Falcon 9

Kinh phí

Trong khi SpaceX sử dụng tiền của chính công ty để phát triển loại tên lửa trước đó, Falcon 1, sự phát triển của Falcon 9 được đẩy mạnh bởi nguồn vốn từ một số quỹ phát triển và tiền từ các hợp đồng bay thử nghiệm của NASA. Dự án bắt đầu từ số tiền đặt cọc từ chương trình COTS vào năm 2006. Các chi tiết chính xác của hợp đồng được rút ra từ Hiệp định Vũ trụ của Hoa Kỳ cho phép NASA làm việc và mua bán với bất cứ tổ chức và cá nhân nào có khả năng giúp NASA thực hiện nhiệm vụ không gian của mình là: "để phát triển và thực nghiệm dịch vụ vận chuyển quỹ đạo thương mại" bao gồm việc mua trước ba lần bay thử. Tổng số tiền của hợp đồng trao cho SpaceX là $278 triệu USD được sử dụng để giúp công ty phát triển tàu Dragon, Falcon 9, và đồng thời là kinh phí bay thử cho tàu Dragon trên tên lửa Falcon 9. Năm 2011, một số mục tiêu được đề ra thêm cho dự án, đưa tổng số tiền lên $396 triệu USD.
NASA sau đó trở thành khách thuê quan trọng nhất cho tên lửa năm 2008, khi tổ chức này mua cùng lúc 12 đợt phóng tiếp tế - các đợt phóng chỉ được phép thực hiện sau khi các nhiệm vụ bay thử COTS đầu tiên thành công và được cho là hoàn thành tốt - đến Trạm Không gian Quốc tế. Hợp đồng với giá $1,6 tỷ USD, là cho tối thiểu 12 nhiệm vụ để đưa hàng hóa và hàng tiếp tế đến và từ trạm.

Musk đã nhiều lần nói rằng nếu không có số tiền từ NASA, thời gian phát triển của dự án sẽ lâu hơn rất nhiều. SpaceX tuyên bố về hợp đồng của NASA có nói:
SpaceX được đến ngày hôm nay là do xây dựng trên những thành tựu vĩ đại của NASA, được có NASA là khách hàng quan trọng nhất cho tên lửa, cũng như là nhận được những giúp đỡ về mặt kỹ thuật và học tập trong quá trình phát triển. SpaceX muốn trao lời cảm ơn đặc biệt đến văn phòng chương trình COTS vì sự hỗ trợ liên tục và đã dẫn dắt chúng tôi suốt quãng đường. Chương trình COTS đã cho thấy được sức mạnh của sự hợp tác giữa công và tư, chúng tôi rất nóng lòng muốn thấy thành quả tuyệt vời trong mà đội sẽ làm được tương lai.
Năm 2011, SpaceX dự đoán tổng kinh phí phát triển Falcon 9 v1.0 nằm ở tầm $300 triệu USD. NASA kiểm duyệt rằng nếu sử dụng phương pháp hợp đồng vốn cộng lời truyền thống thì số tiền ấy sẽ nằm ở mức $3,6 tỷ USD cho đến $4 tỷ USD, trong khi việc hỗ trợ chương trình thương mại có thể hạ số tiền phải chi xuống còn $1,7 tỷ USD. Năm 2014, SpaceX cho xuất bản tổng gộp kinh phí phát triển cho cả Falcon 9 và tàu vũ trụ Dragon. NASA hỗ trợ $396 triệu USD trong khi SpaceX tự sử dụng khoảng $450 triệu USD tiền của chính công ty để tiếp tục phát triển hai loại phương tiện.
Năm 2017, phiên điều trần trước Quốc hội Hoa Kỳ của SpaceX cho thấy phương thức khác thường của NASA là chỉ đặt ra các yêu cầu về vận chuyển hàng hóa lên trạm vũ trụ trong khi để ngành công nghiệp tự quyết định chi tiết đã tạo thuận lợi cho SpaceX tự thiết kế và chế tạo tên lửa Falcon 9 với chi phí ít hơn đáng kể. Thông qua những thống kê của NASA được xác nhận độc lập, tổng số tiền bỏ ra cho hai chương trình phát triển tên lửa Falcon 1 và Falcon 9 là xấp xỉ $390 triệu USD.

Phát triển

SpaceX ban đầu dự định sẽ bắt đầu thiết kế một tên lửa với trọng tải tầm trung sau tên lửa hạng nhẹ Falcon 1, tên là Falcon 5. Năm 2005, SpaceX tuyên bố thay đổi mục tiêu và thay vào đó sẽ tiến hành phát triển mẫu mới là Falcon 9, "một phương tiện phóng có khả năng tái sử dụng hoàn toàn với khả năng mang trọng tải lớn", và trước hết đã ký hợp đồng với một khách hàng thuộc chính phủ. Falcon 9 được miêu tả có khả năng phóng trọng lượng 9.500 kg (21.000 lbs) đến quỹ đạo tầm thấp Trái Đất, và ước tính sẽ tiêu $27 triệu USD mỗi lần phóng với nón mũi cao 3,7 m (12 ft), và $35 triệu USD với nón mũi 5,2 m (17 ft). SpaceX đồng thời cho biết một phiên bản nặng hơn của Falcon 9 với trọng tải tối đa khoảng 25.000 kg (55.000 lbs). Falcon 9 được thiết kế với tầm bay đến LEO, GTO cũng như là cả hàng hóa và phi hành gia đến ISS.

Thử nghiệm

Hợp đồng COTS ban đầu của NASA yêu cầu chuyến bay thử đầu tiên của Falcon phải diễn ra vào tháng 9 năm 2008, và hoàn thành tốt cả ba nhiệm vụ thử nghiệp vào tháng 9 năm 2009. Vào tháng 2 năm 2008, kế hoạch cho lần phóng thử nghiệm COTS đầu tiên của Falcon 9/Dragon bị chậm sáu tháng cho đến Quý I, 2009. Theo Elon Musk, sự phức tạp của công việc phát triển và các thủ tục hành chính cho lần phóng ở Mũi Canaveral là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự chậm trễ này.
Thử nghiệm đa động cơ (với hai động cơ chính kết nối đến tầng 1 hoạt động cùng lúc) diễn ra thành công vào tháng 1 năm 2008, dẫn đến hàng loạt những cuộc thử nghiệm sau cho đến lúc tên lửa Falcon 9 hoàn thành xuất sắc thử nghiệm toàn bộ (9) động cơ hoạt động xuyên suốt thời gian nhiệm vụ (178 giây) ở tầng 1 vào ngày 22 tháng 11 năm 2008. Tháng 10, 2008, tầng 1 hoàn chỉnh đầu tiên hoàn tất thử nghiệm toàn động cơ tại giá thử nghiệm động cơ của SpaceX tại McGregor, Texas. Tháng 11, 2008, SpaceX tiến hành thử nghiệm động cơ đầu tiên của tầng 2, kéo dài 40 giây, diễn ra hoàn hảo. Ngày 2 tháng 1 năm 2010, tầng 2 bắt đầu thực nghiệm giai đoạn tạo quỹ đạo, đốt động cơ toàn thời gian nhiệm vụ (329 giây) tại khu thử nghiệm McGregor. Khối tên lửa được lắp ráp và đưa đến bãi phóng để bắt đầu tích hợp vào đầu tháng 2 năm 2010, SpaceX ban đầu ra kế hoạch phóng vào ngày 22 tháng 3 năm 2010, thế nhưng họ dự đoán thời gian tích hợp và thử nghiệm có thể kéo dài từ một đến ba tháng.
Ngày 25 tháng 2 năm 2010, tên lửa đầu tiên của SpaceX được dựng lên trên Khu Phóng 40, Mũi Canaveral, ngày 9 tháng 3, SpaceX tiến hành đốt động cơ trên bãi - thử nghiệm mà động cơ sẽ được đốt mà không bay. Thực nghiệm phải dừng lại lúc T-2 (2 giây trước khi thử) vì lỗi trong hệ thống thiết kế để bơm Helium áp suất cao từ bãi phóng vào các bơm turbine của tầng 1 để quay máy bơm chuẩn bị cho lúc phóng. Các báo cáo sau này cho thấy lỗi xảy ra khi một van điều khiển không nhận được lệnh để mở. Vấn đề nằm ở chính bãi phóng mà không phải tên lửa và đã không xảy ra ở khu thử nghiệm tại McGregor, do tại đó có thiết kế van dẫn hoàn toàn khác. Người ta còn thấy có lửa và khói ở gốc tên lửa, dẫn đến một số nghi hoặc cho rằng động cơ bị cháy. Tuy nhiên, lửa và khói là kết quả bình thường của việc đốt cháy phần dư còn lại của Oxi lỏng và hỗn hợp nhiên liệu có trong hệ thống trước lúc bay, và không hề có thiệt hại nào cho tên lửa và cả bãi phóng. Tất cả các hệ thống của tên lửa cho đến lúc xảy ra lỗi đều vận hành tốt. Thử nghiệm sau đó vào ngày 13 tháng 3 thành công, đốt tất cả chín động cơ tầng 1 trong vòng 3.5 giây.
Chuyến bay đầu tiên bị hoãn từ tháng 3 năm 2010 đến tháng 6 do Không Quân kiểm duyệt hệ thống hoãn bay của Falcon 9. Lần bay đầu tiên ban đầu bắt đầu vào lúc 1:30 chiều giờ EDT, thứ 6, ngày 4 tháng 6 năm 2010 (1730 UTC). Chuyến bay sớm bị hủy giây lát sau khi đốt động cơ và tên lửa hoãn bay thành công. Nhân viên mặt đất phục hồi lại tên lửa và cuối cùng, lúc 2:45 chiều giờ EDT (1845 UTC) cùng ngày: Falcon 9 cất cánh lần đầu tiên. Chuyến bay thứ hai của Falcon 9, nhiệm vụ bay thử COTS đầu tiên, cất cánh ngày 8 tháng 12 năm 2010.

Chế tạo

Tháng 12, 2010, dây chuyền sản xuất của SpaceX chế tạo được một tên lửa Falcon 9 (và một tàu Dragon) mỗi 3 tháng, với kế hoạch sẽ tăng gấp đôi năng suất mỗi 6 tuần. Đến tháng 9 năm 2013, tổng diện tích khu chế tạo của SpaceX đã gần 1.000.000 feet vuông (93.000 m²), nhà máy cũng được nâng cấp để đạt được năng suất tối đa là 40 lõi tên lửa mỗi năm. Tháng 12 năm 2013 nhà máy đã có khả năng chế tạo được một tên lửa Falcon 9 mỗi tháng. Công ty còn lên kế hoạch tăng lên 18 tên lửa mỗi năm vào giữa 2014 và 24 tên lửa mỗi năm vào cuối 2014, và 40 lõi tên lửa mỗi năm vào cuối 2015.
Đến tháng 2 năm 2016, tốc độ sản xuất nêu trên vẫn chưa đạt được như đã dự tính; công ty tính rằng sản lượng lõi Falcon 9 chỉ vừa đạt đến 18 mỗi năm, và số lượng lõi tầng 1 mà họ có thể lắp ráp được gấp đôi từ ba đến sáu. Sản lượng được dự đoán sẽ tăng đến 30 lõi mỗi năm vào cuối 2016, nhưng đến tháng 8 năm 2016, SpaceX lại hướng đến mục tiêu 40 lõi mỗi năm - tiêu chuẩn đặt ra cho nhà máy vào năm 2013.

Thiết kế

Falcon 9 là tên lửa quỹ đạo hai tầng sử dụng nhiên liệu LOX/RP-1, với khả năng tải đạt đến hạng nặng nhưng tên lửa chưa từng chở kiện hàng có khối lượng đạt đến mức đó. Cả hai tầng đều được trang bi động cơ Merlin-1D, chín động cơ tối ưu cho độ cao gần mực nước biển ở tầng một và một động cơ tối ưu cho môi trường chân không ở tầng hai. Các động cơ sử dụng hỗn hợp chất tự bắt lửa triethylaluminum-triethylborane (TEA-TEB) làm mồi. Động cơ tầng một được bố trí với cấu trúc Octaweb, xung quanh nó là bốn chân gập hạ cánh. Trong quá trình hạ cánh lõi tên lửa, SpaceX điều khiển đường bay bằng các cánh điều hướng chỉ bắt đầu hoạt động sau khi tách tầng. Khi tiếp cận điểm hạ cánh, bốn chân chống hạ xuống và lõi tên lửa từ từ tiếp đất.
Thùng nhiên liệu được làm bằng hợp kim Al-Li và được chế tạo nhờ công nghệ hàn ma sát xoay để đảm bảo độ bền tối đa. Thùng nhiên liệu tầng hai là phiên bản thu ngắn của tầng một với vật liệu, dụng cụ và kỹ thuật chế tạo hầu như giống nhau để tiết kiệm chi phí. Phần liên tầng một và hai được làm từ sợi cac-bon bọc nhôm, chứa các đai kẹp có thể tái sử dụng và hệ thống đẩy bằng hơi phục vụ cho quá trình tách tầng. Thiết kế ban đầu có 12 điểm gắn giữa hai tầng, đến phiên bản v1.1 thì giảm xuống chỉ còn ba.
Falcon 9 được trang bị nón mũi để bảo vệ kiện hàng là vệ tinh, trừ tàu Dragon. Nón mũi cao 13,1 m, đường kính 5,2 m và được cấu tạo từ lớp nhôm tổ ong phủ sợi cac-bon. SpaceX thiết kế và chế tạo chúng tại trụ sở ở Hawthorne, bang California; thử nghiệm về tiếng ồn đột ngột, rung động cơ học và mô phỏng điều kiện phóng tĩnh điện điện từ được tiến hành với một nguyên mẫu hoàn chỉnh trong buồng chân không tại Trung tâm Plum Brook của NASA, vào mùa xuân năm 2013.
Với thiết kế chịu lỗi, SpaceX trang bị nhiều hệ thống bay dự phòng cho tên lửa. Mỗi động cơ Merlin được điều khiển bởi ba máy tính theo nguyên tắc phiếu đa số (sử dụng kết quả trả về bởi nhiều máy tính nhất), mỗi máy tính có hai vi xử lý liên tục đối chiếu kết quả của nhau. Phần mềm chạy trên hệ điều hành Linux và được viết bằng C++. Để tăng tính linh hoạt, các linh kiện thương mại có sẵn và thiết kế chịu bức xạ được sử dụng thay vì các linh kiện chịu bức xạ. Mỗi một tầng của Falcon 9 đều có hệ thống điều khiển bay riêng với thiết kế chịu lỗi và dự phòng như các động cơ.

Lịch sử phóng

Các phiên bản và biến thể của dòng Falcon 9 tổng cộng đã phóng 71 lần trong hơn 8 năm qua, bao gồm 69 nhiệm vụ thành công hoàn toàn (tỷ lệ 97,2%), 1 thất bại một phần (CRS-1 hoàn thành nhiệm vụ chính là tiếp tế cho ISS, nhiệm vụ phụ tên lửa đưa vệ tinh Orbcomm lên quỹ đạo thấp hơn dự kiến do vậy không thể sử dụng được ), 1 thất bại (tên lửa chở tàu CRS-7 nổ tung khi đang bay, tàu bị phá hủy khi rơi xuống biển). Ngoài ra 1 tên lửa chở vệ tinh Amos-6 của Israel nổ ngay trên bệ phóng khi đang thử động cơ do rò rỉ nhiên liệu trên động cơ chân không ở tầng thứ hai của tên lửa.
Phiên bản v1.0 được phóng 5 lần từ tháng 6 năm 2010 đến tháng 3 năm 2013, v1.1 15 lần từ tháng 9 năm 2013 đến tháng 1 năm 2016 và phiên bản mới nhất Full Thrust 50 lần từ tháng 12 năm 2015 đến nay, 18 lần tái sử dụng lõi tầng 1. Lần phóng tên lửa Falcon Heavy đầu tháng 2 năm 2018 tái sử dụng 2 lõi làm tầng tách ở 2 bên. Phiên bản nâng cấp Block 4 của Full Thrust bay lần đầu vào ngày 14 tháng 4 năm 2016, lần bay cuối cùng vào ngày 29 tháng 6 năm 2018. Phiên bản mới nhất và cuối cùng, Block 5, bay lần đầu ngày 11 tháng 5 năm 2018. Khác với lõi Block 4 chỉ dùng được 2 lần, lõi của Block 5 sẽ được tái sử dụng đến 10 lần.
Tổng cộng dòng tên lửa Falcon 9 (bao gồm Falcon Heavy) đã hạ cánh thành công 39 trên 46 lần (tỉ lệ 85%).

Falcon 9 v1.0

Là phiên bản đầu tiên, v1.0 được phát triển từ 2005-2010. Nó được phóng lần đầu vào ngày 6 tháng 4 năm 2010 và trong khoảng 2010-2013 thực hiện 5 chuyến bay thành công khác trước khi cho ngừng sử dụng.
Tầng 1 bao gồm 9 động cơ Merlin 1C bố trí theo khối vuông 3x3. Mỗi 1 động cơ có sức đẩy 556 kN tại mực nước biển, tổng sức đẩy khi tên lửa rời bệ phóng là 5.000 kN. Tầng 2 gồm động cơ Merlin 1C thiết kế cho môi trường chân không với hệ số dãn nở là 117:1 và thời gian đốt (lí thuyết) là 345 giây. Hệ thống dùng van khí Ni-tơ để điều khiển đường bay.
SpaceX ban đầu hi vọng có thể tái sử dụng cả hai tầng tên lửa, nhưng việc bọc thêm lớp vỏ cách nhiệt và dùng dù cho việc hạ cánh không hiệu quả, do vậy họ phải từ bỏ phương án này. Thay vào đó, vào năm 2011, SpaceX bắt đầu tập trung nghiên cứu và thiết kế một mẫu Falcon 9 mới có thể tái sử dụng, chú trọng vào phần tầng 1.

Falcon 9 v1.1

Còn có tên khác là Block 2, phiên bản này nặng hơn 60% và có sức đẩy mạnh hơn 60% so với v1.0. Thùng nhiên liệu của tầng 1 cũng dài hơn 60%, do vậy tên lửa dễ bị biến dạng hơn khi đang bay. Phiên bản v1.1 hoàn tất quá trình thử nghiệm vào tháng 7 năm 2013 và được phóng lần đầu tiên vào tháng 9 cùng năm.
Tầng 1 bao gồm 9 động cơ Merlin 1D, 8 động cơ làm thành hình bát giác đều bao quanh 1 động cơ ở trung tâm; gắn vào bộ khung kim loại mà SpaceX gọi là Octaweb, mục đích nhằm tinh giản quá trình sản xuất. Tổng lực đầy khi cất cánh là 5.885 kN, tăng lên đến 6.672 kN khi ra khỏi bầu khí quyển. Tên lửa nhờ đó có thể chở tới 13.150 kg hàng hóa. Số điểm liên kết giữa 2 tầng tên lửa giảm từ 12 xuống còn 3. Hệ thống phần cứng và phần mềm điều khiển cũng được cải thiện và nâng cấp. Kể từ lần phóng đầu tiên, phần ống dẫn chất mồi lửa của động cơ tầng 2 được cách nhiệt để hỗ trợ cho việc tái khởi động trong chân không sau quá trình "trượt" lên quỹ đạo.
Chủ tịch SpaceX Gwynne Shotwell tiết lộ phiên bản v1.1 thật ra có sức chở thực hơn 30% so với biểu giá, phần nhiên liệu còn lại được dành cho quá trình hạ cánh. Các lần phóng về sau, 4 càng hạ cánh bằng sợi carbon với chân chống bằng nhôm chỉ có thể mở ra được lắp đặt vào tầng 1 để thử nghiệm hạ cánh trên biển.

Block 4

Phiên bản được đưa vào sử dụng năm 2017, là phiên bản quá độ giữa Block 3 và Block 5, với lực đẩy được tăng thêm. 3 nhiệm vụ đầu là NROL-76, Inmarsat-5 F4 vào tháng 5 và Intelsat 35e vào tháng 7 năm 2017 chỉ có tầng 2 được nâng cấp lên phiên bản Block 4. Tên lửa hoàn toàn Block 4 đầu tiên được phóng vào ngày 14 tháng 8 năm 2017, thực hiện nhiệm vụ CRS-12.

Nơi phóng

Tính đến tháng 7 năm 2018, Falcon 9 được phóng từ 3 khu vực: Bệ phóng LC-39A tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy, SLC-4E tại Căn cứ không quân Vandenberg và SLC-40 tại Trạm không quân Mũi Canaveral. Ngoài ra SpaceX đang xây dựng một khu phóng thương mại tại phía nam bang Texas mà sẽ bắt đầu đi vào hoạt động vào năm 2019.

Sà lan không người lái

SpaceX có hai sà làn hạ cánh tầng 1 của Falcon 9 trên biển gồm Of Course I Still Love You trên biển Đại Tây Dương và Just Read The Instruction trên biển Thái Bình Dương

Bãi hạ cánh trên đất liền

Trên đất liền, tại Trạm Không quân Mũi Canaveral, SpaceX đang có 2 bãi hạ cánh trên đất liền bao gồm Landing Zone 1(LZ1) và Landing Zone 2(LZ2) và Landing Zone 4(LZ4) tại Căn cứ không quân Vandeberg.
Hạ cánh phần bảo vệ khối hàng (Payload Fairing)
SpaceX đang thử nghiệm bắt chóp hình nón bảo vệ(fairing) bằng tàu mang tên GO Ms. Tree (trước đây là Mr. Steven)