SpaceX в частном порядке финансировала разработку орбитальных систем запуска , которые могут быть повторно использованы много раз, подобно возможности повторного использования самолетов . За последнее десятилетие SpaceX разработала технологии, способствующие полному и быстрому повторному использованию космических ракет-носителей . Долгосрочные цели проекта включают возвращение первой ступени ракеты-носителя на стартовую площадку в течение нескольких минут и возвращение второй ступени на стартовую площадку после переориентации орбиты с местом запуска и повторного входа в атмосферу в течение 24 часов. Долгосрочной целью SpaceX была бы возможность повторного использования обеих ступеней их орбитальной ракеты-носителя, а первая ступень была бы спроектирована так, чтобы обеспечить возможность повторного использования через несколько часов после возвращения. [1] Разработка многоразовых вторых ступеней для Falcon 9 была позже прекращена в пользу разработки Starship , [2] однако SpaceX разработала многоразовые обтекатели полезной нагрузки для Falcon 9. [3]
Программа была анонсирована в 2011 году. SpaceX впервые добилась успешной посадки и восстановления первой ступени в декабре 2015 года. Первый повторный полет приземлившейся первой ступени состоялся в марте 2017 года [3], а второй — в июне 2017 года, всего через пять месяцев после первого полета ускорителя. [4] Третья попытка состоялась в октябре 2017 года с миссией SES-11 / EchoStar-105 . Затем повторные полеты отремонтированных первых ступеней стали обычным делом. В мае 2021 года B1051 стала первой ракетой-носителем, запустившей десять миссий. [5]
Технология многоразовой системы запуска изначально была разработана для первой ступени Falcon 9. [ 6] После разделения ступеней ускоритель переворачивается (дополнительный импульс обратного ускорения меняет его курс), импульс повторного входа снижает скорость, вызванную гравитацией, чтобы предотвратить перегрев ступени, когда космический корабль снова входит в более плотную часть атмосферы , а импульс посадки завершает окончательное торможение на малой высоте и приземление.
SpaceX планировала по крайней мере с 2014 года разработать многоразовые вторые ступени, что является более сложной инженерной проблемой, поскольку транспортное средство движется с орбитальной скоростью . [7] [6] [8] Повторное использование второй ступени считается жизненно важным для планов Илона Маска по заселению Марса . Первоначальные концепции многоразовой второй ступени Falcon 9 были заброшены к 2018 году. [2]
С 2023 года [update]SpaceX разрабатывает систему Starship как полностью многоразовую двухступенчатую ракету-носитель, предназначенную для замены всех ее других ракет-носителей и космических аппаратов для доставки спутников и перевозки людей — Falcon 9, Falcon Heavy и Dragon — и в конечном итоге для поддержки полетов на Луну и Марс. Теоретически ее можно использовать для транспортировки из одной точки в другую на Земле. [9]
SpaceX попыталась посадить первую ступень Falcon 1 на парашюте , но ступень не пережила вход в атмосферу. Они продолжили безуспешно экспериментировать с парашютами на самых ранних полетах Falcon 9 после 2010 года. Впоследствии SpaceX переключилась на разработку системы спуска с приводом . [10]
Описание многоразовой системы запуска было изложено в сентябре 2011 года. SpaceX заявила, что попытается разработать управляемый спуск и возвращение обеих ступеней Falcon 9 — ракеты с полностью вертикальным взлетом и вертикальной посадкой ( VTVL ). Компания выпустила анимированное видео первой ступени, возвращающейся хвостом вперед для управляемого спуска, и второй ступени с тепловым экраном, возвращающейся головой вперед перед вращением для управляемого спуска. [11] [12] [13] [14] В сентябре 2012 года SpaceX начала летные испытания прототипа многоразовой первой ступени с суборбитальной ракетой Grasshopper . [15] Эти испытания продолжались в 2014 году, включая испытания второго и более крупного прототипа транспортного средства, F9R Dev1 .
Новости об испытательной ракете Grasshopper стали достоянием общественности несколькими днями ранее, когда Федеральное управление гражданской авиации США опубликовало проект Оценки воздействия на окружающую среду для испытательного полигона SpaceX в Техасе, и космические СМИ сообщили об этом. [16] [17] В мае 2012 года SpaceX получила набор данных атмосферных испытаний для восстановления первой ступени Falcon 9 на основе 176 испытательных запусков в аэродинамической трубе испытательного комплекса Центра космических полетов имени Маршалла NASA . Работа была передана SpaceX по контракту в рамках возмещаемого Соглашения о космическом акте с NASA. [18]
В 2012 году предполагалось, что отделение первой ступени многоразовой ракеты Falcon 9 будет происходить на скорости около 6 Махов (4600 миль/ч; 2,0 км/с), а не 10 Махов (7600 миль/ч; 3,4 км/с) для одноразовой ракеты Falcon 9, чтобы обеспечить остаточное топливо, необходимое для торможения и разворота, а также управляемого спуска и посадки. [1]
В ноябре 2012 года генеральный директор Илон Маск объявил о планах по созданию второй, гораздо более крупной многоразовой ракетной системы, работающей на LOX / метане, а не на LOX/ RP-1, используемой на Falcon 9 и Falcon Heavy. Новая система должна была стать «эволюцией ускорителя Falcon 9 от SpaceX», и SpaceX подтвердила свою приверженность разработке прорыва в технологии вертикальной посадки. [19] К концу 2012 года демонстрационный испытательный аппарат Grasshopper совершил три испытательных полета VTVL, включая 29-секундный полет на высоте 40 метров (130 футов) 17 декабря 2012 года. [15] В начале марта 2013 года SpaceX успешно испытала Grasshopper в четвертый раз, когда он поднялся на высоту более 80 метров (260 футов). [20]
В марте 2013 года SpaceX объявила, что она будет оснащать приборами и оборудованием последующие первые ступени Falcon 9 в качестве испытательных аппаратов с управляемым спуском, с планами имитации посадки над водой с торможением пропульсивным способом, начиная с 2013 года, с намерением вернуть аппарат на стартовую площадку для посадки с двигателем — возможно, уже в середине 2014 года. [21] Проект Заявления о воздействии на окружающую среду от апреля 2013 года для предлагаемой стартовой площадки SpaceX в Южном Техасе включает в себя особые условия для возвращения ускорителей первой ступени Falcon 9 на стартовую площадку. [22] Илон Маск впервые публично назвал многоразовую Falcon 9 Falcon 9-R в апреле 2013 года. [23]
В сентябре 2013 года SpaceX успешно перезапустила три двигателя отработанного ускорителя на орбитальном запуске, и ускоритель вернулся в атмосферу на гиперзвуковой скорости, не сгорев. [24] С данными, собранными в ходе первого летного испытания управляемого спуска с большой высоты, в сочетании с технологическими достижениями, достигнутыми на демонстраторе посадки на низкой высоте Grasshopper, SpaceX объявила, что, по ее мнению, она готова испытать полное возвращение на землю ступени ускорителя. [25] Основываясь на положительных результатах первого летного испытания на большой высоте, SpaceX перенесла ожидаемую дату испытания с середины 2014 года на начало 2015 года [ необходимо разъяснение ] , намереваясь сделать это во время следующего полета по доставке грузов на Космическую станцию, ожидающего одобрения регулирующих органов. [26] [27] Этот полет состоялся 18 апреля 2014 года. [28] [29]
В мае 2013 года Маск заявил, что цель программы — достичь полной и быстрой возможности повторного использования первой ступени к 2015 году, а затем разработать полную возможность повторного использования ракеты-носителя как «часть будущей архитектуры проектирования». [30] В сентябре 2013 года SpaceX заявила, что если все аспекты программы испытаний пройдут успешно и если заказчик проявит интерес, первый повторный полет ступени ускорителя Falcon 9 может состояться уже в конце 2014 года. [26]
В феврале 2014 года SpaceX дала ясно понять, что недавно разработанная сверхтяжелая ракета-носитель для того, что тогда называлось Mars Colonial Transporter, также будет использовать технологию повторного использования. [8] Это соответствовало стратегическому заявлению Маска в 2012 году: «Революционный прорыв произойдет с ракетами, которые можно будет полностью и быстро использовать повторно. Мы никогда не покорим Марс , если не сделаем этого. Это будет слишком дорого. Американские колонии никогда не стали бы первопроходцами, если бы корабли, пересекавшие океан, не были многоразовыми». [31]
Также в мае 2014 года SpaceX объявила об обширной программе испытаний многоразовой, приводимой в действие посадочной космической капсулы под названием DragonFly . Испытания должны были проводиться в Техасе на испытательном комплексе McGregor Rocket в 2014–2015 годах. [32]
В июне 2014 года главный операционный директор Гвинн Шотвелл пояснила, что всё финансирование разработки и тестирования программы разработки технологии многоразовой системы запуска осуществляется за счёт частных средств SpaceX, без какого-либо вклада со стороны правительства США . [33] [34] По состоянию на 2017 год SpaceX потратила более миллиарда долларов на программу разработки. [35]
Впервые SpaceX заявила в июле 2014 года, что они «полностью уверены в возможности успешно приземлиться на плавучую стартовую площадку или вернуться на стартовую площадку и повторно запустить ракету без необходимости ее восстановления». [36]
К концу 2014 года SpaceX приостановила или отказалась от плана по восстановлению и повторному использованию второй ступени Falcon 9; [37] дополнительная масса необходимого теплового экрана, шасси и маломощных посадочных двигателей привела бы к слишком большому снижению производительности. Хотя эта идея упоминалась позже, в конечном итоге она была оставлена, поскольку разработка Starship продвигалась. [2]
В декабре 2015 года, после подъема первой ступени после запуска 22 декабря , SpaceX спрогнозировала, что первый повторный полет восстановленного ускорителя, скорее всего, произойдет в 2016 году, но без использования восстановленной 22 декабря ступени. [38]
В сентябре 2016 года SpaceX объявила, что ведутся разработки по расширению многоразового летного оборудования на вторые ступени [ необходима ссылка ] , что является более сложной инженерной проблемой, поскольку транспортное средство движется с орбитальной скоростью . Многоразовая технология должна была быть распространена на проекты 2016 года как для танкера, так и для пилотируемого космического корабля верхней ступени , а также на первую ступень Межпланетной транспортной системы [7] [6] [8] и считается первостепенной для планов Илона Маска по обеспечению возможности заселения Марса . [39] [40] [41] В 2016 году первые испытательные полеты транспортного средства Межпланетной транспортной системы ожидались не ранее 2020 года. [7]
В 2017 году SpaceX проводила испытательные полеты, постепенно и итеративно разрабатывая систему восстановления обтекателя. [42] [3] В июле 2017 года Маск сказал: «Мы довольно близки к тому, чтобы восстановить обтекатель. ... У нас есть приличный шанс восстановить обтекатель к концу года и повторить полет к концу этого года или началу следующего». [43] Ожидается, что экономия средств для SpaceX на восстановлении обтекателя составит порядка 5 миллионов долларов США . Вместе ступень ускорителя и обтекатель составляют примерно 80 процентов стоимости запуска. [43] Обтекатели оснащены управляемым парашютом и падают на корабль, оборудованный большой сетью. [44] Неповрежденные обтекатели можно будет поднимать из океана, начиная с 2017 года, [45] с посадкой в сеть с 2019 года. [44]
Необходимо было разработать и протестировать несколько новых технологий для успешного запуска и восстановления первых ступеней Falcon 9 и Falcon Heavy, а также обеих ступеней Starship . С 2017 года восстановление и повторное использование ускорителей ракеты Falcon стало обычной практикой.
Технологии, разработанные для Falcon 9, некоторые из которых все еще совершенствуются, включают в себя:
Для того чтобы сделать Falcon 9 многоразовым и вернуть на стартовую площадку, на первой ступени необходимо разместить дополнительное топливо и посадочное устройство , что потребует примерно 30-процентного сокращения максимальной полезной нагрузки на орбите по сравнению с одноразовой Falcon 9. [64] Повторный запуск ранее использованной ступени в последующем полете зависит от состояния приземлившейся ступени и является методом, который мало применялся за пределами многоразовых твердотопливных ракетных ускорителей Space Shuttle .
В 2015 году Маск прогнозировал, что этап повторного полета программы будет «прямым» из-за многочисленных полноценных запусков двигателей, которые были выполнены на земле, и многочисленных перезапусков двигателей, которые были продемонстрированы к тому времени, без заметного ухудшения характеристик. [65] В 2015 году отраслевые аналитики продолжали прогнозировать проблемы, которые могут помешать экономически эффективному повторному использованию, поскольку затраты на восстановление и повторный запуск ступени еще не были продемонстрированы, а экономическая целесообразность повторного использования обязательно будет сильно зависеть от частых запусков. [66]
Ожидается, что SpaceX значительно снизит стоимость доступа в космос и изменит все более конкурентный рынок услуг по запуску в космос. [26] [67] Майкл Бельфиоре написал в Foreign Policy в 2013 году, что при опубликованной стоимости в 56,5 млн долларов США за запуск на низкую околоземную орбиту «ракеты Falcon 9 уже являются самыми дешевыми в отрасли. Многоразовые Falcon 9 могут снизить цену на порядок , стимулируя большее количество космических предприятий, что, в свою очередь, еще больше снизит стоимость доступа в космос за счет экономии масштаба». [24] Даже для военных запусков, которые имеют ряд контрактных требований по предоставлению дополнительных услуг по запуску, цена SpaceX составляет менее 100 млн долларов США . [68] [69]
Аналитик космической отрасли Аджай Котари отметил, что многоразовая технология SpaceX может сделать для космического транспорта «то же, что реактивные двигатели сделали для воздушного транспорта шестьдесят лет назад, когда люди и представить себе не могли, что более 500 миллионов пассажиров будут путешествовать самолетами каждый год, и что стоимость может быть снижена до нынешнего уровня — все из-за пассажиропотока и надежной возможности повторного использования». [70] В январе 2014 года SpaceX заявила, что если им удастся разработать многоразовую технологию, то возможны цены запуска около 5–7 миллионов долларов США для многоразовой ракеты Falcon 9, [71] а после успешного восстановления первой ступени в декабре 2015 года Маск заявил, что «потенциальное снижение стоимости в долгосрочной перспективе, вероятно, превысит коэффициент 100». [66]
По состоянию на март 2014 года [update]поставщики услуг по запуску, конкурирующие со SpaceX, не планировали разрабатывать подобную технологию или предлагать конкурирующие варианты многоразовых пусковых установок. Ни ILS , которая продает запуски российской ракеты «Протон» , ни Arianespace , ни SeaLaunch не планировали разрабатывать и продавать услуги многоразовых пусковых установок. SpaceX была единственным конкурентом, который спрогнозировал достаточно эластичный рынок со стороны спроса, чтобы оправдать дорогостоящую разработку многоразовых ракетных технологий и расходы частного капитала на разработку вариантов для этой теоретической рыночной возможности. [72]
В 2014 году ракета Falcon 9 v1.1 была спроектирована с грузоподъемностью примерно на 30 процентов больше, чем ее официальные спецификации полезной нагрузки; дополнительная производительность была зарезервирована для SpaceX для проведения испытаний по возвращению в атмосферу и посадке первой ступени с целью повторного использования, при этом по-прежнему обеспечивая указанную доставку орбитальной полезной нагрузки для клиентов. [73]
Для достижения полной экономической выгоды от технологии повторного использования необходимо, чтобы повторное использование было как быстрым, так и полным — без длительного и дорогостоящего периода восстановления или частично повторно используемой конструкции, которые мешали более ранним попыткам создания многоразовых ракет-носителей. SpaceX ясно дала понять, что «огромный потенциал для открытия космических полетов» [74] зависит от достижения как полной, так и быстрой возможности повторного использования. [28] [68] Генеральный директор Маск заявил в 2014 году, что успех усилий по разработке технологий может снизить «стоимость космических полетов в 100 раз» [75] , поскольку стоимость топлива/окислителя на Falcon 9 составляет всего 0,3 процента от общей стоимости ракеты. [76]
Помимо рыночной конкуренции, вызванной более низкими ценами на запуски SpaceX и потенциальным будущим еще более радикально более низкими ценами на запуски, если технология будет успешно завершена, Aviation Week заявил в 2014 году, что «работа SpaceX по многоразовым запускам является моделью НИОКР » — «Смелость концепции и скорость прогресса программы делают ее образцом. ... [] головокружительный темп разработки был почти как у Apollo в ее исполнении... [даже несмотря на то, что] успех далеко не гарантирован». [77]
9 марта 2016 года президент SpaceX Гвинн Шотвелл дала более реалистичную оценку потенциальной экономии от повторного запуска теперь, когда попытки повторно использовать вторую ступень (Falcon 9) были прекращены из-за проблем со стоимостью и весом. Она сказала, что при стоимости дозаправки в 1 миллион долларов США и стоимости восстановления использованной первой ступени в 3 миллиона долларов США потенциально можно снизить цену запуска до 40 миллионов долларов США , что составляет 30% экономии. Крупнейший клиент SpaceX, SES, заявил, что хочет быть первым, кто полетит на повторно использованном транспортном средстве, хотя он хочет, чтобы цена запуска составляла 30 миллионов долларов США или 50% экономии, чтобы компенсировать риск пионера процесса. [78]
По словам Илона Маска, почти каждая часть Falcon должна быть повторно использована более 100 раз. Тепловые экраны и некоторые другие элементы должны быть повторно использованы более 10 раз перед заменой. [79] В марте 2017 года SpaceX объявила о прогрессе в своих экспериментах по восстановлению и, в конечном итоге, повторному использованию обтекателя полезной нагрузки стоимостью 6 миллионов долларов . Во время миссии SES-10 одна из половин обтекателя выполнила контролируемый вход в атмосферу и приводнение с помощью двигателей и управляемого парашюта; обтекатели в конечном итоге должны приземлиться на плавающую конструкцию «надувного замка». [80]
SpaceX начала повторный полет ранее запущенных ступеней ускорителя в 2017 году. Первый повторный полет был совершен в марте 2017 года, почти через год после первого полета ускорителя ; второй был в июне 2017 года, всего через пять месяцев после его первого полета. Оба были успешными, и как страховщики , так и клиенты пусковых услуг поддерживают рынок пусковых услуг, предоставляемых многоразовыми ускорителями. [4]
В августе 2020 года Илон Маск написал в Твиттере, что восстановление и повторное использование ускорителя обходится менее чем в 10% от цены нового ускорителя, а снижение полезной нагрузки составляет менее 40%. Согласно его твиту, SpaceX выходит в ноль при втором полете на ускоритель и экономит деньги с третьего полета. [81] На тот момент Falcon 9 Block 5 совершила 35 полетов с 11 ускорителями.
До успеха программы повторного использования в декабре 2015 года возвращение ракеты-носителя орбитальной стартовой системы никогда не осуществлялось, и многие подвергали сомнению как техническую, так и экономическую осуществимость. И даже после этого успеха быстрое повторное использование ракеты не было предпринято. Разработка многоразовой ракеты чрезвычайно сложна из-за небольшого процента массы ракеты, который может выйти на орбиту. [12] [82] Обычно полезная нагрузка ракеты составляет всего около 3% от массы ракеты, что также примерно равно количеству массы топлива, необходимого для возвращения транспортного средства в атмосферу. [83]
Илон Маск сказал в начале программы, что он считает, что возвращение, вертикальная посадка и восстановление возможны, поскольку производственные методы SpaceX приводят к эффективности ракеты, превышающей типичный предел в 3%. Ракета SpaceX, работающая в многоразовой конфигурации, имеет примерно на 30% меньшую грузоподъемность, чем та же ракета в одноразовой конфигурации. [25]
Хотя технология многоразовой системы запуска была разработана и изначально использовалась для первых ступеней семейства ракет Falcon [6], она особенно хорошо подходит для Falcon Heavy, где два внешних ядра отделяются от ракеты раньше в полете и, следовательно, движутся медленнее при разделении ступеней. Например, в полете Falcon 9 20 скорость при разделении была близка к 6000 км/ч [84] , и это позволило вернуться к месту запуска. В полете 22 , при переходе на более энергетическую геопереходную орбиту, более высокая скорость при разделении составляла от 8000 до 9000 км/ч. На этих более высоких скоростях невозможно вернуть ускоритель к месту запуска для посадки; если попытаться приземлиться, то нужно будет пролететь сотни километров по дальности на автономном беспилотном корабле .
Повторное использование также влияет на оценку риска. В то время как первые клиенты повторно используемых ракет просили более низкую цену, [85] ускоритель, который уже летал, продемонстрировал свою работоспособность в реальных условиях полета. Некоторые клиенты теперь предпочитают повторно используемые ускорители новым ускорителям. [86]
В 2013 году компания SpaceX испытывала многоразовые технологии как для своих проектов ракет-носителей первой ступени (с тремя испытательными аппаратами: Grasshopper , F9R Dev1 и F9R Dev2 ), так и для своей новой многоразовой космической капсулы SpaceX Dragon 2 (с испытательным низковысотным аппаратом под названием DragonFly ).
Компания SpaceX публично раскрыла многоэлементную поэтапную программу испытаний ступеней ракеты-носителя, которая включает четыре аспекта:
Восемь испытаний низковысотных ускорителей были проведены Grasshopper в 2012 и 2013 годах. Первое испытание управляемого спуска с большой высоты было проведено в сентябре 2013 года, второе испытание — в апреле, [ 26] [29] [90] третий испытательный полет — в июле [91] и четвертое испытание — в сентябре 2014 года. Все четыре испытательных полета на сегодняшний день были предназначены для имитации посадки над водой. [36] Пять испытаний низковысотных ускорителей F9R Dev1 были проведены в период с апреля по август 2014 года, прежде чем аппарат самоуничтожился по соображениям безопасности во время пятого полета. [92] [93]
SpaceX использовала набор экспериментальных демонстраторов технологий, суборбитальных многоразовых ракет-носителей (RLV), чтобы начать летные испытания своих многоразовых ускорителей в 2012 году. Были построены две версии прототипов многоразовых испытательных ракет — Grasshopper высотой 106 футов (32 м) (ранее обозначавшаяся как Grasshopper v1.0 ) и Falcon 9 Reusable Development Vehicle высотой 160 футов (49 м) или F9R Dev1 — ранее известная как Grasshopper v1.1 [74] — а также прототип капсулы для тестирования реактивных посадок экипажа Dragon и грузовой капсулы для Falcon 9 — DragonFly [74] . Grasshopper был построен в 2011–2012 годах для испытаний зависания на малой высоте и малой скорости, которые начались в сентябре 2012 года и завершились в октябре 2013 года после восьми испытательных полетов. [16] [17] [74] Второй прототип конструкции транспортного средства, F9R Dev1, был построен на гораздо большей ступени ускорителя Falcon 9 v1.1 , которая использовалась для дальнейшего расширения диапазона испытаний полета на малых высотах на транспортном средстве, которое лучше соответствовало фактическому летному оборудованию. Он совершил пять испытательных полетов в 2014 году. [74] [94] [95] Низкоскоростные полеты ракет и капсул испытательного транспортного средства на малых высотах проводились на испытательном комплексе SpaceX Rocket Test Facility в Макгрегоре, штат Техас [16] [17] [74]
В ноябре 2018 года SpaceX заявила, что они рассматривают возможность испытания сильно модифицированной второй ступени Falcon 9, которая будет выглядеть как «мини- корабль BFR » и будет использоваться для испытаний при входе в атмосферу ряда технологий, необходимых для полномасштабного космического корабля , включая сверхлегкий тепловой экран и высокомаховские поверхности управления, [96] [97] но две недели спустя Маск отклонил этот подход в пользу использования вместо этого полноразмерного BFR. [98]
Grasshopper, первый испытательный аппарат VTVL компании , состоял из бака первой ступени Falcon 9 v1.0 , одного двигателя Merlin-1D и четырех постоянно прикрепленных стальных посадочных опор. Он был высотой 106 футов (32 м). [17] SpaceX построила бетонный стартовый комплекс площадью 0,5 акра (0,20 га) на своем ракетном испытательном и испытательном объекте в Макгрегоре, штат Техас, для поддержки программы летных испытаний Grasshopper. [99] Grasshopper также был известен как Grasshopper версии 1.0 или Grasshopper v1.0 до 2014 года, когда строились последующие испытательные аппараты класса Grasshopper.
В дополнение к трем испытательным полетам в 2012 году, к концу октября 2013 года было успешно проведено пять дополнительных испытаний, включая четвертое испытание в марте 2013 года, в котором Grasshopper удвоил свой самый высокий прыжок, поднявшись на высоту 80,1 метра (263 фута) за 34 секунды полета. [100] В седьмом испытании в августе 2013 года аппарат поднялся на высоту 250 метров (820 футов) за 60 секунд полета и выполнил боковой маневр на 100 метров (330 футов), прежде чем вернуться на площадку. [101] Grasshopper совершил свой восьмой и последний испытательный полет 7 октября 2013 года, поднявшись на высоту 744 метра (2441 фут), прежде чем совершить восьмую успешную посадку. [102] Испытательный аппарат Grasshopper в настоящее время снят с эксплуатации. [103]
Еще в октябре 2012 года SpaceX обсуждала разработку испытательного аппарата Grasshopper второго поколения, который должен был иметь более легкие посадочные опоры, складывающиеся сбоку ракеты, другой отсек двигателя и быть почти на 50% длиннее первого аппарата Grasshopper. [95] В марте 2013 года SpaceX объявила, что более крупный суборбитальный летательный аппарат класса Grasshopper будет построен из бака первой ступени Falcon 9 v1.1 , который использовался для квалификационных испытаний в Центре разработки и испытаний ракет SpaceX в начале 2013 года. Он был перестроен как F9R Dev1 с выдвижными посадочными опорами. Пять испытательных полетов состоялись в 2014 году. [74]
Второй испытательный летательный аппарат VTVL — F9R Dev1, построенный на гораздо более длинном баке первой ступени Falcon 9 v1.1 с убирающимися посадочными опорами, совершил свой первый испытательный полет 17 апреля 2014 года. [74] [92] F9R Dev1 использовался для испытательных полетов на малой высоте в районе Макгрегора, штат Техас — предполагаемая максимальная высота полета составляла менее 3000 метров (10 000 футов) [74] — всего было выполнено пять испытательных полетов, все из которых были выполнены в 2014 году. Этот аппарат самоуничтожился в качестве меры безопасности во время своего пятого испытательного полета 22 августа 2014 года. [104]
К апрелю 2014 года был построен третий испытательный летательный аппарат — F9R Dev2, и его планировалось запустить на высотном испытательном полигоне, доступном в космодроме Америка в Нью-Мексико , где он должен был летать на высоте до 91 000 метров (300 000 футов) и более. [74] Он так и не был запущен, поскольку SpaceX перенесла программу высотных испытаний на испытания с управляемым спуском бывших в употреблении ускорителей после их использования в платном орбитальном запуске и подъеме.
DragonFly был прототипом испытательного образца для версии капсулы SpaceX Dragon с реактивной посадкой , суборбитальной многоразовой ракеты-носителя (RLV), предназначенной для испытаний на малых высотах . По состоянию на май 2014 года планировалось провести испытательную программу в Техасе на испытательном комплексе McGregor Rocket в течение 2014–2015 годов. [32] [105] [ требуется обновление ] [update]
Испытательный аппарат DragonFly оснащен восемью двигателями SuperDraco , расположенными по избыточной схеме для поддержки отказоустойчивости в конструкции двигательной системы. [ 106] SuperDracos используют сохраняемую топливную смесь из монометилгидразина (MMH) и окислителя на основе тетраоксида азота (NTO), тех же самых топлив, которые используются в меньших двигателях Draco, используемых для управления ориентацией и маневрирования на космическом аппарате Dragon первого поколения . [105] В то время как двигатели SuperDraco способны развивать тягу 73 000 ньютонов (16 400 фунтов силы), во время использования на летном испытательном аппарате DragonFly каждый из них будет дросселироваться до менее чем 68 170 ньютонов (15 325 фунтов силы) для поддержания устойчивости аппарата. [ 105 ]
Программа испытательных полетов из тридцати полетов была предложена в 2013–2014 годах, включая два пропульсивных вспомогательных (парашюты плюс двигатели) и два пропульсивных приземления (без парашютов) на полетах, сбрасываемых с вертолета на высоте приблизительно 10 000 футов (3 000 м). Остальные 26 испытательных полетов планировалось осуществить со стартовой площадки : восемь должны были быть пропульсивными вспомогательными прыжками (посадка с парашютами плюс двигатели) и 18 — полными пропульсивными прыжками , аналогичными испытательным полетам Grasshopper и ступени ускорителя F9R Dev. [105] [106] По состоянию на 2014 год [update]программа испытаний DragonFly не должна была начаться до завершения испытаний ускорителя F9R Dev1 на объекте McGregor. [106] [ требуется обновление ]
В крайне необычной для ракет-носителей схеме SpaceX начала в 2013 году использовать некоторые первые ступени ракет Falcon 9 v1.1 для летных испытаний с управляемым спуском и возвратом после завершения фазы разгона орбитального полета. С момента появления космических полетов в 1957 году ускорители ракет-носителей обычно просто утилизировались после установки полезных грузов на своем пути. Испытания над водой, начатые SpaceX, проходили в Тихом и Атлантическом океанах к югу от авиабазы Ванденберг (Калифорния) и к востоку от станции ВВС на мысе Канаверал (Флорида). Первое летное испытание состоялось 29 сентября 2013 года после того, как вторая ступень с полезными грузами CASSIOPE и наноспутника отделилась от ракеты-носителя. Эти испытания спуска и имитации посадки продолжались в течение следующих двух лет, причем второе летное испытание состоялось 18 апреля 2014 года, [26] [29] [90] еще два испытания в 2014 году и четыре последующих испытания, проведенных в 2015 году. [107] SpaceX продолжала вносить итеративные и инкрементные изменения в конструкцию ускорителя, а также в конкретные многоразовые технологии, профиль спуска и запасы топлива в некоторых полетах Falcon 9 и Falcon Heavy в 2016–2018 годах, чтобы настроить конструкцию и эксплуатационные параметры. Многие из этих испытаний спуска и посадки были проверены в активных орбитальных космических полетах для клиентов SpaceX, когда ускоритель возвращался в атмосферу и пытался совершить восстанавливаемую посадку.
После анализа данных летных испытаний первого управляемого спуска с помощью ускорителя в сентябре 2013 года SpaceX объявила, что успешно испытала большое количество новых технологий в полете, и что в сочетании с технологическими достижениями, достигнутыми на демонстраторе малой высоты посадки Grasshopper, они были готовы протестировать полное восстановление ступени ускорителя. Первое летное испытание прошло успешно; SpaceX заявила, что «удалось успешно перейти от вакуума к гиперзвуковой , сверхзвуковой , трансзвуковой скоростям, а также зажечь двигатели на всем пути и управлять ступенью на всем пути через [атмосферу]». [25] Маск сказал: «Следующая попытка восстановления [sic] первой ступени Falcon 9 будет на четвертом полете модернизированной ракеты. Это будет [] третий коммерческий грузовой полет Dragon на МКС. [Международная космическая станция]» [27]
Это второе летное испытание состоялось во время полета Dragon к МКС в апреле 2014 года. SpaceX прикрепила посадочные опоры к первой ступени, затормозила ее над океаном и попыталась имитировать посадку на воду после зажигания второй ступени в третьей миссии по доставке грузов, заключенной с NASA. Первая ступень была успешно замедлена достаточно для мягкой посадки над Атлантическим океаном. [29] В феврале 2014 года SpaceX объявила о намерении продолжить испытания по посадке ускорителя первой ступени в океане до тех пор, пока не будет доказано точное управление от гиперзвукового до дозвукового режимов. [90] Пять дополнительных испытаний управляемого спуска были проведены в оставшуюся часть 2014 года по апрель 2015 года, включая две попытки посадки на плавающую посадочную платформу — построенный SpaceX беспилотный корабль Autonomous Spaceport — в Атлантическом океане к востоку от места запуска, обе из которых доставили аппарат на посадочную платформу, но ни одна из них не привела к успешной посадке.
Во время перерыва в запусках в 2015 году SpaceX запросила у FAA одобрение регулирующих органов , чтобы попытаться вернуть свой следующий полет на мыс Канаверал вместо того, чтобы нацеливаться на плавучую платформу в океане. Цель состояла в том, чтобы посадить ускоритель вертикально на арендованном объекте Landing Zone 1 — бывшем стартовом комплексе 13 , где SpaceX недавно построила большую посадочную площадку для ракеты. [108] FAA одобрило план безопасности для наземной посадки 18 декабря 2015 года. [109] Первая ступень успешно приземлилась на цель в 20:38 по местному времени 21 декабря (01:38 UTC 22 декабря). [110] [107]
Первая ступень ускорителя B1019 больше не летала после полета. [111] Вместо этого ракета была перемещена на несколько миль к северу в ангар SpaceX на стартовой площадке 39A , была отремонтирована SpaceX в соседнем Космическом центре Кеннеди , где она была осмотрена перед использованием 15 января 2016 года для проведения статического огневого испытания на своей первоначальной стартовой площадке, стартовом комплексе 40. [ 112] Целью этого испытания была оценка состояния восстановленного ускорителя и возможности этой конструкции ракеты многократно летать в будущем. [113] [107] Испытания показали хорошие общие результаты, за исключением одного из внешних двигателей, испытывающих колебания тяги. [113] Илон Маск сообщил, что это могло быть связано с попаданием мусора. [114] Затем ускоритель был отправлен на объект SpaceX в Хоторне, Калифорния.
Falcon 9 Flight 21 запустил спутник Jason-3 17 января 2016 года и попытался приземлиться на плавающую платформу Just Read the Instructions [115] , впервые расположенную примерно в 200 милях (320 км) в Тихом океане . Примерно через 9 минут полета прямая видеотрансляция с беспилотного корабля прервалась из-за потери его захвата на спутнике восходящей линии связи. Аппарат плавно приземлился на судно, но одна из четырех посадочных опор не зафиксировалась должным образом, как сообщается, из-за льда из-за сильного предстартового тумана, который помешал защелкнуть блокировочный цанговый зажим . [116] В результате ускоритель упал вскоре после приземления и был уничтожен в результате дефлаграции при ударе о площадку. [117] [118]
Рейс 22 нес тяжелый полезный груз массой 5271 кг (12 000 фунтов) на геостационарную переходную орбиту (ГПО). Это было тяжелее, чем ранее объявленная максимальная грузоподъемность на ГПО, которая стала возможной за счет перехода на слегка субсинхронный режим . После задержек, вызванных отказом рейса 19 , SpaceX согласилась предоставить спутнику SES-9 дополнительную тягу, чтобы сделать его суперсинхронным . [119] В результате этих факторов осталось мало топлива для выполнения полного испытания на возвращение и посадку с нормальными запасами. Следовательно, первая ступень Falcon 9 следовала по баллистической траектории после разделения и вошла в атмосферу на высокой скорости, что снизило вероятность ее успешной посадки. [120] [119] Атмосферный возврат и управляемый спуск прошли успешно, несмотря на более высокие аэродинамические ограничения на первой ступени из-за дополнительной скорости. Однако ракета двигалась слишком быстро и была разрушена при столкновении с беспилотным кораблем. Компания SpaceX собрала ценные данные о расширенном диапазоне полета, необходимом для возвращения ускорителей с геопереходов.
Начиная с января 2015 года, SpaceX разместила стабильные плавучие платформы в нескольких сотнях миль от побережья вдоль траектории ракеты; эти трансформированные баржи были названы автономными беспилотными кораблями-космодромами . [121] 8 апреля 2016 года Falcon 9 Flight 23, третий полет версии с полной тягой , доставил груз SpaceX CRS-8 на Международную космическую станцию, в то время как первая ступень провела обратный разгон и маневр входа в атмосферу над Атлантическим океаном. Через девять минут после старта ускоритель вертикально приземлился на беспилотный корабль Of Course I Still Love You , в 300 км от береговой линии Флориды, достигнув долгожданной вехи для программы развития повторного использования SpaceX. [122]
Вторая успешная посадка беспилотного корабля произошла 6 мая 2016 года, в ходе следующего полета JCSAT-14 был выведен на геостационарную орбиту. Эта вторая посадка в море была сложнее предыдущей, поскольку ускоритель при отделении двигался со скоростью около 8350 км/ч (5190 миль/ч) по сравнению с 6650 км/ч (4130 миль/ч) при запуске CRS-8 на низкую околоземную орбиту . [123] Продолжая свои эксперименты по проверке пределов диапазона полета, SpaceX выбрала более короткий посадочный импульс с тремя двигателями вместо импульсов с одним двигателем, наблюдавшихся в более ранних попытках; этот подход потребляет меньше топлива, оставляя ступень в свободном падении как можно дольше и замедляясь более резко, тем самым минимизируя количество энергии, затрачиваемой на противодействие гравитации. [124] Илон Маск указал, что эта первая ступень, возможно, не будет запущена снова, а будет использоваться в качестве жизненного лидера для наземных испытаний, чтобы подтвердить, что другие хороши. [125]
Третья успешная посадка последовала 27 мая, снова после торможения от высокой скорости, необходимой для запуска GTO. Посадка раздавила «ядро дробления» в одной ноге, что привело к заметному наклону сцены, когда она стояла на беспилотном судне. [62]
В ходе последующих миссий посадка первой ступени постепенно стала обычной процедурой, и с января 2017 года SpaceX перестала называть свои попытки посадки «экспериментальными». Низкоэнергетические миссии на МКС возвращаются на стартовую площадку и приземляются в LZ-1 , тогда как более сложные спутниковые миссии приземляются на беспилотные корабли в нескольких сотнях миль ниже по дальности. Отдельные миссии с тяжелой полезной нагрузкой, такие как EchoStar 23 , не пытаются приземлиться, летая в одноразовой конфигурации без плавников и ног.
В 2016 и 2017 годах SpaceX восстановила ряд первых ступеней как для посадки, так и для беспилотных кораблей, помогая им оптимизировать процедуры, необходимые для быстрого повторного использования ускорителей. В январе 2016 года Илон Маск оценил вероятность успеха в 70 процентов для всех попыток посадки в 2016 году, с надеждой на то, что она вырастет до 90 процентов в 2017 году; он также предупредил, что нам следует ожидать «еще нескольких RUD» ( Rapid Unscheduled Disassembly , аббревиатура Маска для обозначения разрушения транспортного средства при ударе). [126] Прогноз Маска оправдался, поскольку 5 из 8 запущенных ускорителей ( 63%) были восстановлены в 2016 году, а 14 из 14 ( 100%) — в 2017 году. Три миссии GTO для тяжелых полезных нагрузок ( EchoStar 23 в марте 2017 года, Inmarsat-5 F4 в мае 2017 года и Intelsat 35e в июле 2017 года) были запущены в одноразовой конфигурации, не оборудованной для посадки. Один ускоритель, который можно было восстановить, был намеренно запущен без опор и оставлен тонуть после мягкого приземления в океане (ускоритель B1036 для миссии Iridium NEXT 31–40 в декабре 2017 года).
По состоянию на 6 августа 2018 года [update]SpaceX восстановила 21 ускоритель первой ступени из предыдущих миссий , из которых шесть были восстановлены дважды, что дало в общей сложности 27 посадок. В 2017 году SpaceX осуществила в общей сложности 5 миссий из 20 с повторно использованными ускорителями ( 25%). В общей сложности по состоянию на август 2018 года было повторно запущено 14 ускорителей [update].
28 июля 2016 года первая ступень миссии JCSAT-2B была успешно испытана в течение всего срока службы на объекте SpaceX McGregor. [127] Первая попытка повторного использования состоялась 30 марта 2017 года [128] с запуском SES-10 , [129] завершившимся успешным полетом и второй посадкой первой ступени B1021, извлеченной из миссии CRS-8 в апреле 2016 года. [130] Еще один повторный полет был успешным в июне 2017 года с BulgariaSat-1, использовавшим ускоритель B1029 из миссии Iridium NEXT в январе 2017 года . [131] Ракета-носитель B1031 запустила миссию CRS-10 к МКС в феврале 2017 года и помогла вывести спутник связи SES-11 на геостационарную орбиту в октябре 2017 года. Ракеты-носители B1035 и B1036 запускались дважды каждый для одного и того же заказчика: B1035 для миссий NASA CRS-11 и CRS-13 в июне и декабре 2017 года, а B1036 для двух партий из 10 спутников Iridium NEXT также в июне и декабре 2017 года. B1032 повторно использовался для GovSat-1 в январе 2018 года после NROL-76 в мае 2017 года.
SpaceX потратила четыре месяца на восстановление первой ступени, которая будет повторно использована, B1021 , и запустила ее снова примерно через год. [132] Вторая ступень, которая будет запущена снова, B1029 , была восстановлена «всего за пару месяцев» [4] и повторно запущена через пять месяцев. [131] Илон Маск заявил о цели завершить первую ступень в течение 24 часов. [133] Маск по-прежнему убежден, что эта долгосрочная цель может быть достигнута SpaceX, [134] но не заявил, что цель будет достигнута с помощью конструкции Falcon 9.
Ракеты-носители B1019 и B1021 были выведены из эксплуатации и выставлены на обозрение. [ когда? ] B1029 также был выведен из эксплуатации после миссии BulgariaSat-1 . B1023, B1025, B1031 и B1035 были подняты во второй раз, в то время как B1032 и B1036 были намеренно затоплены в море после мягкого приземления на океан. [135]
К середине 2019 года, совершив повторный запуск любого ускорителя только три раза на сегодняшний день, SpaceX заявила, что планирует использовать один ускоритель по крайней мере пять раз к концу 2019 года. [136] Ни один ускоритель не достиг этого срока, но B1048 летал четыре раза, а еще два ( B1046 и B1049 ) совершили четвертый полет в январе 2020 года. В марте 2020 года SpaceX впервые запустила ускоритель ( B1048 ) в пятый раз. [137]
Испытательный полет Falcon Heavy не имел контрактного клиента, и для того, чтобы ограничить стоимость такого полета, SpaceX нацелилась на повторное использование боковых ускорителей. Ускорители B1023 и B1025, которые летали в конфигурации Falcon 9, были переконфигурированы и использовались в качестве боковых ускорителей в первом полете Falcon Heavy в феврале 2018 года, а затем оба приземлились бок о бок почти в одно и то же время на наземных площадках. Более поздние полеты Falcon Heavy использовали либо новые ускорители, либо боковые ускорители, ранее летавшие на Falcon Heavy. SpaceX не смогла восстановить центральное ядро ни в одном из трех Falcon Heavy, но сумела восстановить все шесть боковых ускорителей. [138]
С серией из 19 успешных попыток восстановления первой ступени с 2016 по начало 2018 года SpaceX сосредоточилась на быстром повторном использовании ускорителей первой ступени. Block 3 и Block 4 оказались экономически целесообразными для двух запусков, поскольку 11 таких ускорителей были повторно запущены в 2017 и 2018 годах. Block 5 был разработан с учетом многократного повторного использования, до 10 повторных использований с минимальным осмотром и до 100 использований с восстановлением. [139] Новые агрессивные профили повторного входа были опробованы с одноразовыми ускорителями Block 3 и Block 4 в начале 2018 года, чтобы проверить ограничения диапазона восстанавливаемых запасов запуска, которые являются потенциальными для будущего Block 5. [140] 9 мая 2021 года B1051 стал первым ускорителем, который был запущен и приземлился в десятый раз, достигнув одной из важных целей SpaceX по повторному использованию. [141] По состоянию на апрель 2024 года [update]рекорд повторного использования составляет 20 рейсов.
Обтекатели полезной нагрузки традиционно были расходными , когда они либо сгорали в атмосфере, либо разрушались при ударе об океан. Еще в середине 2015 года Маск намекнул, что SpaceX может работать над повторным использованием обтекателя после обнаружения обломков неопознанной секции ракеты-носителя Falcon 9 у побережья Багамских островов , и впоследствии SpaceX подтвердила, что это компонент обтекателя полезной нагрузки, который выбросило на берег. [142] К апрелю 2016 года SpaceX публично объявила о восстановлении обтекателя Falcon 9 в качестве цели. [42] Стоимость обтекателя составляет около 6 миллионов долларов за запуск, что составляет примерно десять процентов от общей стоимости запуска. [143] Маск сказал в 2017 году: «Представьте, что у вас было бы 6 миллионов долларов наличными в поддоне, летящем по воздуху, и он собирался упасть в океан. Вы бы попытались его восстановить? Да, да, вы бы это сделали». [144]
В марте 2017 года в рамках миссии SES-10 компания SpaceX впервые выполнила управляемую посадку обтекателя полезной нагрузки и успешно восстановила половину обтекателя с помощью двигателей управления ориентацией и управляемого парашюта , что помогло ей плавно приземлиться на воду. [3] [42] Компания объявила о намерении в конечном итоге посадить обтекатели на сухую гибкую конструкцию, в шутку описанную Маском как «плавающий надувной замок», с целью полного повторного использования обтекателя. [80] После последовательных испытаний и доработок в ходе нескольких полетов восстановление неповрежденного обтекателя было заявлено как цель на 2017 год, а повторный полет восстановленного обтекателя запланирован на 2018 год. [43]
Мем «надувной замок» на самом деле представлял собой сеть, натянутую между большими руками судна снабжения быстрой платформы под названием Mr. Steven (теперь GO Ms. Tree) . Судно для восстановления оснащено системами динамического позиционирования и было испытано после запуска спутника Paz с авиабазы Ванденберг в 2017 году. [145] [146] Эта миссия также была первой, в которой использовался обтекатель версии 2, специально разработанный для «повышения выживаемости при попытках восстановления после запуска и для повторного использования в будущих миссиях». [147] Эта попытка восстановления не была полностью успешной; обтекатель промахнулся мимо лодки на несколько сотен метров, но приземлился целым в воде [148] прежде, чем его подняли и доставили обратно в порт. [146] По состоянию на август 2018 года [update]все четыре попытки SpaceX посадить обтекатель на судно для восстановления потерпели неудачу, несмотря на то, что Mr. Steven был оснащен более крупными сетями перед попыткой в июле 2018 года. [149] [150]
В октябре 2018 года было проведено по крайней мере два испытания по восстановлению обтекателя с участием г-на Стивена и вертолета, который сбросил половину обтекателя с высоты около 3300 метров. Результат испытаний неясен. [151]
В апреле 2019 года во время второй миссии Falcon Heavy спасательное судно Go Searcher выловило половины обтекателя из моря, и было объявлено, что обтекатели будут использованы в миссии Starlink . [152] Эти обтекатели были повторно использованы в миссии Starlink 11 ноября 2019 года. [153]
В июне 2019 года, после третьего запуска Falcon Heavy, был сделан первый успешный захват обтекателя. Изображения, опубликованные в Twitter через несколько часов после запуска, показали половину обтекателя в сетке спасательного судна GO Ms. Tree . [154]
К концу 2020 года SpaceX регулярно поднимала обтекатели полезной нагрузки, отправляя два специально модифицированных спасательных корабля — Ms. Tree и Ms. Chief — для сбора обтекателей при большинстве запусков со своей стартовой площадки во Флориде. К этому времени SpaceX также регулярно перебрасывала поднятые обтекатели при запусках, обычно во время собственных полетов, где спутники Starlink являются основной или единственной полезной нагрузкой. Однако по состоянию на август 2020 года [update]успешные посадки в сети еще не были обычным делом, и менее половины обтекателей за предыдущие три месяца попали в сети, но большинство все равно были подняты после мягкой посадки в океан.
К апрелю 2021 года SpaceX отказалась от экспериментальной программы по попытке восстановления сухих обтекателей полезной нагрузки при спуске на парашюте в сетке на быстром корабле . SpaceX решила внедрить «мокрое восстановление» обтекателей в будущих полетах Falcon 9, обнаружив, что они могут очищать, восстанавливать и повторно использовать такие обтекатели более экономично. [155] SpaceX освободила Miss Tree и Miss Chief от их контрактов и приобрела два корабля для операций по восстановлению обтекателей, а также для буксировки и поддержки беспилотных кораблей на восточном побережье. Эти два корабля были названы в честь астронавтов Demo-2 Дага Херли и Боба Бенкена как Doug [156] и Bob . Ранее корабли Bob и Doug назывались Ella G и Ingrid соответственно. В настоящее время Doug работает в Порт-Канаверал, а Bob находится в Тампе на стадии строительства.
К 26 мая 2021 года SpaceX осуществила 40 полетов, в ходе которых повторно использовалась как минимум одна ранее использовавшаяся половина обтекателя, а один обтекатель побывал в пяти различных полетах, будучи восстановленным и очищенным четыре раза до этого. [144]
Несмотря на ранние публичные заявления о том, что SpaceX попытается сделать вторую ступень Falcon 9 также многоразовой, к концу 2014 года они определили, что масса, необходимая для теплозащитного экрана для входа в атмосферу, посадочных двигателей и другого оборудования для поддержки восстановления второй ступени, а также отвлечение ресурсов разработки от других целей компании были на тот момент непомерно высокими, и на неопределенный срок приостановили свои планы по повторному использованию второй ступени для ракет Falcon. [157] [158] Однако в июле 2017 года [43] они указали, что могут провести экспериментальные испытания по восстановлению одной или нескольких вторых ступеней, чтобы узнать больше о возможности повторного использования и использовать их в процессе разработки Starship , [159] а в мае 2018 года предоставили дополнительные сведения о том, как они могут провести некоторые из этих испытаний. [160]
Планируется, что Starship заменит все существующие пусковые и космические аппараты SpaceX после середины 2020-х годов: Falcon 9 , Falcon Heavy и космический аппарат Dragon , изначально нацеленные на рынок запусков на околоземной орбите , но с возможностью поддержки длительных космических полетов в окололунной и марсианской среде. [161] Обе ступени будут полностью многоразовыми. Интегрированная конструкция второй ступени с космическим кораблем не использовалась в предыдущих ракетах-носителях. [161]
Капсулы Dragon компании SpaceX постепенно совершенствовались для повторного использования. Структурные элементы и внутренние компоненты восстанавливаются между полетами, в то время как тепловой экран заменяется для каждой новой миссии. Последняя недавно построенная грузовая капсула Dragon впервые полетела в июле 2017 года; все последующие миссии по снабжению МКС проводились с восстановленными капсулами, [162] некоторые капсулы совершили третий полет. [163] [164] Секция багажника Dragon не может быть повторно использована, так как она спроектирована так, чтобы сгореть в атмосфере после завершения своей миссии. [165]
Капсула SpaceX Dragon 2 также используется повторно. Первоначально планировалось использовать новые капсулы для всех пилотируемых миссий NASA [166], но опыт демонстрационных миссий привел к тому, что NASA и SpaceX договорились о повторном использовании, начиная с Crew-2 . [167] [168]
В первый год успешного возвращения ступеней из экспериментальных испытательных полетов SpaceX провела специальную и специфичную для полета оценку и тестирование компонентов на каждой успешно приземлившейся ступени. Ступени были обработаны и первоначально оценены либо в стартовых ангарах, либо для посадок на мысе Канаверал в новом ангаре, который SpaceX недавно завершил в стартовом комплексе 39 Космического центра Кеннеди . Возвращенные части ракеты также были доставлены в SpaceX Hawthorne и SpaceX McGregor для инженерной оценки и испытаний.
В феврале 2017 года, после того как восемь ядер ракет успешно приземлились — семь из них были запущены с мыса Канаверал — SpaceX объявила о планах по расширению своих физических мощностей для обработки и восстановления ракет. Они будут делать это как в арендованном помещении, так и в новом здании, которое будет построено в Порт-Канаверал , Флорида , недалеко от места, где пришвартован дрон-корабль Atlantic Autonomous Spaceport , и где ступени, которые приземляются на дрон-корабль восточного побережья, теперь удаляются с корабля. [169]
Целью системы запуска Starship является создание полностью многоразового орбитального стартового и возвращаемого аппарата. [170] Система запуска Starship состоит из двух ступеней: ускорителя Super Heavy и космического корабля Starship; [171] оба имеют корпус из нержавеющей стали SAE 304L [172] и предназначены для хранения жидкого кислорода и жидкого метана . Super Heavy, а затем Starship разгонят полезную нагрузку до орбитальной скорости, после чего оба они приземлятся и могут быть использованы снова. Starship может отправить до 150 метрических тонн (330 000 фунтов) (с полной возможностью повторного использования) на низкую околоземную орбиту ; [173] более высокие околоземные и другие орбиты доступны после дозаправки заправщиками Starship. Будущие запланированные варианты Starship смогут приземляться на Луну и Марс . [174] Конструкция Starship повлияла на другие ракеты-носители, такие как возможность частичного повторного использования Terran R. [175]
Первое упоминание SpaceX о концепции ракеты с подъемными возможностями Starship было в 2005 году. На студенческой конференции Маск кратко упомянул о теоретической тяжелой ракете-носителе под кодовым названием BFR, позже известной как Falcon XX. [176] Она будет работать на более крупной версии двигателя Merlin , называемой Merlin 2, и иметь подъемную способность 140 метрических тонн (310 000 фунтов) на низкую околоземную орбиту. [177] В 2012 году в публичном обсуждении концептуальной программы колонизации Марса Маск описал Mars Colonial Transporter. Он представлял ее как многоразовую сверхтяжелую ракету-носитель , которая могла бы доставлять примерно 150–200 метрических тонн (330 000–440 000 фунтов) на низкую околоземную орбиту . Mars Colonial Transporter может работать на двигателях Raptor, потребляющих жидкий метан и жидкий кислород. [178]
В сентябре 2016 года на 67-м Международном астронавтическом конгрессе Маск анонсировал Межпланетную транспортную систему (МТС), концептуальную многоразовую ракету, задуманную для запуска людей на Марс и в другие пункты назначения в Солнечной системе . МТС должна была быть 122 м (400 футов) в высоту, 12 м (39 футов) в ширину и способна поднимать 300 метрических тонн (660 000 фунтов) на низкую околоземную орбиту. [179] Обе ступени должны были быть изготовлены из углеродных композитов . Первая ступень или ускоритель должна была приводиться в действие 42 двигателями Raptor, а вторая ступень — девятью двигателями Raptor. [180] После дозаправки на околоземной орбите космический корабль мог разогнаться до Марса. [181] Когда межпланетный космический корабль входит в атмосферу, он охлаждается посредством транспирации и управляет спуском космического корабля, перемещая свои дельта-крылья и разрезные закрылки . [182] На следующем Конгрессе Маск объявил о замене ракеты под названием Big Falcon Rocket или неофициально Big Fucking Rocket. Big Falcon Rocket имеет высоту 106 м (348 футов) и ширину 9 м (30 футов). [183] На этой конференции он говорил о возможной суборбитальной транспортной функции и назвал ее Earth-to-Earth. [184]
В ноябре 2018 года впервые были использованы настоящие названия: Super Heavy для ускорителя, Starship для космического корабля и система Starship или просто Starship для всего корабля. [185] Примерно в то же время Маск объявил о переработанной концепции космического корабля с тремя задними закрылками и двумя передними закрылками. [186] В январе 2019 года Маск объявил, что Starship будет изготовлен из нержавеющей стали, и заявил, что это может быть прочнее эквивалентного углеродного композита в широком диапазоне температур. [187] В марте Маск написал в Твиттере, что SpaceX выбрала тепловой экран, состоящий из шестиугольных керамических плиток вместо транспирации. [188] В октябре конфигурация двигателя космического корабля Starship была изменена на три Raptor, оптимизированных для атмосферного давления, и три, оптимизированных для космоса. [189] Количество задних плавников было уменьшено с трех до двух и размещено по краям теплозащитного экрана. [190]
27 августа 2019 года упрощенный испытательный образец под названием Starhopper подпрыгнул на высоту 150 м (490 футов). [191] Представленный на мероприятии SpaceX в сентябре 2019 года, Starship Mk1 (Mark 1) стал первым полномасштабным испытательным образцом Starship, который был построен. Mk2 во Флориде был построен пятью месяцами позже. [192] Ни один из них не полетел: Mk1 был уничтожен во время криогенного контрольного испытания, а Mk2 был списан. [193] В начале 2020 года SpaceX изменила название Mk3 на SN1 (серийный номер 1). [194] Во время криогенного контрольного испытания 28 февраля 2021 года неисправность в нижнем баке SN1 привела к его разрушению. 8 марта 2020 года урезанный испытательный бак SN2 завершил свое единственное криогенное контрольное испытание. [195] 3 апреля 2020 года во время криогенного контрольного испытания SN3 произошла утечка жидкого азота из клапана в нижнем баке, в результате чего произошло разгерметизация и разрушение судна. [196] После пятого успешного статического огневого испытания SN4 29 мая 2020 года быстроразъемный топливный трубопровод привел к его взрыву. [197] 15 июня 2020 года Маск написал в Твиттере, что новые прототипы будут изготовлены из нержавеющей стали SAE 304L вместо 301. [172] 4 августа 2020 года SN5 совершил прыжок на 150 м (490 футов) с использованием одного Raptor, что стало первым полномасштабным испытательным образцом, завершившим летные испытания неповрежденным. [198] 24 августа 2020 года SN6 успешно воспроизвел траекторию полета SN5. [199] SN7 не был достроен, но по состоянию на октябрь 2021 года его баки были спасены для различных экспериментов. [200]
SN8 был первым полностью пройденным испытанием. [201] В октябре и ноябре 2020 года SN8 прошел четыре статических огневых испытания; первое, второе и четвертое были успешными, но третье привело к остановке двигателя. По словам Маска, сила двигателя разрушила части стартовой площадки, отправив некоторые ее части в двигатель. [202] 9 декабря 2020 года SN8 выполнил первый полет на Starship, достигнув высоты 12,5 км (7,8 миль). Во время посадки его метановый резервуар не обеспечивал достаточного количества топлива для Raptors, что снизило тягу одного двигателя. Испытательное изделие взорвалось при ударе. [203] 2 февраля 2021 года SN9 пролетел на высоте 10 км (6,2 мили). [204] Во время снижения один из его двигателей не работал и взорвался при посадке под углом. [205] 3 марта 2021 года SN10 повторил траекторию полета SN9, затем совершил жесткую посадку и уничтожил себя в результате взрыва через 8 минут. [206]
Первая сверхтяжелая ракета-носитель под названием BN1 (ракета-носитель номер 1) была завершена 8 марта 2021 года, но она не получила двигателей. [207] 30 марта 2021 года ракета SN11 взорвалась в воздухе без подтвержденного объяснения из-за густого тумана на месте запуска. [208] Возможным объяснением является то, что двигатель мог сжечь авионику испытуемого изделия , что могло вызвать жесткий запуск турбонасоса двигателя. [209] После запуска SpaceX пропустила SN12, SN13, SN14 и BN2 и вместо этого включила усовершенствования устаревших испытуемых изделий в SN15. [210] 5 мая 2021 года испытуемое изделие пролетело по той же траектории полета, что и предыдущие испытуемые изделия, и успешно совершило мягкую посадку . [211] [212] 20 июля 2021 года BN3 запустила свои двигатели в единственный раз. [213] По состоянию на октябрь 2021 года SN15, SN16 и BN3 были сняты с вооружения и выставлены на обозрение. [211] [214]
После полета SN15 SpaceX завершила суборбитальную летную кампанию и испытывала прототипы на земле в течение почти двух лет. Ракета-носитель 3 [ сломанный якорь ] провела первое статическое огневое испытание в июле 2021 года, более поздние ракеты-носители провели статические огневые испытания с увеличивающимся количеством двигателей. Установка корабля на ракету-носитель была впервые испытана в августе 2021 года с помощью ракеты-носителя Ship 20 и ракеты-носителя Booster 4. Параллельно с этим орбитальная стартовая установка была модернизирована для поддержки запуска.
Ракета-носитель 7 и корабль 24 были запущены для первого комплексного летного испытания 20 апреля 2023 года, планировалось пролететь 3/4 орбиты и вернуться над океаном около Гавайев. Ракета покинула стартовую площадку и летела в течение трех минут, но во время полета отказали несколько двигателей ускорителя, и ракета в конечном итоге потеряла управление до разделения ступеней, достигнув максимальной высоты 39 км (24 мили). Сработала система прекращения полета , и последующий взрыв уничтожил транспортное средство. [215] Запуск разрушил бетонную площадку под пусковым устройством, в результате чего SpaceX заменила ее стальной пластиной с водяным охлаждением для последующих запусков. [216]
Booster 9 и Ship 25 были запущены во второй комплексный летный тест 18 ноября 2023 года, который имел идентичную запланированную траекторию первого полета. [217] В отличие от Booster 7, Booster 9 не имел отказов двигателя до начала работы обратного ускорителя, когда он взорвался по неизвестным на данный момент причинам. [218] Ship 25 достиг конечной скорости более 15000 миль в час, прежде чем был уничтожен своей системой прекращения полета. [219]
Booster 10 и Ship 28 были запущены в рамках комплексного летного испытания 3 14 марта 2024 года. [220] Траектория запуска отличалась от двух предыдущих запусков, и была нацелена на жесткое приводнение корабля в Индийском океане. [220] Во время подъема и возврата на орбиту не было отказов двигателей, хотя во время посадочного импульса отказали все центральные двигатели B10, кроме одного. [220] У S28 была прерванная попытка повторного запуска двигателя Raptor, и он сгорел при входе в атмосферу. [220]
6 июня 2024 года SpaceX запустила Booster 11 и Ship 29 в рамках миссии IFT-4 . После отключения одного двигателя вскоре после старта Starship продолжил движение по траектории, аналогичной IFT-3, только без попытки повторного запуска Raptor. После выполнения обратного импульса и сброса кольца горячей ступени Super Heavy успешно вернулся в атмосферу и приземлился, [221] а руководитель SpaceX Билл Герстенмайер сказал, что он приземлился с точностью в полсантиметра. Starship продолжил движение по запланированной орбите и начал вход примерно через 40 минут. Он продемонстрировал гораздо лучшее управление ориентацией, чем Ship 28, но во время более интенсивных частей входа в атмосферу у него прогорели закрылки из-за плазмы. [222] Несмотря на значительные повреждения закрылков, на которые Starship полагался для аэродинамического управления, была достигнута успешная посадка на воду, хотя и в 6 километрах от цели.
Ракета-носитель 12 и корабль 30 были запущены 13 октября 2024 года. Ракета-носитель поддерживала все тридцать три двигателя включенными до разделения ступеней, прежде чем успешно выполнить импульс обратного ускорения. [223] Ракета вернулась в атмосферу и была успешно поймана пусковой башней. [223] Корабль 30 достиг желаемой траектории и сохранил управление ориентацией до входа в атмосферу. [223] Он получил минимальные повреждения закрылков во время входа в атмосферу и успешно выполнил импульс обратного приземления на цель. [224]
«Самые ранние запуски Falcon 9 имели парашюты, которые должны были использоваться для восстановления первой ступени. Однако от этого отказались из-за того, что ступень развалилась во время входа в атмосферу, прежде чем парашюты успели раскрыться. Вместо этого SpaceX начала исследовать возможность использования двигателей ступени для осуществления активного спуска и посадки. Наряду с этим была разработана усовершенствованная ракета Falcon 9 — Falcon 9 v1.1».
@18:15 «Это очень сложная инженерная проблема, и я не думал, не был уверен, что ее можно решить некоторое время. Но затем, совсем недавно, в последние 12 месяцев или около того, я пришел к выводу, что ее можно решить. И SpaceX попытается это сделать. Теперь мы можем потерпеть неудачу. Я не говорю, что мы уверены в успехе, но мы попытаемся это сделать. И у нас есть проект, который на бумаге, с помощью расчетов, симуляций работает. Теперь нам нужно убедиться, что эти симуляции и реальность согласуются, потому что, как правило, когда они не совпадают, реальность побеждает. Так что это еще предстоит определить».
больше [чем Falcon 9], но я не думаю, что мы готовы заявить о полезной нагрузке. Мы поговорим об этом в следующем году.
Какова стратегия восстановления ускорителя? Маск: Первоначальный тест восстановления будет представлять собой посадку на воду. Первая ступень продолжит движение по баллистической дуге и выполнит снижение скорости, прежде чем войдет в атмосферу, чтобы уменьшить воздействие. Прямо перед приводнением снова включит двигатель. Подчеркивает, что мы не ожидаем успеха в первых нескольких попытках. Надеюсь, в следующем году с большим опытом и данными мы сможем вернуть первую ступень на место запуска и выполнить двигательную посадку на землю с помощью ног. В. Определен ли полет для возвращения ускорителя на место запуска? Маск: Нет. Вероятно, это будет середина следующего года.
F9R Dev 1 17 апреля, который длился менее 1 мин., был первым испытанием вертикальной посадки репрезентативной для производства возвращаемой первой ступени Falcon 9 v1.1, в то время как грузовой полет 18 апреля на МКС стал первой возможностью для SpaceX оценить конструкцию складных посадочных опор и модернизированных двигателей, которые управляют ступенью во время ее первоначального спуска.
надеемся, что когда-нибудь в ближайшие пару лет мы сможем добиться полной и быстрой возможности повторного использования первой ступени, которая составляет около трех четвертей стоимости ракеты, а затем с будущей архитектурой конструкции достичь полной возможности повторного использования.
Этот технологический элемент [технология многоразовых ракет-носителей] все эти инновации создаются SpaceX в одиночку, никто не платит нам за это. Правительство очень заинтересовано в данных, которые мы собираем в ходе этой серии испытаний. ... Это то, что предпринимательские инвестиции и новые участники/новаторы могут сделать для отрасли: финансировать собственные улучшения, как в качестве своих программ, так и в качестве своего оборудования, а также в скорости и ритме своих операций.
использует частный капитал для разработки и демонстрации возможности повторного использования ракеты Falcon 9. SpaceX не раскрывает, сколько будет стоить программа многоразовой ракеты.
сказал, что SpaceX сделала первую ступень ракеты Falcon 9 многоразовой за счет полностью частного финансирования, вложив в эту работу не менее 1 миллиарда долларов...
существует для продвижения [видения человечества, становящегося многопланетным] по нескольким направлениям: разработка технологии многоразовых ракет, которая будет необходима для доставки большого количества людей и большого количества грузов на Марс; ...
что это немного сложно. Потому что нам нужно выяснить, как улучшить стоимость поездок на Марс на пять миллионов процентов... это означает улучшение примерно на 4 1/2 порядка величины. Это ключевые элементы, которые необходимы для достижения улучшения на 4 1/2 порядка величины. Большая часть улучшения будет получена за счет полной повторной использования — где-то между 2 и 2 1/2 порядками величины — а затем остальные 2 порядка величины будут получены за счет заправки на орбите, производства топлива на Марсе и выбора правильного топлива.
{{cite AV media}}
: CS1 maint: location (link)думаю, что мы довольно близки к тому, чтобы восстановить обтекатель. ... около 5 или 6 миллионов долларов за единицу оборудования. У нас есть приличный шанс восстановить обтекатель к концу года и повторить полет к концу этого года или началу следующего. ... Верхняя ступень составляет около 20 процентов от стоимости миссии. Так что если вы получите разгонную ступень и обтекатель, мы будем примерно на 80 процентов пригодны для повторного использования. ... Подумайте о многих миссиях, мы могли бы даже вернуть вторую ступень. Так что мы собираемся попытаться сделать это, но наша главная цель [в течение следующих нескольких лет будет экипаж Dragon].
Dragon имеет форму, которая стабильна при входе в атмосферу с орбиты, тогда как состояния ракеты традиционно нестабильны при входе в атмосферу, поэтому задействовано много программного обеспечения, много навигации и управления, а также требуется много тепловой защиты; поэтому нам нужно добиться прогресса во всех этих областях. Нам также нужно перезапускать двигатели сверхзвуковым способом.
Ключевым усовершенствованием, позволяющим точно наводить Falcon 9 на цель вплоть до приземления, является добавление четырех гиперзвуковых решетчатых килей, размещенных в конфигурации X-wing вокруг корабля, убранных при подъеме и развернутых при входе в атмосферу для управления вектором подъемной силы ступени. Каждый киль движется независимо по крену, тангажу и рысканию, а в сочетании с подвеской двигателя позволит выполнить точную посадку — сначала на беспилотный корабль автономного космопорта, а затем на землю.
Первая ступень Falcon 9 оснащена посадочными опорами, которые разворачиваются после разделения ступеней и обеспечивают мягкое возвращение ракеты на Землю. Четыре опоры изготовлены из современного углеродного волокна с алюминиевыми сотами. Расположенные симметрично вокруг основания ракеты, они укладываются вдоль борта транспортного средства во время взлета, а затем выдвигаются наружу и вниз для посадки.
Центральная часть первой ступени Falcon Heavy и ускорители несут посадочные опоры, которые безопасно приземлят каждую из них на Землю после взлета. После того, как боковые ускорители отделятся, центральный двигатель в каждом из них включится, чтобы управлять траекторией ускорителя вдали от ракеты. Затем опоры будут раскрываться, когда ускорители вернутся к Земле, мягко приземляясь на землю. Центральная часть будет продолжать работать до разделения ступеней, после чего ее опоры также раскроются и приземлятся обратно на Землю. Посадочные опоры изготовлены из современного углеродного волокна с алюминиевыми сотами. Четыре опоры укладываются вдоль сторон каждой из них во время взлета, а затем выдвигаются наружу и вниз для посадки.
(произносится как F-niner) показывает маленькую ногу. Конструкция представляет собой вложенный телескопический поршень с рамой A... Гелий высокого давления. Должен быть сверхлегким.
Ядро в ногах Falcon можно использовать повторно после мягких посадок, но его необходимо заменить после жестких.
успешная «мягкая посадка» ракеты Falcon 9 произошла в апреле этого года.
Falcon 9 v1.1] транспортное средство имеет на тридцать процентов больше производительности, чем то, что мы выкладываем в сеть, и эта дополнительная производительность зарезервирована для нас, чтобы провести наши [тесты] на повторное использование и восстанавливаемость ... текущее транспортное средство имеет размеры для повторного использования.
Работа SpaceX с F9R является частью усилий по разработке полностью и быстро повторно используемых систем запуска, что является ключевым приоритетом для компании. Такая технология может сократить стоимость космических полетов в 100 раз.
Ракеты одноразового использования, над которыми в прошлом работали многие умные люди, выводят на орбиту, возможно, 2% от стартовой массы — на самом деле не так уж много. Затем, когда они попытались сделать их многоразовыми, это привело к отрицательной полезной нагрузке, от 0 до 2% минус полезная нагрузка [смеется]. Хитрость в том, чтобы придумать, как создать ракету, которая, если бы она была одноразовой, была бы настолько эффективна во всех своих системах, что вывела бы на орбиту от 3% до 4% своей массы. С другой стороны, вы должны быть столь же умны с элементами многоразового использования, чтобы штраф за многоразовое использование не превышал 2%, что в идеале оставило бы вам все еще 2% полезной нагрузки на орбиту в сценарии многоразового использования, если это имеет смысл. Вам придется разделить эти две вещи: вывести полезную нагрузку на орбиту, снизить массу, необходимую для повторного использования, и при этом оставить достаточно для выполнения полезной работы.
данный момент мы полностью уверены в том, что сможем успешно приземлиться на плавучую стартовую площадку или вернуться на стартовую площадку и повторно запустить ракету без необходимости ее восстановления.
«Вторая ступень Falcon 9 будет модернизирована, чтобы стать похожей на мини-корабль BFR», — сказал Маск. Верхнюю ступень BFR иногда называют «космическим кораблем».
построила бетонный стартовый комплекс площадью в пол-акра в Макгрегоре, и ракета Grasshopper уже стоит на площадке, оснащенная четырьмя серебряными посадочными опорами, похожими на насекомые.
SES с SpaceX предусматривал, что ракета должна вывести SES 9 на "субсинхронную" переходную орбиту с апогеем около 16 155 миль (26 000 километров) в высоту. Такая орбита потребовала бы от SES 9 потребления собственного топлива для достижения круговой точки высотой 22 300 миль, путешествие, которое, по словам Холливелла, должно было длиться 93 дня. Изменение [предложенное SpaceX] в профиле запуска Falcon 9 выведет SES 9 на начальную орбиту с апогеем на высоте примерно 24 419 миль (39 300 километров) над Землей, нижней точкой на высоте 180 миль (290 километров) и траекторией, наклоненной примерно на 28 градусов к экватору.
Эта миссия отправляется на геостационарную переходную орбиту. После разделения ступеней первая ступень Falcon 9 попытается совершить экспериментальную посадку на беспилотный корабль "Of Course I Still Love You". Учитывая уникальный профиль GTO этой миссии, успешная посадка не ожидается.
космос и обратно менее чем за девять минут? Привет, будущее.
заявила, что планы SpaceX попытаться восстановить вторую ступень существующего семейства Falcon направлены не столько на их повторное использование, сколько на изучение возможности повторного использования в рамках подготовки ко второй ступени BFR.
Маск: «в предстоящих полетах [SpaceX] соберет данные о возвращении верхней ступени. Раньше мы не прикладывали много усилий для сбора данных с верхней ступени после того, как она выработает свой утилизирующий импульс. Мы будем отслеживать, на какой высоте и скорости разрушается ступень…» Сбор этих данных нелегок. Маск объяснил, что «это сложно, потому что она приходит как метеор. Это что-то вроде шара плазмы. Вы можете транслировать только по диагонали назад, поэтому мы будем стремиться общаться, вероятно, [с] созвездием Iridium, и пытаться передавать основные данные о температуре, базовом состоянии ступени, скорости и высоте».
{{cite AV media}}
: CS1 maint: location (link)