SpaceX:n uudelleenkäytettävän raketin kehitysohjelma

SpaceX:n uudelleenkäytettävän laukaisujärjestelmän kehitysohjelma on yhdysvaltalaisen SpaceX:n yksityisesti rahoitettu ohjelma, jonka tarkoituksena on kehittää kiertoratalaukaisuihin pystyvä laukaisujärjestelmä, jonka osia voidaan käyttää uudelleen useita kertoja. Ohjelman pitkän aikavälin tavoitteena on kehittää kantoraketti, jonka ainakin ensimmäinen vaihe voidaan käyttää lukuisia kertoja uudelleen verrattain pienellä ehostamisella ja lyhyellä laukaisuvälillä. Ensimmäisen vaiheen osuus uuden raketin laukaisun kustannuksista on 70 prosentin luokkaa.

Ensivaiheessa SpaceX on keskittynyt kehittämään ensimmäisen vaiheen uudelleenkäytettävyyden Falcon-rakettiperheeseen kuuluvalle keskiraskaalle Falcon 9 -raketille. Maaliskuussa 2017 SpaceX laukaisi onnistuneesti Falcon 9 -raketin käytetyllä ensimmäisellä vaiheella, mikä on lajissaan ensimmäinen kerta kautta aikojen. Vuonna 2018 ensilennonsa tehnyt raskas Falcon Heavy pohjautuu suurelti Falcon 9:ään. Myös sen ensimmäisen vaiheen on tarkoitus olla uudelleenkäytettävä, mikä on hyvin pitkälti kolme Falcon 9:n ensimmäistä vaihetta rinnakkain.  Falcon Heavyä edelleen suurempi ja muutenkin erilainen kehitteillä oleva BFR olisi kokonaan uudelleenkäytettävä. Alkuvuodesta 2019 BFR:n ensimmäiset koekappaleet ovat rakenteilla ja tuotekehityspanokset on suunnattu suurelti siihen. 

Maaliskuussa 2017 yksittäislaukaistavan Falcon 9 laukaisun hinta on noin 64 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria, mistä ajoainekustannus on noin 200 000–300 000 eli noin 0,4 prosenttia. Uudelleenkäytettävyydellä pyritään tiputtamaan laukaisun kustannusta murto-osaan. Lopullisena tavoitteena on kantoraketti, jota käytetään kuin lentokoneen tavoin eli lentojen välissä suoritetaan lähinnä vain tankkaus ja rahdin lastaus.

Ensimmäinen vaihe

Alkuvaiheen kehitys 
SpaceX:n kantoraketit on kehitetty alusta alken uudelleenkäytettävyys mielessä pitäen. Alkuvaiheessa laskeutumista kehitettiin erityisillä koekappaleilla. Ensimmäinen osa, Grasshopper-raketti julkistettiin 2011, ja rakettivaiheen laskeutumista käsittelevä suunnitelma valmistui seuraavan vuoden helmikuussa. SpaceX:n koelento-ohjelma käynnistyi vuoden 2012 lopulla matalan lentokorkeuden ja nopeuden laskeutumiskokeilla. Käytännössä laite koostuu ensimmäistä rakettivaihetta muistuttuvasta rakennelmasta, jonka lento koostuu laukaisusta, lyhyestä noususta, leijuntavaiheesta ja laskeutumisesta takaisin. Nämä testit suoritettiin SpaceX:n kehityskeskuksessa McGregorissa Texasissa.

Vuoden 2013 syyskuun CASSIOPE-laukaisusta alkaen SpaceX on yrittänyt joillakin lennoilla saada Falcon 9 v1.1:n ensimmäisen vaiheen laskeutumaan aluksi meren pintaan sitten lautalle.

Ensimmäisen vaiheen talteenotto 

Ensimmäisen vaiheen talteenottoa kokeillaan varsinaisilla hyötykuormaa laukaisevilla lennoilla, sikäli kuin se on mahdollista lennon sisällön puolesta. Alkuvaiheessa arvioitu onnistumistodennäköisyys on alle 50 prosenttia. Aluksi raketti pyrittiin saamaan laskeutumaan meren pintaan. Tämän onnistuttua ja sään salliessa laskeutumista yritetään Autonomous spaceport drone ship -alukselle (ASDS). Suurempien nopeuksien ja korkeuksien kokeet alkoivat syyskuussa 2013 CASSIOPE-satelliitin laukaisun yhteydessä, jolloin Falcon 9 -raketin ensimmäinen vaihe yritti pehmeää laskeutumista mereen. Yritys epäonnistui. Ensimmäinen onnistunut laskeutuminen tapahtui toisella yrityksellä huhtikuussa 2014 lennolla SpaceX CRS-3, kun Falcon 9 -raketin ensimmäinen vaihe laskeutui hallitusti mereen.

Ensimmäinen yritys laskeutua merellä olevalle lautalle tammikuussa 2015 lennolla SpaceX CRS-5 epäonnistui raketin törmätessä proomuun ohjaussiivekkeiden hydraulinesteen loputtua. Toisella yrityksellä lennolla SpaceX CRS-6 vaihe kaatui liiallisen sivuttaisnopeuden vuoksi ja tuhoutui. Syyksi arvioitiin jumiutunut venttiili, minkä vuoksi ohjausjärjestelmä ei toiminut riittävän nopeasti.

Ensimmäisen kerran laskeutumisessa ja haltuunotossa onnistuttiin maaliskuussa 2016 laukaisulla Falcon 9:n 24. laukaisulla. Tämä laskeutui maa-alustalle laukaisupaikan läheisyyten. Seuraava onnistunut talteenotto tapahtui jo merellä olevalle lautalle, laukaisulla SpaceX CRS-8. Vajaa vuotta myöhemmin SpaceX laukaisi onnistuneesti CRS-8 laukaisussa käytetyn ensimmäisen vaiheen laukaisussa SES-10.

Ensimmäinen uudelleenlaukaisu 
Toukokuussa 2016 tavoitteena oli laukaista talteenotettu vaihe ensimmäistä kertaa uudelleen kuluvan vuoden aikana. Tähän mennessä talteen oli saatu kaksi vaihetta LEO-laukaisuista ja yksi GEO-laukaisusta. Korkeamman ja suuremman nopeuden GEO-laukaisun vaihe on liian vaurioitunut kannattavasti uudelleenlaukaistavaksi.

Heinäkuussa 2016 SpaceX suoritti ensi kertaa täysimittaisen kaksi ja puoli minuuttia kestäneen koepolton käytetyllä ensimmäisellä vaiheella. Rakettivaihe oli laukaissut saman vuoden toukokuussa JCSAT-14-satelliitin geostationaariselle kiertoradalle ja laskeutunut onnistuneesti Atlantilla odottaneelle ASDS-alukselle. 

Elokuussa 2016 ilmoitettiin, että ensimmäinen uudelleenkäyttö laukaisee SES:n viestintäsatelliitin. Laukaisu SES-10 suoritettiin onnistuneesti 30. maaliskuuta 2017 käyttäen ensimmäistä rakettivaihetta vajaa vuotta aikaisemmalta laukaisulta SpaceX CRS-8. Samalla onnistui myös ensiyrittämällä uudelleenkäytetyn vaiheen uudelleentalteenotto.

Jatkokehitys 
Maaliskuussa 2017 heti ensimmäisen uudelleenkäytön jälkeen Elon Musk ilmoitti seuraavaksi tavoitteeksi uudelleenlaukaisun 24 tunnin sisällä.

Nokkakartio 
Maaliskuussa 2017 lennolla SES-10 Spacex sai myös nokkakartion puolikkaat laskeutumaan hallitusti. Lennolla nokkakartio irtosi noin T+3:30 kahtena puolikkaana. Omien rakettimoottoreidensa suuntaamana ja laskuvarjon avulla hidastamalla puolikkaat laskeutuivat hallitusti ja ehjänä mereen. Hiilikuidusta ja alumiinikennosta tehty nokkakartio maksaa pari miljoonaa dollaria.

Lähteet

SpaceX