«Falcon 9» – первая частная многоразовая ракета-носитель
Конструкция и основные характеристики
«Falcon 9» – первое подсемейство частных жидкостных двухступенчатых многоразовых ракет семейства Falcon, среднего класса компании SpaceX.
Первая ступень «Falcon 9» имеет 9 двигателей серии «Merlin». Двигатели были установлены по схеме 3 на 3 по рядам или 8 двигателей по кругу и один в центре. Усредненное время работы первой ступени составляло 170 секунд. Топливные баки были построены по классической схеме, где бак с окислителем находился над баком с топливом, баки разделялись между собой общей перегородкой. Баки первой ступени были сделаны из сплава алюминия и лития, так как сплав лития уменьшал вес ступени, при этом увеличивая прочность. Стенки бака с окислителем являются несущей конструкцией, а стенки бака с горючим были усилены продольными балками и шпангоутами, так как они были больше всего нагружены при запуске. Также в баках находился сжатый гелий, чтобы повысить давление в них. Первую и вторую ступень ракеты соединяет отсек, который содержал механизмы разделения ступеней и закрывал двигатель второй ступени. Механизмы разделения отличались от большинства подобных ракет, они были пневматическими, когда в других ракетах использовались, как правило, пиропатроны. Механизм такого типа позволял повысить надежность разделения ступеней, так как его можно было испытывать и контролировать на большой дистанции. В качестве маневровых двигателей использовали 4 двигателя «Draco».
Вторая ступень ракеты является уменьшенной первой ступенью, в которой использовались те же производственные инструменты и материалы. Данный ход позволил значительно снизить расходы на обслуживание, производство и запуск ракеты. Стенки баков также являлись несущей конструкцией. В качестве двигателя использовали один жидкостный двигатель «Merlin Vacuum», который имел существенно увеличенное сопло для улучшения работы в вакууме. Также данный двигатель можно многократно перезапускать для доставки грузов на различные орбиты. Вторая ступень, в среднем, может работать около 345 секунд (Основные характеристики представлены в таблице 2).
Таблица 2 – Основные характеристики «Falcon 9»
Количество ступеней |
2 |
Длина |
FT: 70 м v1.1: 68,4 м v1.0: 54,9 м |
Диаметр |
3,7 м |
Стартовая масса |
FT: 549 тонн v.1.1: 506 тонн v1.0: 318 тонн |
Масса полезной нагрузки на НОО |
FT: 22800 кг v.1.1: 13150 кг v1.0: 9000 кг |
Масса полезной нагрузки на ГПО |
FT: 8300 кг v1.1: 4850 кг v1.0: 3400 кг |
История создания и запусков
8 сентября 2005 года «SpaceX» анонсировала «Falcon 9», описав ее как «полностью многоразовый тяжелый носитель». 12 апреля 2007 года компания объявила, что создание первой ступени «Falcon 9» было завершено. Конструкцию было решено перевезти в центр в Уэйко, для проведения стендовых испытаний первой ступени. Первые испытания первой ступени с двумя двигателями были проведены 28 января 2008 года и завершились успешно. Уже 8 марта 2008 года были испытаны три двигателя «Merlin 1C», а 29 мая пять двигателей. Далее 31 июля и 1 августа проводились испытания всех девяти двигателей на первой ступени, которые закончились успехом. 22 ноября 2008 года первая ступень с девятью двигателями прошли испытания длительностью полета. Уже в конце 2008 года было запланировано провести первый запуск «Falcon 9 v1.0» с кораблем «Dragon», однако запуск многократно откладывался, в связи огромным количеством работы, поэтому дебютный запуск «Falcon 9 v1.0» состоялся 4 июня 2010 года. Затем 8 декабря 2010 года ракета вывела на низкую орбиту космический корабль «Dragon», а затем занималась миссиями по стыковке и доставке грузов к МКС. Несмотря на то, что ракета использовала парашютные системы для возврата первой ступени, ни один из запусков так и не смог вернуть первую ступень на землю в целостности.
Поскольку «Falcon 9» должна была стать первой ракетой-носителем с возвращаемой первой ступенью, компания решила изучить новые способы безопасного возвращения первой ступени. Для этого в 2012 году компания создала ракету вертикального взлета и вертикальной посадки. Данную ракету назвали «Grasshopper» (Информация представлена на рисунке 3).
Рисунок 3: запуск «Grasshopper»
Формально эта ракета была первой ступенью «Falcon 9 v1.0», однако она отличалась тем, что у нее был один двигатель, четыре посадочные ноги и опорная конструкция. В ноябре 2012 года «Grasshopper» сделал свой первый 8-ми секундный прыжок на высоту 5,5 метров, затем он завис над землей на высоте 40 метров и приземлился. Далее «Grasshopper» завис на высоте 80 метров и успешно приземлился. Затем были испытаны системы стабилизации и управления в воздухе, благодаря которым ракета смогла перемещаться на расстояние и возвращаться на место старта.
Примерно, в это же время «SpaceX» впервые запускает ракету «Falcon 9 v1.1», которая имела удлиненные обе ступени, улучшенные двигатели с измененным расположением, и выводит на орбиту 500 килограммовый спутник «Cassiope». Первая ступень успешно вернулась в атмосферу, где потом, кувыркаясь в воздухе, упала в океан. После успеха «Grasshopper», «SpaceX» увидели огромный потенциал в данной технологии, и было решено модифицировать «Falcon 9 v1.1», добавив к ней четыре раскладывающиеся посадочные стойки, складные решетчатые рули, четыре маневровых двигателя и установив новое навигационное оборудование. Данные модификации способствовали стабилизации вращения и улучшению управляемости на этапе снижения. Обновленная ракета-носитель получила название «Falcon 9R Dev» (Информация представлена на рисунке 4).
Рисунок 4: Приземление «Falcon 9R Dev»
Сразу же было решено проверить сможет ли «Falcon 9R Dev» зависнуть в воздухе и приземлится, как «Grasshopper». Ракета взлетела и зависла на высоте в 250 метров, а затем успешно приземлилась. 18 апреля 2014 года «Falcon 9R» вошла в контролируемый спуск и, выпустив посадочные опоры, мягко коснулась поверхности океана. Ракету продолжали тестировать на высоте 1000 метров, каждый раз добавляя новые системы и механизмы для стабилизации полета. Между тем Falcon 9R продолжала доставлять различные грузы в космос, а затем аккуратно садится в океан. Затем произошел последний полет «F9R», выход одного из датчиков запустил процесс самоуничтожения из соображения безопасности. Далее компания занималась запусками к международной космической станции. Данные запуски тестировали новые способы посадки. Дальше «SpaceX» решили пробовать сажать ракеты «Falcon 9R» на плавучую баржу. 10 января 2015 года произведена первая попытка посадить ракету на баржу, которая закончилась неудачей. После серии неудач на барже, было решено модифицировать ракету. Новая ракета получила новые усиленные посадочные крепления и крепления двигателей, еще были увеличены топливные баки второй ступени, вследствие чего ракета удлинилась на 10%, получила обновленные, усиленные двигатели, измененные решетчатые рули, удлиненные и укрепленный отсек между ступенями и удлиненное сопло двигателя второй ступени. Обновленная ракета получилась намного более мощная и надежная, поэтому и была названа «Falcon 9 Full Thrust» (Full Thrust; с англ. – «полная тяга»).
Сразу же после создания, было решено посадить ракету сначала на сушу, а при успехе попробовать на баржу. 22 декабря 2015 произведена первая успешная посадка первой ступени, после запуска в космос. После успеха на суше, было решено попробовать посадку на баржу снова. И 8 апреля 2016 года – прошла первая успешная посадка «Falcon 9 FT» (Информация представлена на рисунке 5) на баржу под названием «Конечно, я все еще люблю тебя».
21 сентября 2012 года состоялся первый прыжок «Grasshopper», и уже 8 апреля 2016 успешный возврат первой ступени… прошло меньше 4 лет, а что будет еще через 4 года? Илон и «SpaceX» совершили невероятное, став первой частной коммерческой компанией, которая смогла запустить и вернуть первую ступень ракету-носитель тяжелого класса личного производства.
Рисунок 5: Первая успешная посадка «Falcon 9 FT» на баржу