Falcon 9

Falcon 9 je dvojstupňová nosná raketa americkej firmy SpaceX. Stala sa známou ako prvá nosná raketa, ktorej raketový stupeň je schopný za pomoci vlastných motorov mäkko pristáť na Zemi a dá sa opäť použiť. Svojím ťahom a nosnosťou sa Falcon 9 vyrovná raketám Angara, Proton, H-2A, H-2B, Delta IV, Atlas V a Dlhý Pochod 5. Je navrhnutá ako nosič lode Dragon. Spaľuje RP-1 a kvapalný kyslík. Priemer aerodynamického krytu je 3,6 – 5,2 metrov.

Na nízku obežnú dráhu (LEO) do výšky približne 600 km vynesie od 22,8 ton (F9 FT). Na geostacionárnu dráhu (GTO) vo výške  vynesie od 8,3 tony (F9 FT). Falcon 9 štartuje z komplexu 40 na Cape Canaveral, kalifornskej základne Vandenberg Space Force Base rampy SLC-4E a po úpravách aj z rampy LC-39A v Kennedyho vesmírom stredisku (štartovali z nej aj americké raketoplány a mesačné rakety Saturn V), odkiaľ sa štartuje aj s pilotovanou loďou Dragon 2.

Z celkových 177 štartov k 29. septembru 2022 bolo 175 úspešných, 1 čiastočne úspešný (CRS-1) a 1 neúspešný (CRS-7), čo Falcon 9 radí medzi historicky najspoľahlivejšie nosné rakety.

Dizajn

Prvý stupeň 

Prvý stupeň má 9 motorov Merlin (v1.0 Merlin 1C, v1.1 a Full Thrust (v1.2) Merlin 1D) spaľujúcich LOX/RP-1 (toto palivo používa celá raketa). Vo verzii v1.0 bolo 9 motorov umiestnených v takzvanom tic-tac-toe (slov. piškvorky), kde boli v mriežke 3 x 3, pri verziách v1.1 a Full Thrust sú umiestnené v štruktúre octaweb, kde je jeden motor v strede (má najširšiu možnosť vektorovania ťahu) a ostatné sú po jeho obvode. Prvý stupeň je navrhnutý tak, aby bol celý znovu použiteľný. Pri štarte je 9 motorov zapálených pyroforickou zmesou TEA-TAB (triethylhliník-triethylboritan) z nádrží umiestnených na štartovacej rampe, ale 3 motory (vrátane prostredného) disponujú vlastnými nádržkami na túto zmes kvôli pristávacím manévrom v neskoršej fáze letu.

Motory prvého stupňa horia pri lete na nízku obežnú dráhu Zeme (LEO) približne 140 sekúnd, na prechodovú dráhu na geostacionárnu dráhu (GTO) až 156 sekúnd. Pri letoch na GTO sa vynecháva jeden z troch zapálení motorov, tzv. boostback burn, ktorý slúži na navedenie nad pevninu.

Nad motorovou sekciou prvého stupňa sa nachádza štvorica pristávacích nôh. Tie sú vyrobené z kompozitu uhlíkového vlákna a hliníku. Pri vzlete sú zložené pozdĺž trupu prvého stupňa a tesne pred dosadnutím prvého stupňa (buď na pevninu alebo morskú plošinu) ich vysunú piesty na stlačené hélium. Celkové rozpätie nôh je až 18 metrov.

Tesne pod štruktúrou nazývanou „medzistupeň“ sa nachádza štvorica roštových kormidiel a trysiek na stlačený dusík, ktoré ovládajú a stabilizujú prvý stupeň pri zostupe. Priamo na nej sa taktiež nachádza pneumatický systém oddelenia prvého a druhého stupňa, ktorý je unikátny. Ostatné rakety väčšinou používajú totižto pyrotechnický systém. Medzistupeň sa vracia s prvým stupňom späť na Zem.

Druhý stupeň 

Motor druhého stupňa (Merlin 1D Vac) sa zapaľuje cca 5 – 6 sekúnd po oddelení prvého stupňa. Má podstatne väčšiu dýzu kvôli väčšej expanzii spalín. Jeho ťah sa dá regulovať v rozmedzí 36% až 100% nominálneho ťahu, ale pri motoroch prvého stupňa to je 70 % až 100 %.

Náklad 
Nad druhým stupňom sa môže nachádzať buď  široký a  dlhý aerodynamický kryt, ktorý chráni náklad pred pôsobením aerodynamického namáhania pri vzlete, alebo lode Dragon a Dragon 2. Pri lete so satelitom SES-10 30. marca 2017 sa jednu polovicu krytu podarilo zachrániť pomocou manévrovacích trysiek a ovládateľného padáku. Pristátie do morskej vody však spôsobuje poškodenie krytu v celkovej hodnote 6 mil. dolárov (tvoriac približne 10% celkovej ceny štartu), preto sa do budúcna uvažuje o pristávaní na nafukovacom vankúši na hladine.

Prehľad verzií

Falcon 9 v1.0 
Prvá verzia nosiča, usporiadanie motorov do mriežky 3×3 tic-tac-toe, Motory Merlin 1C. Plánovaný Block 2 zrušený na úkor v1.1.

Falcon 9 v1.1 
Nové motory Merlin 1D v novej konfigurácii octaweb (1 centrálny 8 po jeho obvode), väčšie nádrže, integrovaná možnosť záchrany prvého stupňa v znovupoužiteľnej verzii (pristávacie nohy, roštové kormidlá). Neoficiálne mali rakety Falcon 9 v1.1 aj podverzie Block 1 a 2, ale nie je známe, čím sa odlišovali.

Falcon 9 Full Thrust (v1.2) 
 Block 13 (neznámy presný prechod medzi nimi)
Zvýšený ťah motorov Merlin 1D, väčšie nádrže horného stupňa, podchladené palivo.

Falcon 9 Block 4 
Zvýšený ťah motorov Merlin 1D o 8% softwarovo, väčšia výdrž horného stupňa reštartovateľný na obežnej dráhe v priebehu niekoľkých hodín.

Falcon 9 Block 5 
Posledná verzia: využitie plného potenciálu motoru Merlin 1D, plne optimalizovaný pre znovupoužitie, zabránenie tvorbe trhlín na lopatkách turbín motorov Merlin 1D, vylepšené pristávacie nohy, možné využitie nôh ako aerodynamickej brzdy ešte pred vstupom stupňa do hustejších vrstiev atmosféry, nové titánové roštové kormidlá (najväčšie titánové výkovky na svete), zvýšená tepelná ochrana štruktúry OCTAWEB, dokopy asi 100 úprav hlavne na požiadavku NASA pred prvým letom lode Crew Dragon. Prvý štart sa uskutočnil 11. mája 2018, kedy Falcon 9 Block 5 vyniesol prvú bangladéšsku geostacionárnu telekomunikačnú družicu Bangabandhu-1.

Prehľad letov 

Dňa 13. marca 2010 sa uskutočnil v rámci testovania rakety na štartovacom komplexe 40 v Cape Canaveral skúšobný zážih všetkých 9 motorov prvého stupňa. Tento 3,5-sekundový test bol úspešný. Prvý let bol uskutočnený v piatok 4. júna 2010 po kontrole a inštalácii autodeštrukčného systému nosiča.

Dňa 10. januára 2015 bol prvýkrát počas bežného štartu otestovaný riadený návrat prvého stupňa rakety. Ten bol úspešne navedený na pristávaciu plošinu v oceáne, následkom tvrdého dopadu bol však zničený. Pri druhom pokuse o návrat v apríli 2015 sa raketa po dosadnutí na pristávaciu plošinu prevrátila.

Pri devätnástom lete došlo dve a pol minúty po štarte k explózii a strate rakety. Podľa predbežných záverov vyšetrovania (z konca júla 2015) haváriu spôsobila prasknutá vzpera, vinou ktorej došlo k explózii nádrže s tekutým kyslíkom. V septembri 2015 firma SpaceX oznámila, že k obnove letov dôjde „najskôr o niekoľko mesiacov“.

Dňa 22. decembra 2015 bol následne s vylepšenou verziou rakety označovanou ako v1.1 FT (predĺžený 2. stupeň, použitie prechladeného paliva) úspešne demonštrovaný návrat 1. stupňa späť na kozmodróm aj s úspešným pristátím. Išlo o historicky prvé pristátie prvého stupňa rakety navedenej na orbitálny let. Následný statický zážihový test, vykonaný 15. januára na štartovacej rampe CC40, preukázal, že raketa je v dobrom stave, až na jeden z vonkajších motorov Merlin 1D+, ktorý vykazoval ťahové fluktuácie. Musk to na svojom twitterovom účte následne pripísal náhodnej ingescii trosiek. Stupeň bol následne uskladnený v integračnom hangári na rampe 39A v Kennedyho vesmírnom stredisku pred tým, než bol v júni toho istého roku prevezený do Kalifornie k vystaveniu pred centrálou SpaceX v tamojšom Hawthorne.

Následná misia Jason-3 zo 17. januára úspech letu ORBCOMM-2 s pristátím na zemi nezopakovala, pretože satelit mieril na vysoko prográdnu orbitálnu dráhu a teda štartoval z k tomu lepšie prispôsobenej Vandenbergovej leteckej základne. SpaceX tu v tom čase nemala infraštruktúru, ktorá by takýto manéver mohla podporiť, a tiež jej stále nebolo udelené povolenie od Federálnej leteckej správy (FAA) pre prelet nad blízkou prírodnou rezerváciu, ktorá ochraňuje aj niekoľko ohrozených druhov; pokúsili sa preto o pristátie na už tretej autonómnej plošine, pomenované po svojej vyslúžilej predchodkyni Just Read the Instructions, v Tichom oceáne. Raketa na plošinu dosadla, ale oceľový zámok jednej z pristávacích nôh sa neodomkol a raketa sa teda prevrátila a explodovala. Podľa Muska to bolo spôsobené hustou rannou hmlou na štartovacej rampe, ktorá kondenzovala a následne mrzla na rakete. Veľké časti trupu však explóziu prežili, a boli úspešne dopravené do losangeleského prístavu na ďalšiu ohliadku. Druhý stupeň úspešne dopravil satelit Jason-3 na žiadanú orbitu. V priebehu letu demonštroval svoju schopnosť niekoľkokrát zažať motor, ktorá je považovaná za rozhodujúcu pre dopravu ťažších nákladov na orbitu.

Gwynne Shotwell, riaditeľka SpaceX, na konferencii FAA CST dňa 4. februára 2016 zmienila, že pristávacie nohy konfigurácie v1.1 FT boli podstatne vylepšené (Jason-3 bol posledným letom predchádzajúcej konfigurácie, v1.1).

Nasledujúcou misiou bolo úspešné vynesenie luxemburského satelitu SES-9, mieriaceho na geostacionárnu obežnú dráhu (GEO). So svojou hmotnosťou, presahujúcou , to je jeden z najťažších satelitov, ktorý raketa Falcon 9 vyniesla na prechodovú dráhu ku GEO. Misii samotnej ale predchádzalo mnoho neočakávaných zmien, počnúc vyžiadaním zmeny v letovom profile od spoločnosti SES S.A., aby satelit dosiahol vyššieho apogea a skrátil sa tak čas nutný pre dodatočné manévrovanie satelitu svojpomocne (úspora bola následne vyčíslená na 45 dní) a končiac štyrmi neúspešnými pokusmi o štart – prvý bol zrušený pol hodiny vopred a to kvôli nepriaznivému počasiu nad Cape Canaveral, druhý minútu a tri štvrte pred štartom kvôli pomalému tankovaniu tekutého kyslíka, tretí skončil prerušením pri zážihu kvôli nízkemu ťahu spôsobenému ohriatím tekutého kyslíka počas čakania na vypratanie príbrežnej hazardnej zóny, a štvrtý bol odvolaný niekoľko hodín pred štartom kvôli horným vetrom. Raketa Falcon 9 sa vzniesla k oblohe až pri piatom pokuse, a to 4. marca 2016, okolo 23:35 UTC. Došlo ku vzletu prostému všetkých anomálií, druhý stupeň sa oddelil približne dve minúty štyridsať osem sekúnd po štarte a pokračoval ku k svojej koncovej destinácii na prechodovej dráhe ku GEO, zatiaľ čo prvý stupeň po balistickej krivke zamieril k pristávacej plošine Of Course I Still Love You, umiestnenej 632 kilometrov od floridského pobrežia. Krátko po ôsmej minúte prvý stupeň inicioval svoj pristávací zážih, kvôli excesívnej rýchlosti výnimočne uskutočňovaný s troma motormi namiesto jedného. Napriek tomu bolo pristátie na plošine tvrdé a nepodarilo sa. Plošina samotná utrpela čiastkové poškodenia. SpaceX už dopredu vyhlásila, že kvôli extrémnemu letovému profilu s úspešným pristátím nepočíta.

Znovupoužiteľnosť 

SpaceX razí cestu opakovaného použitia raketovej techniky. Najďalej je v znovu-používaní prvého stupňa rakety Falcon 9. V závislosti od druhu misie väčšinou po štarte rakety Falcon 9 prvý stupeň motorovo pristáva.

Či bude pristávať, závisí od hmotnosti nákladu a na akú dráhu ju vynáša.

 ak je náklad veľmi ťažký, tak sa spotrebuje všetko palivo v nádržiach na vynesenie nákladu a prvý stupeň, po odpojení druhého stupňa s vynášaným nákladom, letí po balistickej krivke, zhorí v atmosfére a zvyšok spadne do oceánu – misia sa v angličtine označuje expendable
 pri stredne ťažkom zostáva len palivo na pribrzdenie a zasadnutie na autonómnu plávajúcu pristávaciu plošinu cca 200 –  od pevniny – ASDS, Autonomous spaceport drone ship
 pri ľahkom náklade sa po odpojení druhého stupňa obráti smer letu prvého stupňa späť nad pevninu a prvý stupeň pristáva kúsok odtiaľ kde štartoval – RTLS, Return to the launch site

SpaceX sa pokúša o znovupoužitie aerodynamického krytu, ktorý pristáva na padákoch a je snaha zachytiť ich do siete napnutou nad zachytávajúcou loďou.

Referencie

Pozri aj 
 Falcon 1
 Zoznam letov Falconu 9

Iné projekty

Externé odkazy 
 Falcon 9 na webe SpaceX

Zdroje 

Nosné rakety USA
Súkromné nosné rakety
SpaceX