Falcon 9

• 
  Конфігурація двигунів v1.0 (ліворуч) і v1.1 (праворуч)
• 
  Зліва направо, Falcon 1, Falcon 9 v1.0, Falcon 9 v1.1 та Falcon Heavy

Falcon 9 v1.0 (block 1) — складався з першого ступеня без бокових прискорювачів і другого ступеня. Двигуни Merlin 1C, вага ракети 318 тонн. Передбачалося, що вартість запуску цього РН складе $56 млн, маса виведеного вантажу на НОО — 9 т і на ГПО — 3,4 т.
Falcon 9 v1.1 (Block 2) — складався з подовженого (у порівнянні з v1.0) першого ступеню і другого ступеню. Двигуни Merlin 1D, вага ракети 480 т. Змінено розташування двигунів. Замість трьох рядів по три двигуни викор-ся компоновка з центральним двигуном і розташуванням решти по колу. Маса виведеного вантажу на НОО — 13 т і на ГПО — 4,8 т.
Falcon 9 Full Thrust Block 3 (v1,2) — версія, на якій вдалося вперше успішно посадити перший ступінь.
Falcon 9 Block 4 — перехідний етап до Block 5.
Falcon 9 Block 5 — є завершальною версією для ракет сімейства Falcon. Її двигуни мають збільшену тягу (у порівнянні із Block 3), а сама ракета — ще більш покращений термозахист та малий проміжок часу на відновлення між запусками.
Falcon Heavy (англ. Heavy, Важкий) — має додаткову пару приєднаних збоку бічних прискорювачів на базі першого ступеня. Тобто, Heavy оснащений 27-ма двигунами Merlin 1D+, загальною тягою на рівні моря — 22'819 кН. Вартість запуску цього РН $90-135 млн, маса виведеного вантажу на НОО — 63,8 т і на ГПО — 26,7 т. Falcon Heavy наразі — найпотужніша із існуючих ракет у світі і друга за потужністю в історії після Сатурн V (тобто з усіх РН, що коли-небудь виводили вантаж на НОО без довиведення).

Маск оглядає зруйнований після тестування ступінь

Головна перевага SpaceX, що спрощує і здешевлює польоти у космос — це застосовування ракет, конструкційні елементи яких використовуються повторно. Під час їх розробки Ілону Маску довелося подолати багато перешкод (Програма розвитку системи багаторазового запуску)[5]. Спочатку їх конфігурація, схема розміщення двигунів, самі двигуни та елементи пального були дещо іншими, ніж зараз. Але численні тести та вже проведені вдалі і невдалі запуски призвели до появи ракети Falcon 9 Full Thrust, на якій було встановлено перший ступінь, що зміг вперше успішно повернутися на Землю.

У 2013 році почалися випробування посадки першого ступеня ракети-носія Falcon. 2 травня 2014 року SpaceX поділилася відео другого тестового польоту (зліт і посадка) 1-го ступеня[6] на території космопорту Америка. Висота підйому порівняно з попереднім запуском зросла в чотири рази і досягла 1000 м.

Зовнішні відеофайли
	Як не варто саджати перший ступінь на YouTube
	Запуск та вдале приземлення 1-ст. (місія OTV-5) на YouTube

14 вересня 2017 року SpaceX опублікувала відео, яке ілюструє весь тяжкий шлях, що довелося здолати їх команді, для досягнення можливості повторного використання 1-го ст.

Посадка після місії Iridium NEXT 1-10[7]

22 грудня 2015 року, після того, як Falcon 9 Full Thrust успішно вивела на орбіту 11 супутників (місія Orbcomm OG2), 1-й ступінь ракети вперше зумів здійснити вертикальне приземлення на посадковий майданчик, що знаходиться на базі ВПС США на мисі Канаверал[8][9].

8 квітня 2016 року (місія CRS-8) вперше було здійснено повернення і м'яку посадку 1-го ступеню ракети-носія Falcon 9 FT на плаваючу платформу Autonomous spaceport drone ship «Of Course I Still Love You», яка відпливла в океан так, що відстань між нею і стартовим майданчиком склала 660 км.[10][11]

20 січня 2021 року SpaceX увосьме запустила один і той же перший ступінь, вивівши на орбіту супутники Starlink, це був 105-й запуск ракет покоління Falcon 9. Перед цим ще один ступінь полетів 7-й раз[12]. Крім того, одна половина обтікача використовувалася вчетверте, а інша — втретє[13].

Як пальне на 1-му ст. використовується очищений гас RP-1 (m=123,57 т, t=-7 °C), а як окисник — надохолоджений рідкий кисень (m=287,43 т, t=-207 °C). Значне охолодження елементів палива дозволяє помістити більшу їх масу в той самий об'єм паливних баків. Щоб зберегти низьку температуру, заправка окисника починається за ~35 хвилин, а пального — за ~30 хвилин до старту. Під час польоту середня витрата палива становить
2'450 кг/с.[14]

Перший ступінь в ангарі

Обидва баки, в яких знаходяться паливні елементи, виконані із алюміній-літієвого сплаву (літій додає міцності конструкціїї і зменшує її вагу).[15] Стінки верхнього баку самі по собі є несучою конструкцією, а от стінки нижнього підсилені шпангоутами і поздовжніми балками, так як саме до нижньої частини 1-го ступеню прикладається найбільше навантаження. Окисник надходить до двигунів трубопроводом, що проходить по осі паливного бака. Для створення підвищеного тиску в баках застосовується стиснений гелій.

Двигуни у схемі octaweb

У нижньому торці 1-го ступеня за схемою octaweb установлені 9 двигунів Merlin 1D+ (саме тому у назві ракети присутня цифра «9») зі збільшеною тягою і питомим імпульсом. Така схема значно спрощує процес збирання відсіку для двигунів. Для їх запуску використовується самозапалювальна суміш триетилалюмінію і триетилборану.[16] При посадці задіяно три двигуни, що мають систему запалювання для повторного запуску.

Зліт

Система керування польотом 1-го ст. оснащена трьома резервними комп'ютерами на кожному двигуні. Вони постійно перевіряють одне одного, що значно підвищує відмовостійкість. На цих комп'ютерах встановлена операційна система Linux. Інерціальна навігація та GPS, що встановлені на 1-му ст., співпрацюють із основним бортовим комп'ютером другого ступеню і використовуються під час посадки.

Послідовність процесів запуску ракети передбачає можливість зупинки цієї процедури, керуючись даними перевірки стану двигунів і різноманітних систем ракети-носія.[17] З цією метою стартовий майданчик оснащений чотирма спеціальними зажимами, які ще деякий час утримують 1-ий ст. після початку роботи двигунів. Якщо будуть виявлені якісь неполадки, запуск зупиняється і пальне з баків відкачується. Таким чином проводяться стендові випробування[18] і проявляється можливість повторного використання ракети. Система керування польотом працює так, що політ буде здійснюватись навіть в разі відмови двох двигунів за рахунок довшого ввімкнення інших семи. Наприклад, під час першого запуску КК Dragon із місією CRS-1 на 79 секунді польоту у період максимального аеродинамічного спротиву відбувся зрив захисного конічного обтікача одного із двигунів. Через втрату у ньому тиску його робота була зупинена. Тому іншим восьми двигунам першого ступеню, а також двигуну другого ступеня, довелося працювати довше. І, хоча, додатковий вантаж не вдалося доставити на заплановану орбіту, основна місія по підйому КК Dragon до МКС була здійснена.[19]

З'єднання 1-го ст. з другим здійснюється через перехідний ступінь (4,5 м довжиною), виготовлений з алюмінію, вкритого вуглецевим волокном.[20] Він має витримувати вагу 2-го ступеню та корисного вантажу. В перехідному ступені розміщується двигун Merlin 1D Vacuum+ другого ступеню, гідравлічне оснащення решітчастих плавників та холодногазова РСК. SpaceX намагається уникати використання піротехніки, тому відстикування ступенів здійснюється пневматичними штовхачами, що розділяють цангові з'єднання. На Falcon 9 FT присутні чотири такі точки контакту.

Реактивна система керування (РСК) на першому ступені ракет-носіїв сімейства Falcon 9 використовує охолоджений стиснений азот. Він під тиском випускається із восьми газових сопел, розміщених у двох блоках (попереду, позаду, з одного вільного боку і знизу кожного блоку). Робота сопел, що направлені вниз, здійснює поштовх пального згори донизу (до забірного отвору) у баках, щоб відбувся перезапуск основних двигунів Merlin 1D+ і почалося гальмування. Позаяк блоки РСК розташовані по боках у верхній частині ступеню, то вони можуть використовуватися для керування польотом у трьох площинах.[9]

Графік старту і посадки

Розглядаючи запуск[14] 30 жовтня 2017 року, можна побачити, що перші 15 с після старту ракета летить вертикально, потім нахиляється і лягає на заданий курс. Протягом підйому вона досягає швидкості звуку, але уповільнюється на 76 с польоту, долаючи Максимальне динамічне навантаження. Після 2 хвилин, 30 секунд польоту на висоті 67 км, коли швидкість становить 2282 м/с відбувається вимкнення основних двигунів (МЕСО). Через три секунди після цього здійснюється відстикування 1-го ст. і він, вмикаючи на кілька секунд центральний двигун і керуючись рушіями РСК робить маневр, щоб уникнути впливу полум'я від двигуна 2-го ступеню. Піднімаючись до максимальної висоти у 119 км, 1-ий ст. розвертається у напрямку ASDS, зменшуючи таким чином витрати пального.

Решітчасті плавники

Потім, рухаючись двигунами уперед, він входить у атмосферу, де і починають працювати чотири титанові решітчасті плавники (керма висоти) розміром 159 см х123 см.[21] Вони розташовані у верхній частині ступеню і спочатку притулені до його боків. Після відстикування від 2-го ст. решітчасті плавники розкриваються і під час спуску в атмосфері (особливо, коли вимкнені двигуни), рухаючись, стабілізують обертання 1-го ступеню (крен, тангаж та рискання) і можуть змінювати його кут атаки для прицільного приземлення в задану точку. Їх рух керується замкненою гідравлічною системою, а термостійкість сприяє повторному використанню.[22]

Знизившись до висоти у 58 км (6 хв. 28 с польоту), 1-ий ст. вмикає три двигуни на 22 с, зменшивши свою швидкість із 1450 м/с до 857 м/с.

Перед останнім увімкненням двигунів 1-ий ступінь не націлюється безпосередньо на посадковий майданчик, щоб в разі, якщо вони не увімкнуться, не зруйнувати його при падінні. Щоб здійснити посадку на відмічене символом «Х» місце приземлення, 1-ий ст. на фінальному відрізку польоту вмикає центральний двигун і починає знижувати швидкість до ~2 м/с, спрямовуючись на ціль.

Знизу, по ободу 1-го ступеню, симетрично прикріплені чотири посадкові ноги, які мають сукупну масу 2,1 т. Вони виготовлені із алюмінієвого каркаса з отворами у формі стільників, що вкритий вуглецевими волокнами. Ноги складені під час транспортування до космодрому і підйому в небо, але розгортаються вниз і вбік за 10 секунд перед посадкою. Це робить можливим здійснити її вертикально і м'яко.[23]

Плаваюча платформа ASDS для прийому 1-го ст. відпливає від берега в Тихий або Атлантичний океан на відстань 300—660 км. Після посадки 1-ий ступінь фіксується на ASDS, транспортується в порт, знімається з платформи краном і перевозиться в ангар. Там здійснюється його огляд і можливий ремонт, після чого 1-ий ступінь готовий до повторного використання.

• 
  У порту
• 
  Hawthorne, California, штаб-квартира SpaceX
• 
  Розмір у порівнянні з людиною

Другий ступінь

Другий ступінь поточної версії Falcon 9 по своїй конструкції і матеріалам складових є зменшеним аналогом першого ступеню. Паливо — гас RP-1/рідкий кисень. Двигун — 1 Merlin 1D Vac+, що має збільшене сопло для продуктивнішої роботи у вакуумі. Після відстикування першого ступеню другий ступінь продовжує підйом КВ на заплановану орбіту. Досягнувши її, другий ступінь відштовхує КВ і, вмикаючи двигун, спрямовується в атмосферу, згораючи там. Ілон Маск повідомив про намір зробити його також відновлюваним, здійснюючи посадку за допомогою повітряної кулі.

Космодроми розташовують ближче до екватору, щоб використати енергію обертання Землі. Компанія SpaceX використовує кілька стартових комплексів:

• Перший з них — SLC-40 розташований на Базі ВПС США, що на мисі Канаверал. Саме звідси був здійснений перший політ РН Falcon 9 4 червня 2010 року.
• Другий — LC-39, що у Космічному центрі імені Кеннеді, який розташований на острові Меррит в окрузі Бревард штату Флорида. Саме із нього запускають астронавтів.
• Третій майданчик — SLC-4E на базі Ванденберг, яка розташована в окрузі Санта-Барбара штату Каліфорнія. Його вперше було використано для підйому РН Falcon 9 із супутниками Iridium Next 14 січня 2017 року. Наразі запуски з нього не здійснюють.
• Також SpaceX будує власний космопорт на березі Мексиканської затоки, поблизу селища Бока-Чика, що біля Браунсвілла (Техас, США), неподалік від кордону з Мексикою.

Посадка першого ступеню відбувається на:

• посадкову зону 1, яка знаходиться на Базі ВПС США, що на мисі Канаверал.

• Autonomous spaceport drone ship — безпілотний корабель-космопорт, який відпливає в океан у задану точку, куди повинен «приземлитися» 1-ий ст. Це необхідно для економії палива, щоб не витрачати його на «дотягування» до суші. Існує два ASDS: «Just Read the Instructions», що раніше плавав у Тихому океані, а зараз разом із «Of Course I Still Love You» працює у Атлатничному океані.

Перший запуск. Перший демонстраційний політ РН «Falcon 9» відбувся 4 червня 2010 року з мису Канаверал 18:45 за UTC. У 18:54 відокремилась друга ступінь і макет корисного навантаження успішно вийшов на орбіту. Ракета була запущена з другої спроби. Перша спроба запуску була скасована за кілька секунд до старту через технічні неполадки.

Другий запуск. відбувся 8 грудня 2010 року в рамках програми НАСА «COTS». Корисне навантаження — комерційний корабель Dragon. Капсула SpaceX Dragon|Dragon двічі облетіла Землю, після чого ввійшла в атмосферу і приводнилася в Тихому океані. Досі повертані космічні кораблі вдавалося побудувати тільки державним космічним агентствам Росії, США, Китаю, Японії та Індії, а також Європейському Космічному Агентству.

Третій запуск. 22 травня 2012 в 7:44:38 UTC (11:44:38 за київським часом) з майданчика SLC-40 космодрому на мисі Канаверал стартовими розрахунками компанії SpaceX з другої спроби здійснено пуск ракети-носія Falcon-9 з кораблем COTS Demo Flight 2. Виведення корабля на орбіту зайняло десять хвилин. Космічний корабель Dragon успішно відокремився від останнього ступеня ракети-носія Falcon 9 і вийшов на навколоземну орбіту з параметрами 346 x 297 км. Нахил — 51,6 град.

Четвертий запуск. 8 жовтня 2012 — перший операційний політ для SpaceX у рамках програми Commercial Resupply Services під контрактом з NASA. Космічний корабель SpaceX CRS-1 було виведено на потрібну орбіту і через кілька днів він доставив вантаж на МКС.[27] Однак через раннє відключення двигунів другорядний вантаж було виведено на неправильну орбіту.

П'ятий запуск відбувся 1 березня 2013 року. Другий операційний політ для SpaceX у рамках програми Commercial Resupply Services під контрактом з NASA. Космічний корабель CRS SpX-2 було виведено на орбіту і 3 березня він пристикувався до МКС, доставивши необхідний вантаж.

Шостий запуск. Демонстраційний/комерційний запуск. 11.02.2015 з Бази Ванденберг запущено супутник DSCOVR. Перший політ ракети Falcon 9 модифікації v1.1, з новими двигунами Merlin 1D і можливістю виводу на низьку опорну орбіту до 13 т вантажів. Супутник вдало виведено на орбіту. Здійснювалося випробування елементів вертикальної посадки першої ступені. Експеримент невдалий, перший ступінь зруйновано.[28]

Посадка ракети після успішного запуску, 22.12.2015

Дев'ятнадцятий запуск 28 червня 2015 року SpaceX CRS-7 закінчився невдачею. На 139-й секунді польоту почався нештатний викид палива або окисника з баків, котрий закінчився через 8 секунд вибухом.[29]

Двадцять перший запуск. 17 січня 2016 року перший ступінь ракети Falcon 9 вивів на орбіту супутник Jason-3 для вивчення підвищення рівня моря. Після цього ракета повернулася на плавучу платформу у Тихому океані ASDS. Після контакту з платформою одна із опор не витримала і ракета впала та вибухнула при ударі об землю.[30]

Шістдесят четвертий запуск. 3 грудня 2018 року перший ступінь ракети Falcon 9 вивів на орбіту 64 супутники, при чому перший ступінь ракети використовувався втретє. Вперше в світі перший ступінь тричі побував у космосі.[31]

Інформація про подальші польоти ракети розміщена у Списку запусків Falcon 9 та Falcon Heavy

• Atlas V
• New Shepard
• Starship
• Порівняння систем космічного запуску

• Офіційний сайтspacex.com(англ.)
• Test firing of two Merlin 1C engines connected to Falcon 9 first stage, Movie 1, Movie 2 (January 18, 2008)
•  Тестові зліт і посадка (F9R Flight Test). Офіційний канал SpaceX' на YouTube