Falcon 9 - двухступенчатая ракета-носитель среднего и тяжелого класса разработанная фирмой Spacex. История наша начнётся не в стенах этой компании, а в стенах национального управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, то есть NASA.
В начале XXI века именитое агентство находилась на перипетии и старая стратегия, когда практически всем космосом заведовала эта контора - уже не работала. Времена, когда вся Америка в Едином порыве строила гигантские ракеты, чтобы отправить героев в прекрасное далёко ушли на страницу истории. Космический челнок Space Shuttle морально устарел, а потрясали в нём теперь только расходы на обслуживание. Авария Колумбии в 2003 году убила не только экипаж корабля, но и всю программу. В итоге после ее закрытия единственным способом для астронавтов добраться до космоса стали российские ракеты Союз. Этот факт очень забавляет российских экспертов и очень бесит американских, что снова же ещё больше забавляет российских. В это же время в США, да и в остальном мире стал возникать вопрос, не на том ли этапе мы прогресса, чтобы космосом занимались не только гигантские космические агентства, Но и более компактные и уж точно более гибкие организации. В данном случае нужно уточнить, что речь идет о полном цикле работ от производства до самой эксплуатации. Сами по себе ракеты в США всегда строили не государственные компании, которые, правда тоже изрядно переросли и обленились. Это идея хотя и не нравилась чиновникам, но всё же пошла в дело. Внимание к развитию частного сектора и созданию нового космического рынка значительно возросло. Эта стратегия преследовала две основные цели: с одной стороны NASA является гигантским научно-исследовательским институтом и предполагается, что агентство концентрируется именно на фундаментальной работе с космосом, передав часть компетенции частным компаниям и выполняя при этом Административный контроль - что-то типа государственного космического регулятора. Это позволит оптимизировать расходы и сконцентрироваться на основных задачах. С другой стороны доминирование на американском рынке ракетных комплексов концерна ULA фактически, монополизировала рынок. Это привело к деградации конкуренции, а соответственно замедлению развития и непомерному росту цен. Соединенным штатам это совсем не помогало - гос структурам приходилось раскошеливаться, а частные заказчики нашли себе лучшую компанию в России и Европе и Китае.
Еще в 2006 году была инициирована программа COTS, целью которой была поддержка частных компаний в разработке и созданию носителей и космических аппаратов способных работать на орбите Земли в первую очередь с Международной Космической Станцией. И теперь мы возвращаемся в SpaceX. Итак, в старых добрых 2008 и 2009 годах spacex осуществила два запуска c полезной нагрузкой в космос, с помощью ракет носителей собственной разработки Falcon 1. Эта ракета стала первым успехом компании и не столько с точки зрения эффективности самой ракеты, сколько с точки зрения авторитета. Она доказала, что Spacex - серьёзные игрок, претендующий на определённую роль в индустрии. Итак, spacex умеют делать ракеты, раз они такие талантливые - надо бы его отправить на конкурс, COTS, который уже был в самом разгаре. Победители конкурса делили между собой финансирования NASA на разработки ракет среднего класса. 500 миллионов долларов - отличное подспорье для частников, хотя фактически это была стоимость одного запуска Шаттла. В конкурсе участвовало 19 компаний, а победителями стали три: Orbital sciences Corporation, Rocket Player Kistler и Spacex. Rocket Player Kistler со своим проектом и выпала из гонки. В течение нескольких лет Компания получила грант в $396 млн на создание ракеты-носителя Falcon 9 и корабля Dragon. Orbital получил 288 млн на создание ракеты Antares и корабля Cygnus. В 2008 году в рамках продолжения программы COTS была инициирована программа CRS. По этой программе Spacex и Orbital Science получали контракты на миллиард 600 миллионов и миллиард 900 миллионов соответственно - по доставке грузов на МКС на своих ракетах и кораблях. Благодаря контрактам COTS и CRS - spacex удалось значительно ускорить работы по Falcon 9. При этом Spacex оставалась относительно небольшой компанией и силы были брошены на девятку.
Falcon 1 покинул сцену едва на неё забравшись, а средняя Falcon 5 так и не появилась. Одним из основных для программы COTS являлось условие, что это программа нужна лишь для поддержки и ускорения развития частных ракетостроителей. НАСА изначально поставила участников перед фактом, что они должны выполнять работы самостоятельно и в дальнейшем эксплуатировать свою технику также самостоятельно, не рассчитывай исключительно на государственную поддержку. Ракетостроителям сразу сказали: будете успешными - красавчики обанкротитесь - никто по вам скучать не будет. Напомню компания Rocket Player Kistler тоже была финалистом программы COTS, по ней никто не скучает. Эта схема сработала. В 2014 году spacex опубликовала отчет по, которому на него при проекте Falcon 9 и капсуле Dragon было затрачено примерно 850 млн. долларов включая Гранд НАСА. По расчётам комиссии по финансовому контролю NASA и ВВС - до конца 2017 года программа обошлась примерно в $1млрд700млн - смешная сумма по их прикидкам. Если бы работой занималась сама NASA - это цифра была бы в два три раза больше. К примеру, ракету SLS они за последние 4 года уже потратили 7 млрд. (!) и это при том, что, в общем-то, ни одной ракеты мы еще не видели. Да, SLS сверхтяжелая ракета. Она больше и мощнее, а значит, и должна быть дороже. Но ощущения такого легкого переедания всё равно присутствует. Как уже положено Илон Маск с ходу заявил, что уже в 2009 году Falcon 9 будет летать. Однако реалии разработки и американской бюрократии с ним не согласились, но работы всё равно двигались быстро. Уже к концу 2009 года SpaceX проводила огневые испытания ступени на своей базе в Мак Грегоре, а в 2010 году космодром Cape canaveral впервые увидел собранную ракету Falcon 9. Особым приключением стало производство: старый завод, на котором делали маленькие ракеты Falcon 1 не подходил и компания переехала в Хоторн - пригород Лос-Анджелеса неподалеку от старого места. Spacex заняла закрытую площадку раньше принадлежавшую northrop grumman, где собственно до сих пор и находится.
4 июня 2010 года был выполнен первый испытательный пуск. Эта миссия ,была выполнена в рамках собственных испытаний Spacex. В декабре того же года начались испытания по программе COTS с полноценным кораблем Dragon. Полет был успешным, корабль дважды облетел Землю и приводнился в Тихом океане. После этого испытания spacex торжественно влетела в нудный период сертификации ракеты, компонентной базы и производства, который длился больше года. Завершающие испытания и пуск был выполнен весной 2012 года когда корабль Dragon впервые был прикован к МКС. Falcon 9 была официально признана ракетой - носителем.
Итак, какая у нас статистика по полетам: на конец 2017 года было проведено 46 пусков ракет Falcon 9 (44 пуска были признаны успешными при этом с ракетой произошли две аварии). Первая произошла в 2015 году - ракета взорвалась в полете. Вторая авария последовала в 2016: при заправке Произошло возгорание топлива, и ракета взорвалась на стартовой площадке. Фирма потратила несколько месяцев на то, чтобы выяснить причины и разобраться с проблемой.
Частота пусков за последние годы довольно сильно подросла, причём в период с 2013 по 2016 год это цифра колебалась между 7и 8 пусками, а в 2017 году когда серийно выпускалась версия Falcon 9 FT - количество пусков подскочило до 18! В масштабах в современной индустрии космических пусков это очень много для одного игрока. Пуски ракет Falcon 9 проводится с трёх основных стартовых площадок в космическом центре Кеннеди, космодрома Vandenberg и космодроме Cape canaveral. Spacex также строит коммерческую стартовую площадку в Техасе которая должна быть введена в эксплуатацию в конце 2018 года. В 2017 году из 18 выпуска в 12 были выполнены по контрактам с заказчиками из Соединенных Штатов, из них четыре были выполнены по контракту NASA по доставке грузов на МКС, и два по заказу силовых структур. 6 заказов были коммерческими, еще 6 пусков были выполнены в рамках контрактов с иностранными заказчиками. Одна ракета вывела сразу два больших спутника из США и Европы.
Ну хватит цифр, посмотрим что представляет эта ракета по факту. Falcon 9 является двухступенчатой ракетой-носителем тяжелого класса. По характеристикам в большей части конструкции - классика. Первая ступень оснащена 9-ю двигателями Merlin - именно поэтому ракета называется Falcon 9. В качестве топлива используется пара керосин - жидкий кислород, заполняющая два бака из аллюминий-литиевого сплава. Вторая ступень максимально унифицирована с первой и является фактически её упрощённой версией. В ней силовая установка состоит из 1 вакуум-адаптированного двигателя Merlin. В ступенях для поддержания нужного давления в баке нагнетается сжатый гелий. Полезная нагрузка закрывается композитным обтекателем длиной 13 м. и диаметром 5,2 м. Falcon 9 по нынешним меркам считается вполне надежной ракетой с показателем примерно 96% (это уже прилично, хотя и не дотягивает до лидеров отрасли по этому показателю - ракет семейства Союз. У них надежность гуляет вокруг 97 - 98 процентов). Такая надежность для довольно молодого изделия является результатом очень придирчивой программы испытаний которые проходят ракеты на разных этапах вплоть до последних секунд на земле. Такая практика уже имела место в ракетостроении, но до этого ее применяли в пилотируемых полетах, когда требования безопасности в максимальны. Наличие сразу 9 двигателей 1 ступени также обеспечивает безопасность полета даже в случае частичного отказа. Это была подтверждена во время первой миссии Sierra S1 когда один из мэрлинов вышел из строя, но Dragon на МКС всё равно прибыл успешно.
Теперь давайте посмотрим на модификации. Итак, Falcon 9 версия 1.0 Под таким индексом выпускалась первое поколение ракет появившееся в 2010 году и летавшие 5 раз до 2013 года. Версия 1.0 была самой простой и являлась фактически масштабированием ракеты Falcon 1. Первая ступень получила 9 двигателей создающих тягу v3800 килоньютонов на уровне моря. Вторая ступень оснащалась одним двигателем создающим тягу в 420 килоньютон. Двигатели ракета унаследовала напрямую от Falcon 1. Это были старые добрые Мерлин 1, адаптированные для атмосферы на первой ступени и для вакуума на второй. Стартовая масса ракеты достигала 318 тонн. Она могла вывести на низкую околоземную орбиту нагрузку массой до 9 тонн. В принципе версия 1.0 имела неплохие характеристики, но и содержала критичный недостаток: она была обычной ракетой-носителем и всё, а это очень скучно. В 2013 году к ракете вышел патч 1.1 который пошёл вход с 6 пуска. Первое что бросается в глаза это размеры. Ракета выросла на целых 13,5 м при этом Стартовая масса перешагнула за 500 Т, то есть выросла больше чем наполовину! Важнейшим техническим новшествам являлся новый двигательный блок. В версии 1.0 двигатели были выстроены в три ряда квадратов, а управление выполнялось распределением тяги между ними. В новой же схеме двигатели распределили иначе: восемь по кругу и один в центре. Теперь ракета корректируется отклонением вектора тяги центрального двигателя, а это позволило упростить конструкцию силовой установки, а также повысить управляемость ступени при возвращении на землю. Двигатели также были серьезно модернизированы и их тяга почти дотянулась до отметки в 5900 килоньютона у земли - то есть снова выросла более чем наполовину. Вторая ступень получила обновленную авионику и тот же двигатель Merlin 1d Vacuum с тягой до 716 килоньютон. Благодаря этим улучшение масса забрасываемый на низкие орбиты полезной нагрузки возросла с 9 до 13 тонн. Вскоре была создана версия ракеты Full Thrust или FT.
Falcon 9 FT впервые оторвалась от земли в декабре 2015 года. Внешне на этот раз её довольно сложно отличить от предшественницы. Она лишь немного подросла, а построение блока двигателя осталось прежним. Но внешность бывает обманчива. Стартовая масса выросла ещё на 43 Т (!) преимущественно за счет топлива. Возникает логичный вопрос как ракета почти не изменившиеся габаритно могла так потяжелеть. Ответ такой же как и в фитнесе: легкий жирок был заменён тяжелым мясом :)) Топливная пара ракеты подверглась усиленному переохлаждению, что позволило понизить температуру жидкого кислорода до минус 207 градусов, а температура керосина до -6C. Благодаря этому удалось увеличить плотность - то есть в тот же объем запихнули больше топлива. Это решение оказалось весьма полезным хоть и не новым. В свое время также повышали плотность топлива на советских сверхтяжелых ракета Энергия. Первая ступень получила усиленную конструкцию и была лучше адаптирована для возвращения на Землю. Основные изменения снова коснулись двигателей тяга которая прошла отметку в 7600 килоньютон грузовые характеристики ракет достигли своих максимальных значений Falcon 9 FT способна вывести на низкую околоземную Орбиту полезную нагрузку массой больше 22 тонн что ставят ее рядом с такими мастодонтами как российский Протон, Европейский Ariane 5 и американская Delta 4. В 2017 году на ракетах версии FT начали отрабатывать дополнительное решение для модернизации авионики двигателей и конструкции ракет.
А теперь самое интересное: многократное использование. Стратегической задачей spacex и главной инновацией декларируется Возвращение ракета Falcon 9 на землю и их повторное использование целиком. SpaceX с самого начала принимала меры для развития темы возвращения ступеней и уже при ранних испытательных пусках первые ступени пытались вернуть на землю, используя парашюты, как это ранее делали с ускорителями челноков Space Shuttle. Но ступени не могли удержать стабильность, разрушались при слишком больших нагрузках и ударе о воду. В 2011 году от парашютов отказались и вместо этого работа была сконцентрирована на более сложной, но перспективной концепции управляемой вертикальной посадки. Для отработки данной схемы на полигоне МакГрегор был создан испытательный стенд - фактически упрощённая версия первой ступени Falcon 9, которая должна была взлетать и управляемо приземляться. Испытания были удачными, хотя не обходилось и без фейерверков. Оборудование для выполнения посадок стало устанавливаться на все ракеты поколения версии 1.1. Для сокращения использования двигателей и более точного управления посадкой ступени оснастили четырьмя решетчатыми рулями. Садятся ракеты на 4 раскладные опоры. Первое успешное Возвращение было выполнено в декабре 2015, года когда ступень 1 ракеты FT вернулась к побережью и совершила посадку на наземной площадке. Эта ступень теперь памятник она выставлена возле штаб-квартиры space x. После этого на конец 2017 года были проведены 23 операции по возвращению первых ступеней (20 успешных). Начиная с 2017 года посадки первой ступени начали официально считаться не экспериментом, а стандартной процедурой. Повторные пуски ступеней начались весной 2017. Всего за год spacex выполнила 4 пуска, используя уже летавшие первые ступени. Как показывает практика, на обслуживание и возврат ступени в строй уходит около полугода, при этом на все эти работы тратится сумма составляющая примерно половину стоимости новой ступени.
Ну и немного беспредела: spacex изначально собирались возвращать не только первую ступень, но и вторую и даже обтекатель! Вторая ступень должно было возвращаться подобно обычному кораблю, выдерживая трение и температуру с помощью тепловых щитов, а потом садиться как первая вертикально, но это уже был явный перебор даже для Илона Маска. Ступень маленькая, простая и с одним двигателем, а дополнительного оборудования чуть ли не столько же сколько на огромной первой. Идею отложили в долгий ящик, а вот с обтекателями всё ещё играют. На каждую половину разделяющейся конструкции установили элементы автоматической корректировки и парашюты. На данный момент известно что минимум одну половинку они так вернули в марте 17 года. В принципе Неплохая идея обтекатели достаточно простые легкие конструкции, а стоят при этом по словам представителей компании по $6млн.
Итак, по итогам у нас:
На момент начала эксплуатации в 2010 году стоимость пуска ракет Falcon версии 1.0 колебалась в рамках 49-56млн долларов. В 2013-2014 годах с вводом в строй в версии 1.1 цена возросла до пределов 56-61 млн. В 2016 году средняя стоимость пусков ракет Falcon 9 FT составляла около 62 млн долларов, при этом грузовые миссии корабли Dragon на МКС выполняемые по контрактам с NASA оцениваются в 133 млн за каждую. Подобная ценовая политика обеспечивает конкурентное преимущество spacex над другими американскими производителями ракетоносителей аналогичного класса. Стоимость пусков Atlas-5 колеблется в рамках 100-150 млн. Delta 4 более 160 миллионов. В Европе Falcon 9 конкурирует c Ariane 5 (160-220 млн) Прямым конкурентом на мировом рынке для Falcon 9 FT можно считать российские Протон-М обладающие близкими характеристиками и имеющие близкую стоимость пуска - около 60-70 млн. долларов. Так что тут по ценам можно гадать – SpaceX подгоняет свой ценник под роскосмос – или наоборот :)
Совсем скоро состоится фееричный запуск ракеты сверх тяжелого класса Falcon Heavy, и мы обязательно вернёмся к этой теме. Ставьте лайки и подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить!