

Всего к 14 августа 2017 года мягкую посадку ступени удалось осуществить в 13 случаях: пять раз на землю и восемь на морскую платформу. Дважды ранее возвращенные ступени ракеты использовались повторно: 31 марта и 23 июня 2017 года (ранее запускались 8 апреля 2016 года и 14 января 2017 года соответственно).

Запуски

Запуски Falcon 9 осуществляются с арендуемых SpaceX пусковых площадок базы Военно-воздушных сил США Ванденберг (штат Калифорния) и Космического центра им. Джона Кеннеди (расположен на острове Мерритт северо-западнее мыса Канаверал; в 2014 году компания заключила с NASA договор об аренде площадки Центра сроком на 20 лет). Ранее использовалась площадка базы ВВС на мысе Канаверал, но она была разрушена из-за взрыва ракеты 1 сентября 2016 года. Кроме того, компания с 2014 года ведет строительство собственного космодрома на юге штата Техас, недалеко от г. Браунсвилл в районе населенного пункта Бока Чика (он обойдется SpaceX примерно в $85 млн; ввод в строй ожидается в 2017-2018 гг.).

Стоимость одного запуска Falcon 9 составляет в среднем $60-65 млн (зависит от массы и объема выводимой полезной нагрузки). Примерно во столько же оценивается запуск «Протона-М» аналогичного класса (около $65 млн), но разница в том, что российская ракета — полностью одноразовая. SpaceX за счет повторного использования первой ступени своей ракеты планирует сократить стоимость запуска Falcon 9 примерно на 30%. На восстановление первой ступени сегодня затрачивается около четырех месяцев.

Впервые ракета стартовала 4 июня 2010 года с мыса Канаверал с прототипом корабля Dragon. В ходе второго запуска, 8 декабря того же года, на орбиту был выведен полноценный Dragon (первый демонстрационный полет корабля).

Всего к 14 августа 2017 года включительно проведено 38 запусков ракеты-носителя — 35 успешных, два частично успешных и один аварийный. Из них 13 — с кораблем Dragon (в т. ч. аварийный).

Предыдущий запуск Falcon 9 состоялся 6 июля 2017 года в 02:38 мск из Космического центра им. Джона Кеннеди. Ракета вывела на околоземную орбиту телекоммуникационный спутник Intelsat 35e международного консорциума Intelsat (штаб-квартира — Люксембург). Посадка первой возвращаемой ступени ракеты не проводилась.

Инциденты

При запуске 8 октября 2012 года с базы ВВС на мысе Канаверал ракета в версии Falcon 9 v1.1 успешно доставила на орбиту корабль Dragon, но из-за аварийной остановки одного из девяти двигателей первой ступени был потерян попутный груз — спутник связи Orbcomm («Орбкомм») компании SpaceX.