Falcon 9

Zleva Falcon 1, Falcon 9 v1.0, Falcon 9 v1.1 a Falcon Heavy

Aktuálně je známo pět vývojových verzí Falconu 9. Verze 1.0 a 1.1 už byly z provozu vyřazeny a byly nahrazeny aktuální verzí FT. Ta byla dále optimalizována v rámci tzv. verzí/bloků, kdy zejména poslední Block 4 a Block 5 byly optimalizovány pro co nejefektivnější znovupoužitelnost prvních stupňů. Dříve bylo počítáno i s dalším vývojem, při kterém by byly stávající motory Merlin nahrazeny motory Raptor, není však jasné, jestli jen na druhém, nebo i prvním stupni.[6]

V současné době (2020) však SpaceX cílí zejména na co nejrychlejší vývoj nosného systému Starship a své aktivity směřující k další modernizaci Falcon 9 výrazně utlumila zejména proto, aby nedocházelo ke štěpení vývojových zdrojů.

První stupeň je osazen devíti motory typu Merlin 1D+ na kapalný kyslík a čistý letecký petrolej (LOX/RP-1) v konfiguraci octaweb, kde osm motorů rozmístěných po obvodu obklopuje jeden motor středový (označován jako motor číslo pět - zároveň nabízí i nejširší možnost vektorování tahu). Motory jsou se zbytkem prvního stupně spojeny kovovou podpůrnou strukturou, do které jsou motory zavařeny. Na rozdíl od předchozí konfigurace, kde byly motory rozmístěny v mřížce 3x3 (tzv. tic-tac-toe konfigurace) tato konstrukce zjednodušuje výrobní proces a i design samotný. Při startu je všech devět motorů zažehnuto pyroforickou směsí TEA-TEB (triethylhliník-triethylboritan) z pozemních nádrží startovního komplexu, raketa nicméně disponuje i vlastními nádržemi na tuto směs - kvůli pozdějším zážehům při přistávacích manévrech. Směs se vyznačuje typickým zeleným plamenem (po přistání 1. stupně mise JCSAT-14 byl v motorové sekci zpozorován zelený plamen[7]).

Nad motorovou sekcí jsou umístěny čtyři přistávací nohy, vyrobené z uhlíkového vlákna a voštinového kompozitního hliníku. Dohromady váží méně než 2,1 tuny. Při vzletu jsou složeny podél trupu, před přistáním je písty roztáhnou pomocí stlačeného hélia. Celkové rozpětí noh je až 18 metrů. Podle Gwynne Shotwellové jsou přistávací nohy konfigurace FT silnější než ty, které byly montované na trup v1.1. Prohlásila to v reakci na selhání jedné z nich během přistání letu 21 (Jason-3).

Motory prvního stupně hoří obvykle 140 sekund (pokud jde o misi na nízkou oběžnou dráhu) nebo až 156 sekund (vysokoenergetické mise na přechodovou dráhu ke geostacionární dráze). Krajní případy letů na GTO pak značně komplikují přistání, protože kvůli úspoře paliva není prováděn tzv. boostback burn, který upravuje přistávací trajektorii stupně, a raketa proto letí k přistávací zóně po takřka balistické křivce.

Nad hlavní částí trupu prvního stupně se pak nachází tzv. mezistupeň (interstage). To je kompozitní konstrukce, která chrání motor druhého stupně během vzletu, a následně zajišťuje jeho bezpečné oddělení, čehož je dosaženo pomocí pneumatického oddělovacího systému - ten je unikátní, protože většina nosných raket využívá pyrotechnického oddělení. Mezistupeň se následně vrací k přistání spolu s prvním stupněm.

Po oddělení prvního stupně dochází po pěti až sedmi sekundách k zážehu jediného motoru druhého stupně. Jedná se o vakuový derivát motorů prvního stupně, běžně označovaný jako M1DVac, a vyznačuje se především podstatně větší tryskou s větším expanzním poměrem. Na rozdíl od motorů prvního stupně M1DVac nabízí také širší možnosti regulace tahu, a to se spodní hranicí až 39% nominálního výkonu (u motorů prvního stupně je to 70%).

Na druhém stupni je ve většině případů osazen aerodynamický kryt. Oproti nosným systémům jako je např. Atlas V, raketa Falcon disponuje krytem vyráběným pouze v jedné velikosti, a to o průměru 5,2 metru a výšce 13,2 metru. Obě dvě poloviny jsou vyrobeny z uhlíkového vlákna a voštinového kompozitního hliníku, a mezi oddělením druhého stupně a ukončením jeho prvního zážehu jsou pneumaticky odděleny.

Aerodynamický kryt je užíván k ochraně citlivého nákladu během vzletu - většinou jde o citlivé satelity určené k nasazení ve vakuu vesmíru. Nicméně když americká společnost Sierra Nevada zvažovala raketu Falcon jako alternativu pro vynášení své lodi Dreamchaser (místo Atlasu V), bylo uvedeno, že by loď byla také vynášena uvnitř aerodynamického krytu (došlo by ale ke složení křídel).

V případě, že probíhá let s lodí Dragon, nebo Dragon v2 pak aerodynamický kryt není osazován, protože ho není třeba.

Znovupoužívaní prvních stupňů se stalo rutinním. Dle dostupných informací to významně přispívá k ekonomice provozu této rakety a rovněž jsou díky tomuto značně zredukovány požadavky na výrobní kapacity, zejména raketových motorů Merlin.

Již letěné první stupně rakety, resp. jejich znovupoužitelnost jsou rovněž představovány jako významná spolehlivostní výhoda. Jsou prezentovány jako prověřené letem (flight-proven) a tudíž jasně demonstrovanou letovou spolehlivostí. U zákazníků Falconu 9 původně převažovala jistá nedůvěra k recyklovaným stupňům, jakmile ale bylo desítkami letů demonstrováno, že znovupoužitelnost nemá negativní vliv na spolehlivost rakety, došlo k přehodnocení tohoto přístupu a i klíčoví zákazníci jako NASA či americké ministerstvo obrany začínají výrazněji využívat recyklovaných strojů. Významným faktorem je ekonomika provozu recyklovaných raket, kdy cena za start takovéto rakety je pro zákazníka významně levnější.

Kromě prvních stupňů rakety byla rovněž vyladěna schopnost zachycování aerodynamických krytů, které se rovněž daří stále častěji znovupoužívat, zejména u interních letů firmy SpaceX s družicemi Starlink. Začátkem roku 2021 nakonec SpaceX skončilo se zachytáváním aerodynamických krytů do sítě. Vylepšená verze krytů snese kontakt se slanou vodou a tak je výhodnější nechat kryty přistát pomocí padáku do oceánu. Úspěšnost zachytávání do sítě byla navíc velice nízká.

Podle ředitelky SpaceX Gwynne Shotwellové jsou náklady spojené s kontrolou a manipulací se zachráněnými prvními stupni výrazně nižší, než polovina ceny nového stupně. Tyto náklady by se navíc časem měly dále snižovat. První stupně budou s největší pravděpodobností vyřazovány až v době, kdy jejich repasace bude zbytečně nákladná. Samotná doba repasace byla navíc zkrácená. Stupně bývají většinou připraveny k dalšímu startu už jeden měsíc po jejich přistání.

V roce 2020 byly celkové náklady na start znovupoužitelného Falconu 9 28 milionů $.[8]

Dne 13. března 2010 proběhl v rámci testování rakety na startovacím komplexu SLC-40 mysu Canaveral zkušební zážeh všech 9 motorů prvního stupně. Tento 3,5s test proběhl úspěšně. První let byl uskutečněn v pátek 4. června 2010[9] po prověrce a instalaci autodestrukčního systému nosiče. Během prvního letu došlo k selhání jednoho motoru a mise byla částečně neúspěšná, jelikož nedošlo k úspěšnému vypuštění sekundárního nákladu. Po vypuštění nákladního Dragonu měl být proveden dodatečný zážeh druhého stupně a následně by byl vypuštěn satelit společnosti Orbcomm. Šlo o to, že NASA požaduje více než 99% jistotu, že dodatečný zážeh nijak neohrozí ISS, ale kvůli selhání jednoho z motorů prvního stupně měla raketa k dispozici méně paliva, než bylo původně v plánu, a tak při nové kalkulaci vyšlo najevo, že tato jistota už byla “pouze” 95%. NASA tedy dodatečný zážeh druhého stupně zakázala, na což měla jako primární zákazník právo. Satelit tedy nakonec skončil na špatné orbitě a po 4 dnech shořel v atmosféře. Je však důležité poukázat na to, že nebýt opatrnosti NASA, SpaceX mohlo technicky vzato splnit i tuto sekundární misi.[10]

Dne 10. ledna 2015 byl poprvé během běžného startu otestován řízený návrat prvního stupně rakety. Ten byl úspěšně naveden na přistávací plošinu v oceánu, během tvrdého dopadu byl však zničen.[11] Při druhém pokusu o návrat v dubnu 2015 se raketa po dosednutí na přistávací plošinu převrátila[12].

Při devatenáctém letu došlo dvě a půl minuty po startu k explozi a ztrátě rakety. Podle předběžných závěrů vyšetřování (z konce července 2015) havárii způsobila prasklá vzpěra, vinou které došlo k explozi nádrže s tekutým kyslíkem.[13] V září 2015 firma SpaceX oznámila, že k obnově letů dojde „nejdříve za několik měsíců“.[14]

Falcon 9 provádí experimentální přistání na mysu Canaveral.

Dne 22. prosince 2015 byl následně s vylepšenou verzí rakety označovanou jako FT (prodloužený 2. stupeň, použití přechlazeného paliva) úspěšně demonstrován návrat 1. stupně zpět na kosmodrom i s úspěšným přistáním. Jednalo se o historicky první přistání prvního stupně rakety navedené na orbitální let[15]. Následný statický zážehový test, provedený 15. ledna na odpalovací rampě SLC-40, prokázal, že raketa je v dobrém stavu, až na jeden z vnějších motorů Merlin 1D+, který vykazoval tahové fluktuace. Musk to na svém twitterovém účtu následně připsal náhodné ingesci trosek.[16] Stupeň byl následně uskladněn v integračním hangáru na rampě 39A v Kennedyho vesmírném středisku před tím, než byl v červnu téhož roku převezen do Kalifornie k vystavení před centrálou SpaceX v tamějším Hawthorne.

Navazující mise Jason-3 ze dne 17. ledna úspěch letu ORBCOMM-2 s přistáním na zemi nezopakovala, protože satelit mířil na vysoce prográdní orbitální dráhu a tudíž startoval z k tomu lépe uzpůsobené Vandenberg AFB. SpaceX zde v té době neměla infrastrukturu, která by takový manévr mohla podpořit, a také jí stále nebylo uděleno povolení od Federální letecké správy (FAA) pro přelet nad blízkou přírodní rezervací, která schraňuje i několik ohrožených druhů; pokusili se proto o přistání na již třetí autonomní plošině, pojmenované po své vysloužilé předchůdkyni Just Read the Instructions, v Tichém oceáně. Raketa na plošinu dosedla, ale ocelový zámek jedné z přistávacích noh se nedomkl a raketa se tudíž převrátila a explodovala. Podle Muska to bylo způsobeno hustou ranní mlhou na odpalovací rampě, která kondenzovala a následně mrzla na raketě. Velké části trupu nicméně explozi přežily, a byly úspěšně dopraveny do losangeleského přístavu k dalšímu ohledání. Druhý stupeň úspěšně dopravil satelit Jason-3 na žádanou orbitu, v průběhu demonstrujíc svoji schopnost několikrát zažehnout motor, která je považována za kruciální k dopravě těžších zatížení na orbitu.[17]

Gwynne Shotwell, ředitelka SpaceX, na konferenci FAA CST 4. února 2016 zmínila, že přistávací nohy konfigurace FT byly podstatně vylepšeny (Jason-3 byl posledním letem předchozí konfigurace, v1.1).[18]

Falcon 9 při prvním úspěšném pokusu o přistání na autonomní oceánské přistávací plošině.

Následující misí bylo úspěšné vynesení lucemburského satelitu SES-9, mířícího na geostacionární oběžnou dráhu (GEO). Se svojí váhou, přesahující 5 330 kg, je to zatím nejtěžší satelit, který raketa Falcon 9 vynesla na přechodovou dráhu ke GEO. Misi samotné ale předcházelo mnoho neočekávaných změn, počínaje vyžádáním změny v letovém profilu od společnosti SES S.A., aby satelit dosáhl vyššího apogea a zkrátil se tak čas nutný pro dodatečné manévrování satelitu svépomocí (úspora byla následně vyčíslena na 45 dní) a konče čtyřmi neúspěšnými pokusy o start - první byl zrušen půl hodiny předem a to kvůli nepříznivému počasí nad mysem Canaveral, druhý minutu a tři čtvrtě před startem kvůli pomalému tankování tekutého kyslíku, třetí skončil přerušením při zážehu kvůli nízkému tahu způsobenému ohřátím tekutého kyslíku během čekání na vyklizení příbřežní hazardní zóny, a čtvrtý byl odvolán několik hodin před startem kvůli horním větrům. Raketa Falcon 9 se vznesla k oblohám až při pátém pokusu, a to 4. března 2016, okolo 23:35 GMT. Došlo ke vzletu prostému všech anomálií, druhý stupeň se oddělil přibližně dvě minuty čtyřicet osm sekund po startu a pokračoval ke své koncové destinaci na přechodové dráze ke GEO, zatímco první stupeň po balistické křivce zamířil k přistávací plošině Of Course I Still Love You, umístěné 632 kilometrů od floridského pobřeží. Krátce po osmé minutě první stupeň inicioval svůj přistávací zážeh, kvůli excesivní rychlosti výjimečně prováděný o třech motorech místo jednoho, ale i přesto bylo přistání na plošině tvrdé a nezdařilo se. Plošina samotná utrpěla dílčí poškození. SpaceX už předem prohlásilo, že kvůli extrémnímu letovému profilu s úspěšným přistáním nepočítá.

Prvním letem konfigurace FT byl 22. prosince 2015 start mise Orbcomm 2. První stupeň úspěšně přistál na oceánské plošině Of Course I Still Love You (ta samá, která byla použita při vynesení satelitu SES-9).

Falcon 9 je s úspěšností přes 98% nejspolehlivější z aktuálně (2022) provozovaných raket.[19] I přesto došlo ke dvěma katastrofickým selháním, které měly za následek zničení cenného nákladu i rakety samotné.

CRS-7

28. červen 2015 během mise CRS-7 došlo ke katastrofickému selhání druhého stupně a následné ztrátě rakety i nákladu, který mířil na Mezinárodní vesmírnou stanici.

Jednalo se o první velké selhání od dob Falconu 1 a pro SpaceX to byla velká rána. Všechny plánované starty byly pozastaveny a začalo obtížné vyšetřování příčiny nehody. Výsledkem bylo zjištění, že havárii způsobila vadná kovová podpěra, která měla na starost držet na místě nádrž se stlačeným heliem uvnitř kyslíkové nádrže druhého stupně. Podpěra byla výrobcem certifikována na určitou zátěž, avšak v tomto případě selhala při zátěži mnohem nižší. Jednalo se nejspíš o vadný kus. SpaceX v reakci na toto zjištění změnilo dodavatele těchto podpěr.

Společnost nakonec znovu startovala 6 měsíců po nehodě. Zajímavostí je, že loď Dragon selhání rakety přečkala ve zdraví, ale jelikož s takovou nehodou nikdo dopředu nepočítal, software na situaci nebyl připraven a Dragon tedy nemohl rozevřít padáky, aby alespoň zachránil cenný náklad. V reakci na tuto nehodu byl software upraven, aby v budoucnu Dragon padáky mohl v takovéto situaci otevřít.

Amos-6

Po červnové nehodě CRS-7 se SpaceX vrátilo do služby na konci prosince 2015 a v průběhu roku 2016 se firma postupně dostávala do slušného tempa startů. Slibný rozjezd jim však překazila další nehoda.

1. září 2016 SpaceX připravovalo raketu se satelitem Amos-6 k rutinnímu statickému zážehu na rampě. Zrovna probíhalo tankování rakety, když vtom došlo k nečekané explozi v druhém stupni, což mělo za následek nejen ztrátu rakety i drahocenného satelitu, ale také poničení rampy SLC-40. Následné vyšetřování nakonec zjistilo, že nový rychlejší způsob tankování helia a kyslíku, který SpaceX zavedlo několik startů před nehodou, způsobil neočekávané interakce mezi extrémně studenými látkami a nádrží s heliem obalené v kompozitních materiálech, které vedly ke vznícení.

SpaceX se vrátilo do služby 5 měsíců po nehodě a od té doby statické zážehy provádí bez připojeného nákladu.[10]