Űrtörténelem – SpaceX 3. rész – A Falcon 9 rakéta és kísérleti verzióinak áttekintése

2010 és 2016 között összesen 5 verziót fejlesztett ki a SpaceX, a későbbi verziók mindig a korábbi rakéta továbbfejlesztett változataként álltak szolgálatba.

Falcon 9 v1.0

A hordozórakéta első verziója még nem volt újrahasznosítható, bár a SpaceX már ezt az első típust is így kívánta működtetni. Azonban a hővédő rendszer alkalmatlansága, illetve az ejtőernyős kísérletek sikertelensége miatt végül egy teljesen új koncepció fejlesztésébe kezdtek.
2005-2010 között fejlesztették, és 2010-2013 között összesen ötször repült (az első fellövés 2010. június 4-én volt egy Dragon kapszula makettjével) . Az első fokozatot 9 darab, 3×3-as mátrix elrendezésű Merlin 1C hajtómű emelte a magasba, a második fokozatot pedig 1 darab vákuum-optimalizált Merlin 1C hajtotta.

Falcon 9 v1.1

Az 1.1-es verzió fejlesztése 2013 júliusában ért véget és szeptemberben repült először. Elődjéhez képest 60%-kal nagyobb tolóerővel rendelkezik, illetve 60%-kal nehezebb is, míg 68 méteres hosszával 30%-kal “nyúlt meg”. Ez a nagy növekedés egyrészt a továbbfejlesztett Merlin 1D hajtóműveknek, másrészt ezek elrendezésének köszönhető: a korábbi 3×3-as mátrixhoz képest 8 hajtómű kör alakban helyezkedik el, körbevéve a kilencedik Merlin egységet (a SpaceX ezt “octaweb”-nek hívja). A fejlesztés nem csak a Falcon 9 erejét növelte meg jelentősen, de a gyártási folyamatot is leegyszerűsítette, hatékonyabbá tette. Előrelépést értek el az első és második fokozat szétválasztásakor használt szoftverben is, ezáltal a két egység is már csak 3 helyen csatlakozik egymáshoz a korábbi 12-höz képest, így egyszerűbbé téve az egyébként nagyon összetett rakétarendszert. A számos, korábban nem használt fejlesztés miatt viszont csökkentett teljesítményszinten használták ezt a verziót 2016 januárig.
Ennél a változatnál került először hangsúly az újrahasznosítható rakéta koncepciójának megvalósítására, amit a Falcon 1.1-re épülő Grasshopper rakétamodell tesztprogramjával kívántak elérni.

Grasshopper és F9R Dev (Falcon 9 Reusable Development Vehicle)

A Grasshopper (magyarul szöcske) egy kísérleti tesztrakéta, melyet a SpaceX kizárólag saját forrásból, külső segítség nélkül hozott létre azzal a céllal, hogy a Falcon 9 újrahasználható rakétakoncepciójához elengedhetetlen földi visszatérési és leszállási programot kifejlessze és tesztelje, ismételt függőleges fel-illetve leszállásokkal. 2011-ben mutatták be, 2012 szeptemberében repült első alkalommal, és 8 sikeres teszt után “nyugdíjazták”.
A tesztjármű mindössze 32 méter hosszú volt, és egy Falcon 9 1.0 verziójú üzemanyag tartályból, egy Merlin 1D hajtóműből, illetve rögzített leszálló lábakból állt. A tesztprogram 3 fázisból állt, a kezdeti maximum 45 másodperces és 200 méteres magasságig történő emelkedéstől a maximum 160 másodperces, 3510 méterig történő emelkedésig terveztek eljutni.
A SpaceX egyúttal további engedélyt kért az amerikai Szövetségi Légiközlekedési Hivataltól (FAA), hogy a teszteket még magasabban és még hosszabb ideig elvégezhessék. Korábban 3 évre kaptak engedélyt a hatóságtól, évente 70 tesztrepüléshez.
A modell első tesztjére 2013. szeptember 21-én került sor, amikor is a rakéta 3 másodpercig emelkedett el a talajtól. A következő teszteken egyre hosszabb ideig és egyre magasabbra repült, végül az utolsó, nyolcadik teszt 2013. október 7-én már 79 másodpercig tartott, melynek során 744 méteres magasságot ért el a jármű. Ahogy Elon Musk fogalmazott, a Grasshopper bárhol képes a Földön a helikopterekre jellemző pontossággal leszállni.

F9R Dev1

2012 októberében mutatták be a Grasshopper 1.0 utódjaként (ezért hívták egyébként Grasshopper 1.1-nek is). 2013 májusában jelentették be, hogy a jármű a közben továbbfejlesztett Falcon 1.1 üzemanyag tartályából fog felépülni, melyet McGregorban vetettek alá sikeres minőségellenőrzési teszteknek, illetve leszerelhető leszálló lábakkal látták el. Elon Musk és a SpaceX célja az volt, hogy még 2013-ban elérjék a hiperszonikus sebességet a tesztjárművel.
2014-ben a Légiközlekedés Hivatal 3000 méteres magasságig engedélyezte a teszteket (a Grasshopper korábban csak 760 méteres magasságig emelkedhetett).
Március 28-án sikeres statikus hajtóműtesztet hajtottak végre a tesztpadon, amit április 17-én az első repülési teszt követett, a jármű 250 méterre emelkedett, majd rendben leszállt. A sikeres kezdet ellenére mégsem volt hosszú életű a rakéta. További 3 tesztet hajtottak végre vele 1000 méteres magasságig (a 3. kísérletről nem közölt adatot a SpaceX), viszont az ötödik teszten, augusztus 22-én a jármű emelkedés közben megsemmisült. A problémát egy hibás szenzor okozta, ami miatt a repülést megszakító program működésbe lépett és a rakéta felrobbant. Személyi sérülés nem történt, de a baleset után a SpaceX leállította a kísérleti járművekkel történő teszteket, és inkább a Falcon 9 rakétákkal kívánta tovább fejleszteni a visszatérési és leszállási programot.
A “hagyományos” rakétákkal a Grasshopper és F9R tesztjeivel párhuzamosan több vízre szállást és egy speciális drónhajóra történő visszatérést is szimuláltak, sajnos minden alkalommal sikertelenül. De 2015-ben aztán a rengeteg teszt végül meghozta gyümölcsét…

Falcon 9 Full Thrust v1.2 (“Block 3”)

Ez a verzió nevéből adódóan az 1.1-es típus teljes tolóerővel működtetett, továbbfejlesztett változata. A fejlődést főképp az új, nagyon alacsony hőmérsékletre lehűtött hajtóanyaggal érték el. Ezen kívül további előrelépést jelent a még újabb, a fokozatok szétválasztásához használt szoftver frissítése. A második fokozat megerősítésével pedig még több hajtóanyag tankolható a rakétába. A rengeteg egyéb apró módosításnak és fejlesztésnek köszönhetően tovább növelhették a rakéta hasznos teher kapacitását, miközben a fellövések árát egyre inkább vissza kívánták szorítani.
Ezzel a verzióval érte a SpaceX az első komoly mérföldkövet az újrahasznosíthatóság terén: 2015 decemberében, a 20. felszállást követően az első fokozat sikeresen visszatért és leszállt a Kennedy Űrközpont LZ-1 nevű leszálló zónájára. Később, 2017 márciusban pedig ezt a hordozórakétát használták a történelemben először újra egy fellövéshez. Azonban a második fokozat újrahasznosíthatóságát továbbra is elvetették, mivel a szükséges hőpajzs és egyéb, visszatéréshez használatos eszközök és berendezések miatt túlzottan megnövekedett volna a rakéta fajlagos költsége, ezáltal a fellövések ára. A június 25-i, második Iridium NEXT misszió során további fejlesztést vetettek be: a korábbi alumínium stabilizáló- és kormánylapokat titániumból készült egységekre cserélték, melyek a visszatérés során keletkező óriási hőnek jobban ellenállnak, ezáltal az élettartalmuk megnő és a rakéta felkészítése egy újabb repüléshez időben és pénzben is kedvezőbbé válik.

Falcon 9 Block 4

2017-ben a SpaceX újabb fejlesztéseket hajtott végre a rakétán, azon belül is a második fokozaton, de 3 fellövéshez májusban és júliusban továbbra is Block 3-as első fokozatokat használták. Mégis a sok apró újítás miatt új nevet kapott ez a verzió, melyet a cég a Block 3, és a későbbi Block 5 típus köztes verziójaként említett. Az első “teljes” Block 4 rakéta augusztus 17-én, a CRS-12 misszió során repült, melyhez egy már továbbfejlesztett első fokozatot használtak. A fejlesztés a hajtóművek teljesítményének növelésére irányult, mellyel már a következő Block 5 verzió útját kezdték kikövezni.

Falcon 9 Block 5

Elon Musk 2016 októberében ismertette a Block 5 verziót, ami elődjéhez képest több jelentős finomítás, módosítás eredménye, melyek közül a tolóerő további növekedése és a leszálló lábak fejlesztése a legfontosabb. A cégvezető a Falcon 9 család utolsó tagjaként, végső verziójaként említi a Block 5-t. Az első repülésre 2018. május 11-én került sor. A rakéta második fokozatában történt módosításoknak köszönhetően hosszabb ideig működtethető orbitális pályán, és a vákuum-optimalizált Merlin 1D hajtómű akár 3 vagy több alkalommal is újra begyújtható.

Műszaki adatok

Falcon 9 v1.0 (már nem használt)

• Első fokozat: 9 x Merlin 1C hajtómű
• Második fokozat: 1 x Merlin 1C vákuum-optimalizált hajtómű
• Magasság: 53 méter
• Átmérő: 3,66 méter
• Tolóerő: 3807 kN
• Max. felszálló tömeg: 318 tonna
• Hasznos teher alacsony Föld körüli pályára: 8.500 – 9.000 kg
• Hasznos teher geostacionárius Föld körüli pályára: 3.400 kg
• Sikerességi ráta: 5/5

Falcon 9 v1.1 (már nem haszált)

• Első fokozat: 9 x Merlin 1D hajtómű
• Második fokozat: 1 x Merlin 1D vákuum-optimalizált hajtómű
• Magasság: 68,4 méter
• Átmérő: 3,66 méter
• Tolóerő: 5885 kN
• Max. felszálló tömeg: 506 tonna
• Hasznos teher alacsony Föld körüli pályára: 13.150 kg
• Hasznos teher geostacionárius Föld körüli pályára: 4.850 kg
• Sikerességi ráta: 14/15

Falcon 9 Full Thrust – Block 3, Block 4 (már nem használt)

• Első fokozat: 9 x Merlin 1D (továbbfejlesztett) hajtómű
• Második fokozat: 1 x Merlin 1D vákuum-optimalizált (továbbfejlesztett) hajtómű
• Magasság: 70 méter
• Átmérő: 3,66 méter
• Tolóerő: 6804 kN
• Max. felszálló tömeg: 549 tonna
• Hasznos teher alacsony Föld körüli pályára: 22.800 kg (egyszer használható verzió)
• Hasznos teher geostacionárius Föld körüli pályára: 8.300 kg (egyszer használható verzió), 5.300 kg (újrahasználható verzió)
• Sikerességi ráta: 36/37

Falcon 9 Block 5 (aktív)

• Első fokozat: 9 x Merlin 1D (továbbfejlesztett) hajtómű
• Második fokozat: 1 x Merlin 1D vákuum-optimalizált (továbbfejlesztett) hajtómű
• Magasság: 70 méter
• Átmérő: 3,66 méter
• Tolóerő: 7600 kN
• Max. felszálló tömeg: 549 tonna
• Hasznos teher alacsony Föld körüli pályára: >22.800 kg (egyszer használható verzió)
• Hasznos teher geostacionárius Föld körüli pályára: >8.300 kg (egyszer használható verzió), >5.300 kg (újrahasználható verzió)
• Sikerességi ráta: 13/13