Falcon 9 v1.1 была второй версией орбитальной ракеты-носителя Falcon 9 компании SpaceX . Ракета была разработана в 2011–2013 годах, совершила свой первый запуск в сентябре 2013 года, [7] а свой последний полет — в январе 2016 года. [8] Ракета Falcon 9 была полностью спроектирована, изготовлена и эксплуатировалась компанией SpaceX. После второго запуска Commercial Resupply Services (CRS) первоначальная версия Falcon 9 v1.0 была выведена из эксплуатации и заменена версией v1.1.
Falcon 9 v1.1 был значительным развитием Falcon 9 v1.0, с 60 процентами больше тяги и веса. Его первый полет выполнил демонстрационную миссию со спутником CASSIOPE 29 сентября 2013 года, шестой общий запуск любого Falcon 9. [9]
Обе ступени двухступенчатого орбитального аппарата использовали в качестве топлива жидкий кислород (LOX) и ракетный керосин (RP-1). [10] Falcon 9 v1.1 могла выводить полезную нагрузку массой 13 150 кг (28 990 фунтов) на низкую околоземную орбиту и 4 850 кг (10 690 фунтов) на геостационарную переходную орбиту , [1] что помещает конструкцию Falcon 9 в диапазон пусковых систем средней грузоподъемности . [11]
Начиная с апреля 2014 года, капсулы Dragon использовались с помощью Falcon 9 v1.1 для доставки грузов на Международную космическую станцию в рамках контракта с NASA на коммерческое снабжение . [12] Эта версия также предназначалась для доставки астронавтов на МКС в рамках контракта NASA на коммерческое снабжение экипажей , подписанного в сентябре 2014 года [13], но теперь эти миссии планируется осуществлять с использованием модернизированной версии Falcon 9 Full Thrust , первый полет которой состоялся в декабре 2015 года.
Falcon 9 v1.1 был известен тем, что стал пионером в разработке многоразовых ракет , в ходе чего SpaceX постепенно совершенствовала технологии для первой ступени ускорения, входа в атмосферу , управляемого спуска и, в конечном итоге, реактивной посадки . Эта последняя цель была достигнута в первом полете преемника Falcon 9 Full Thrust после нескольких почти успешных запусков с Falcon 9 v1.1.
Falcon 9 v1.1 — двухступенчатая ракета-носитель с двигателем LOX / RP-1 . [10]
Оригинальная ракета Falcon 9 совершила пять успешных орбитальных запусков в 2010–2013 годах, все они были оснащены космическим кораблем Dragon или его тестовой версией. [14]
Falcon 9 v1.1 ELV была на 60 процентов тяжелее ракеты с на 60 процентов большей тягой, чем версия v1.0 Falcon 9. [15] Она включает в себя перенастроенные двигатели первой ступени [16] и на 60 процентов более длинные топливные баки, что делает ее более восприимчивой к изгибу во время полета. [15] Двигатели были модернизированы с Merlin 1C на более мощные двигатели Merlin 1D . Эти усовершенствования увеличили грузоподъемность на низкой околоземной орбите с 10 454 килограммов (23 047 фунтов) [17] до 13 150 килограммов (28 990 фунтов). [1] Система разделения ступеней была переработана и сократила количество точек крепления с двенадцати до трех, [15] а также у транспортного средства были модернизированы авионика и программное обеспечение. [15]
Версия ускорителя v1.1 разместила двигатели в структурной форме SpaceX под названием Octaweb , с восемью двигателями, расположенными по кругу вокруг одного центрального двигателя. В v1.0 использовалась прямоугольная схема двигателей. Схема Octaweb была направлена на оптимизацию производственного процесса. [18] Более поздние аппараты v1.1 включают четыре выдвижные посадочные опоры, [19] используемые в программе испытаний с управляемым спуском . [20] [21]
После первого запуска Falcon 9 v1.1 в сентябре 2013 года, в ходе которого произошел отказ повторного запуска двигателя второй ступени после миссии, топливные линии воспламенителя второй ступени были изолированы для лучшей поддержки повторного запуска в космосе после длительных фаз полёта накатом для маневров на орбитальной траектории. [22] Falcon 9 Flight 6 был первым запуском Falcon 9, сконфигурированным с обтекателем сбрасываемой полезной нагрузки . [14]
Falcon 9 v1.1 использует первую ступень, работающую на девяти двигателях Merlin 1D . [23] [24] Испытания первой ступени Falcon 9 v1.1 были завершены в июле 2013 года. [25] [26]
Первая ступень v1.1 имеет общую тягу на уровне моря при старте 5885 кН (1323000 фунтов силы), при этом девять двигателей работают в течение номинальных 180 секунд, в то время как тяга ступени увеличивается до 6672 кН (1500000 фунтов силы), когда ускоритель поднимается из атмосферы. [27] Девять двигателей первой ступени расположены в структурной форме, которую SpaceX называет Octaweb . Это изменение по сравнению с квадратной компоновкой v1.0 Falcon 9 направлено на оптимизацию процесса производства. [18]
В рамках усилий SpaceX по разработке многоразовой системы запуска , выбранные первые ступени включают четыре выдвижные посадочные опоры [19] и решетчатые плавники для управления спуском. Плавники были впервые испытаны на многоразовом испытательном корабле F9R Dev-1. [28] Решетчатые плавники были реализованы на Falcon 9 v1.1 в миссии CRS-5, [29] но у них закончилась гидравлическая жидкость перед запланированной посадкой. [30]
SpaceX в конечном итоге намерена производить как многоразовые ракеты-носители Falcon 9 , так и Falcon Heavy с возможностью полной вертикальной посадки . [20] [21] Первоначальные атмосферные испытания прототипов ракет-носителей проводятся на экспериментальной демонстрационной многоразовой ракете -носителе Grasshopper (RLV), в дополнение к испытаниям управляемого спуска и посадки ускорителя, описанным выше. [31]
Первая ступень v1.1 использует пирофорную смесь триэтилалюминия - триэтилборана (TEA-TEB) в качестве воспламенителя первой ступени, такую же, как использовалась в версии v1.0. [32]
Как и в случае с Falcon 9 v1.0 и серией Saturn из программы Apollo , наличие нескольких двигателей первой ступени может позволить завершить миссию, даже если один из двигателей первой ступени откажет в середине полета. [33] [34]
Диаметр основных трубок подачи топлива от баков РП-1 и жидкого кислорода к девяти двигателям первой ступени составляет 10 см (4 дюйма). [35]
Верхняя ступень оснащена одним двигателем Merlin 1D, модифицированным для работы в вакууме. [36]
Промежуточная ступень, которая соединяет верхнюю и нижнюю ступени для Falcon 9, представляет собой композитную конструкцию из углеродного волокна и алюминия. [37] Разделительные цанги и пневматическая система толкателя разделяют ступени. [38] Стенки и купола бака Falcon 9 изготовлены из алюминиево-литиевого сплава . [39] SpaceX использует бак, полностью сваренный трением с перемешиванием , технология, которая сводит к минимуму производственные дефекты и снижает стоимость, по словам представителя NASA. [40] Бак второй ступени Falcon 9 является просто укороченной версией бака первой ступени и использует большую часть тех же инструментов, материалов и производственных технологий. Это экономит деньги при производстве транспортного средства. [33]
Разработка обтекателя была завершена компанией SpaceX, а обтекатель полезной нагрузки длиной 13 м (43 фута) и диаметром 5,2 м (17 футов) был изготовлен в Хоторне, Калифорния . [41]
Испытания новой конструкции обтекателя были завершены на станции NASA Plum Brook весной 2013 года, где были смоделированы условия акустического удара, механической вибрации и электромагнитного электростатического разряда . Испытания проводились на полноразмерном тестовом образце в вакуумной камере . SpaceX заплатила NASA 581 300 долларов США за аренду испытательного времени в 150-миллионном испытательном стенде NASA. [42]
Первый полет Falcon 9 v1.1 ( CASSIOPE , сентябрь 2013 г.) был первым запуском Falcon 9 v1.1, а также семейства Falcon 9, оснащенных обтекателем полезной нагрузки . Обтекатель отделился без инцидентов во время запуска CASSIOPE, а также двух последующих миссий по выведению на геостационарную орбиту. [42] В миссиях Dragon капсула защищает любые небольшие спутники, устраняя необходимость в обтекателе. [43]
SpaceX использует несколько избыточных бортовых компьютеров в отказоустойчивой конструкции . Каждый двигатель Merlin управляется тремя голосующими компьютерами, каждый из которых имеет два физических процессора, которые постоянно проверяют друг друга. Программное обеспечение работает на Linux и написано на C++ . [44]
Для гибкости вместо радиационно-устойчивых деталей используются коммерческие готовые детали и общесистемная «радиационно-устойчивая» конструкция . [44] Falcon 9 v1.1 продолжает использовать трехкратное резервирование бортовых компьютеров и инерциальную навигацию — с наложением GPS для дополнительной точности выхода на орбиту — которые изначально использовались в Falcon 9 v1.0. [33]
Испытание системы зажигания первой ступени Falcon 9 v1.1 было проведено в апреле 2013 года. [45] 1 июня 2013 года произошло десятисекундное включение первой ступени Falcon 9 v1.1; полное трехминутное включение ожидалось через несколько дней. [46] [47]
К сентябрю 2013 года общая производственная площадь SpaceX увеличилась почти до 1 000 000 квадратных футов (93 000 м2 ) , а завод был настроен на достижение производительности до 40 ракетных ядер в год, как для Falcon 9 v1.1, так и для трехъядерного Falcon Heavy . [48] В ноябре 2013 года производительность ракет Falcon 9 составляла одну в месяц. Компания заявила, что к середине 2014 года она увеличится до 18 в год, а к концу 2014 года составит 24 ракеты-носителя в год. [22]
По мере увеличения манифеста и темпов запуска в 2014–2016 годах SpaceX стремится увеличить обработку запусков, построив двухпутевые параллельные процессы запуска на стартовом комплексе. По состоянию на март 2014 года [обновлять]они прогнозировали, что это будет запущено где-то в 2015 году, и нацелились на темп запусков в 2015 году около двух запусков в месяц. [49]
Первый запуск существенно модернизированной ракеты Falcon 9 v1.1 успешно состоялся 29 сентября 2013 года. [10] [50]
Первый запуск Falcon 9 v1.1 включал в себя ряд «новинок»: [4] [51]
17 января 2016 года компания SpaceX провела пятнадцатый и последний полет ракеты Falcon 9 v1.1. Четырнадцать из этих пятнадцати запусков успешно доставили основную полезную нагрузку либо на низкую околоземную орбиту , либо на геостационарную переходную орбиту .
Единственной неудачной миссией Falcon 9 v1.1 была ее 14-я миссия, SpaceX CRS-7 , 28 июня 2015 года, которая была потеряна во время работы первой ступени из-за превышения давления в кислородном баке второй ступени. [53] (После CRS-7 был один последний запуск V1.1, 17 января 2016 года, для вывода на орбиту полезной нагрузки Jason-3.)
Расследование выявило, что причиной аварии стал отказ стойки внутри бака с жидким кислородом второй ступени. НАСА пришло к выводу, что наиболее вероятной причиной отказа стойки была ошибка проектирования: вместо использования рым-болта из нержавеющей стали, изготовленного из материала аэрокосмического класса, SpaceX выбрала материал промышленного класса без надлежащего отбора и тестирования и проигнорировала рекомендуемый запас прочности. [54]
Falcon 9 v1.1 включает в себя несколько аспектов технологии многоразовых ракет-носителей , включенных в его конструкцию, начиная с первоначального запуска v1.1 в сентябре 2013 года (двигатели с дроссельной заслонкой и перезапуском на первой ступени, конструкция бака первой ступени, которая может структурно вмещать будущее добавление посадочных опор и т. д.). Запуск Falcon 9 v1.1 состоялся через два года после того, как SpaceX взяла на себя обязательство по финансируемой из частных источников программе разработки с целью получения полной и быстрой возможности повторного использования обеих ступеней ракеты-носителя. [55]
Проектирование системы для «возвращения ракеты на стартовую площадку с использованием только двигателей» было завершено в феврале 2012 года. [56] Технология многоразовой системы запуска рассматривается как для Falcon 9, так и для Falcon Heavy, и считается особенно подходящей для Falcon Heavy, где два внешних ядра отделяются от ракеты гораздо раньше в профиле полета и, следовательно, движутся с меньшей скоростью при разделении ступеней. [56]
В настоящее время SpaceX проводит летные испытания многоразовой первой ступени с суборбитальной ракетой Grasshopper . [57] К апрелю 2013 года демонстрационный испытательный аппарат Grasshopper v1.0 на малой высоте и низкой скорости совершил семь испытательных полетов с вертикальным взлетом и посадкой с конца 2012 года по август 2013 года, включая 61-секундный полет с зависанием на высоте 250 метров (820 футов).
В марте 2013 года SpaceX объявила, что, начиная с первого полета удлиненной версии ракеты-носителя Falcon 9 (Falcon 9 v1.1), которая полетела в сентябре 2013 года, каждая первая ступень будет оснащена приборами и оборудованием для испытаний с контролируемым спуском. SpaceX намерена провести испытания с возвратом над водой и «продолжит проводить такие испытания до тех пор, пока не сможет осуществить возвращение на стартовую площадку и посадку с двигателем. Они «ожидают несколько неудач, прежде чем «научатся делать это правильно».» [20] SpaceX выполнила несколько успешных посадок на воду, и теперь они планируют посадить первую ступень полета CRS-5 на автономный беспилотный порт в океане. [21]
Фотографии первого испытания перезапускаемой системы зажигания для многоразовой ракеты Falcon 9 — Falcon 9-R — конфигурации с девятью двигателями v1.1 с круглым двигателем были опубликованы в апреле 2013 года. [45]
В марте 2014 года компания SpaceX объявила, что полезная нагрузка на геостационарной орбите будущей многоразовой ракеты Falcon 9 (F9-R), при условии повторного использования только ускорителя, составит приблизительно 3500 кг (7700 фунтов). [58]
За несколькими миссиями Falcon 9 v1.1 последовали испытательные полеты после миссии , требующие от ускорителя первой ступени выполнить маневр переворота, включить обратный импульс для снижения горизонтальной скорости ракеты, включить повторный импульс для смягчения атмосферного ущерба на гиперзвуковой скорости, выполнить управляемый спуск в атмосфере с автономным наведением на цель и, наконец, включить посадочный импульс для снижения вертикальной скорости до нуля непосредственно перед достижением океана или посадочной площадки. SpaceX объявила о программе испытаний в марте 2013 года и о своем намерении продолжать проводить такие испытания до тех пор, пока они не смогут вернуться на стартовую площадку и выполнить управляемую посадку . [20]
Первая ступень Falcon 9 Flight 6 выполнила первое испытание управляемого спуска и реактивной посадки над водой 29 сентября 2013 года. [10] Хотя это не было полным успехом, ступень смогла изменить направление и совершить управляемый вход в атмосферу. [10] Во время последнего посадочного импульса двигатели ACS не смогли преодолеть аэродинамически вызванное вращение, а центробежная сила лишила посадочный двигатель топлива, что привело к преждевременному отключению двигателя и жесткому приводнению, которое разрушило первую ступень. Части обломков были извлечены для дальнейшего изучения. [10]
Следующее испытание с использованием первой ступени SpaceX CRS-3 привело к успешной мягкой посадке в океане, однако ускоритель, по-видимому, разрушился из-за сильного волнения на море, прежде чем его удалось восстановить. [59]
После дальнейших испытаний по посадке в океан первая ступень ракеты -носителя CRS-5 попыталась приземлиться на плавучую платформу, автономный беспилотный корабль-космодром , в январе 2015 года. Ракета успешно направилась к кораблю, но приземлилась слишком жестко, чтобы выжить. [60] Первая ступень миссии CRS-6 совершила мягкую посадку на платформу; однако из-за избыточной боковой скорости она быстро опрокинулась и взорвалась. [61] Генеральный директор SpaceX Илон Маск указал, что дроссельный клапан двигателя застрял и не сработал достаточно быстро, чтобы обеспечить плавную посадку. [62]
Falcon 9 v1.1 так и не был успешно восстановлен или повторно использован до его списания. Однако программа испытаний продолжилась полетами Falcon 9 Full Thrust , которые достигли как первой посадки на землю в декабре 2015 года, так и первой посадки на корабль в апреле 2016 года.
Ракеты Falcon 9 v1.1 запускались как с пускового комплекса 40 на станции ВВС на мысе Канаверал , так и с пускового комплекса 4E на базе ВВС Ванденберг . Площадка Ванденберг использовалась как для первого полета v1.1 29 сентября 2013 года [10], так и для ее последней миссии 17 января 2016 года.
Дополнительные стартовые площадки на стартовой площадке A 39 Космического центра Кеннеди и в Бока-Чика , Южный Техас, будут использоваться для запуска последующих модификаций ракеты Falcon 9 Full Thrust и Falcon Heavy .
По состоянию на октябрь 2015 года стоимость[обновлять] коммерческого запуска Falcon 9 v1.1 составляла 61,2 млн долларов США (по сравнению с 56,5 млн долларов США в октябре 2013 года) [1], что является конкурентной средой для коммерческих запусков на все более конкурентном рынке . [63]
Миссии NASA по снабжению МКС, включающие поставку полезной нагрузки космической капсулы, нового грузового космического корабля Dragon для каждого полета, имели среднюю цену в 133 миллиона долларов. [64] Первые двенадцать грузовых транспортных рейсов, контракт на которые был заключен с NASA, были выполнены одновременно, поэтому никаких изменений в цене для запусков v1.1 по сравнению с запусками v1.0 не отражено. Контракт был на определенное количество груза, доставленного на Космическую станцию и возвращенного с нее за фиксированное количество полетов.
SpaceX заявила, что из-за затрат на процесс обеспечения миссии запуски для армии США будут стоить примерно на 50% дороже, чем коммерческие запуски, поэтому запуск Falcon 9 будет продан правительству США примерно за 90 миллионов долларов, по сравнению со средней стоимостью для правительства США почти в 400 миллионов долларов для текущих запусков, не принадлежащих SpaceX. [65]
Службы полезной нагрузки Falcon 9 включают вторичное и третичное соединение полезной нагрузки через ESPA-кольцо , тот же межступенчатый адаптер, который впервые использовался для запуска вторичных полезных нагрузок в миссиях Министерства обороны США , которые используют усовершенствованные расходные ракеты-носители (EELV) Atlas V и Delta IV . Это позволяет выполнять вторичные и даже третичные миссии с минимальным влиянием на исходную миссию. По состоянию на 2011 год [обновлять]SpaceX объявила о ценах на ESPA-совместимые полезные нагрузки на Falcon 9. [66]
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )"Falcon 9 будет выводить спутники весом примерно до 3,5 тонн с возможностью повторного использования разгонной ступени, а Falcon Heavy будет выводить спутники весом до 7 тонн с возможностью повторного использования всех трех разгонных ступеней", - сказал [Маск], имея в виду три ускорителя Falcon 9, которые будут составлять первую ступень Falcon Heavy. Он также сказал, что Falcon Heavy может удвоить производительность своей полезной нагрузки до
GTO
, "если, например, мы сделаем расходный центральный сердечник".
SpaceX ... разработала цены на запуск этих вторичных полезных нагрузок ... P-POD будет стоить от 200 000 до 325 000 долларов для миссий на НОО или от 350 000 до 575 000 долларов для миссий на геосинхронную переходную орбиту (GTO). Спутник класса ESPA весом до 180 килограммов будет стоить 4–5 миллионов долларов для миссий на НОО и 7–9 миллионов долларов для миссий на ГТО, сказал он.