Falcon 9 (багаторазовий перший ступінь)

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Перший ступінь, що успішно повернувся. Hawthorne, California, штаб-квартира SpaceX

Перший ступінь ракети-носія багаторазового використання — належить до когорти вперше створених і використаних компанією SpaceX перших ступенів системи космічного запуску багаторазового використання, які після здійснення своєї місії по запуску в космос другого ступеню та корисного вантажу, можуть повертатися на поверхню Землі і використовуватися повторно (у планах — до 10 разів). Наразі застосовуються на вдосконалених версіях ракет сімейства Falcon, таких як Falcon 9 Full Thrust та Falcon 9 Block 4, поступове переобладнання яких веде до появи фінальної версії ракети даного сімейства — Falcon 9 Block 5. Також даний перший ступінь у кількості 3 одиниць буде застосований у якості триядерного першого ступеню ракети Falcon Heavy. У складі вказаних ракет може виводити космічні апарати на ННО, ГПО, а також, можливе відправлення на Марс.

Конструкція та принцип роботи[ред.ред. код]

Взліт
Перший ступінь в ангарі
Двигуни у схемі octaweb
Двигуни 9шт. Merlin 1D+
Тяга на рівні моря — 7607кН;

у вакуумі — 8227 кН

Питомий імпульс на рівні моря — 282 с;

у вакуумі — 311 с

Висота 42,6 м[1]
Діаметр 3,66 м
Суха маса ~22,2 т
Пальне Гас RP-1 (m=123,57 т)
Окисник Рідкий кисень (m=287,43 т)
Витрата палива 2450 кг/с[2]
Запусків 24 (вперше 22.12.15)
+1 Amos-6[en] зруйновано перед запуском
Посадок 19/21 (крайня 30.10.17)
(12 на ASDS)

У якості пального на 1-му ст. використовується очищений гас RP-1 (t=-7 °C), а в якості окисника — надохолоджений рідкий кисень (t=-207 °C). Значне охолодження елементів палива дозволяє помістити більшу їх масу в той самий об'єм паливних баків. Щоб зберегти низьку температуру, заправка окисника починається за ~35 хвилин, а пального — за ~30 хвилин до старту.

Обидвоє баків, в яких знаходяться паливні елементи, виконані із алюміній-літіївого сплаву (літій додає міцності конструкціїї і зменшує її вагу).[3] Стінки верхнього баку самі по собі є несучою конструкцією, а от стінки нижнього підсилені шпангоутами і продольними балками, так як саме до нижньої частини 1-го ступеню прикладається найбільше навантаження. Окисник надходить до двигунів трубопроводом, що проходить по осі паливного баку. Для створення підвищеного тиску в баках застосовується стиснений гелій.

У нижньому торці 1-го ступеню по схемі octaweb установлені 9 двигунів Merlin 1D+ (саме тому у назві ракети присутня цифра «9») зі збільшеною тягою і питомим імпульсом. Така схема значно спрощує процес збирання відсіку для двигунів. Для їх запуску використовується самозапалювальна суміш триетилалюмінію і триетилборану.[4] При посадці задіяно три двигуни, що мають систему запалювання для повторного запуску.

Система керування польотом 1-го ст. оснащена трьома резервними комп'ютерами на кожному двигуні. Вони постійно перевіряють одне одного, що значно підвищує відмовостійкість. На цих комп'ютерах встановлена операційна система Linux. Інерціальна навігація та GPS, що встановлені на 1-му ст., співпрацюють із основним бортовим комп'ютером другого ступеню і використовуються під час посадки.

Послідовність процесів запуску ракети передбачає можливість зупинки цієї процедури, керуючись даними перевірки стану двигунів і різноманітних систем ракети-носія.[5] З цією метою стартовий майданчик оснащений чотирма спеціальними зажимами, які ще деякий час утримують 1-ий ст. після початку роботи двигунів. Якщо будуть виявлені якісь неполадки, запуск зупиняється і пальне з баків відкачується. Таким чином проводяться стендові випробування[6] і проявляється можливість повторного використання ракети. Система керування польотом працює так, що політ буде здійснюватись навіть в разі відмови двох двигунів за рахунок довшого ввімкнення інших семи.

З'єднання 1-го ст. з другим здійснюється через перехідний ступінь (4,5 м довжиною), виготовлений з алюмінію, вкритого вуглецевим волокном.[7] Він має витримувати вагу 2-го ступеню та корисного вантажу. В перехідному ступені розміщується двигун Merlin 1D Vacuum+ другого ступеню, гідравлічне оснащення решітчастих плавників та холодногазова РСК. SpaceX намагається уникати використання піротехніки, тому відстикування ступенів здійснюється пневматичними штовхачами, що розділяють цангові з'єднання. На Falcon 9 FT присутні чотири такі точки контакту.

Реактивна система керування (РСК) на першому ступені ракет-носіїв сімейства Falcon 9 використовує охолоджений стиснений азот. Він під тиском випускається із восьми газових сопел, розміщених у двох блоках (попереду, позаду, з одного вільного боку і знизу кожного блоку). Робота сопел, що направлені вниз, здійснює поштовх пального згори донизу (до забірного отвору) у баках, щоб відбувся перезапуск основних двигунів Merlin 1D+ і почалося гальмування. Позаяк блоки РСК розташовані по боках у верхній частині ступеню, то вони можуть використовуватися для керування польотом у трьох площинах.[1]

Графік старту і посадки

Розглядаючи запуск[2] 30 жовтня 2017 року, можна побачити, що перші 15 с після старту ракета летить вертикально, потім нахиляється і лягає на заданий курс. Протягом підйому вона досягає швидкості звуку, але уповільнюється на 76 с польоту, долаючи Максимальне динамічне навантаження. Після 2 хвилин, 30 секунд польоту на висоті 67 км, коли швидкість становить 2282 м/с відбувається вимкнення основних двигунів (МЕСО). Через три секунди після цього здійснюється відстикування 1-го ст. і він, вмикаючи на кілька секунд центральний двигун і керуючись рушіями РСК робить маневр, щоб уникнути впливу полум'я від двигуна 2-го ступеню. Піднімаючись до максимальної висоти у 119 км, 1-ий ст. розвертається у напрямку ASDS, зменшуючи таким чином витрати пального.

Решітчасті плавники

Потім, рухаючись двигунами уперед, він входить у щільні шари атмосфери, де і починають працювати чотири титанові решітчасті плавники (керма висоти) розміром 159 см х123 см.[8] Вони розташовані у верхній частині ступеню і спочатку притулені до його боків. Після відстикування від 2-го ст. решітчасті плавники розкриваються і під час спуску в атмосфері (особливо, коли вимкнені двигуни), рухаючись, стабілізують обертання 1-го ступеню (крен, тангаж та рискання) і можуть змінювати його кут атаки для прицільного приземлення в задану точку. Їх рух керується замкненою гідравлічною системою, а термостійкість сприяє повторному використанню.[9]

Знизившись до висоти у 58 км (6 хв. 28 с польоту), 1-ий ст. вмикає три двигуни на 22 с, зменшивши свою швидкість із 1450 м/с до 857 м/с.

Перед останнім увімкненням двигунів 1-ий ступінь не націлюється безпосередньо на посадковий майданчик, щоб в разі, якщо вони не увімкнуться, не зруйнувати його при падінні. Щоб здійснити посадку на відмічене символом «Х» місце приземлення, 1-ий ст. на фінальному відрізку польоту вмикає центральний двигун і починає знижувати швидкість до ~2 м/с, спрямовуючись на ціль.

Знизу, по ободу 1-го ступеню, симетрично прикріплені чотири посадкові ноги, які мають сукупну масу 2,1 т. Вони виготовлені із алюмінієвого каркасу з отворами у формі стільників, що вкритий вуглецевими волокнами. Ноги складені під час транспортування до космодрому і підйому в небо, але розгортаються вниз і вбік за 10 секунд перед посадкою. Це робить можливим здійснити її вертикально і м'яко.[10]

Плаваюча платформа ASDS для прийому 1-го ст. відпливає від берега в Тихий або Атлантичний океан на відстань 300—660 км. Після посадки 1-ий ступінь фіксується на ASDS, транспортується в порт, знімається з платформи краном і перевозиться в ангар. Там здійснюється його огляд і можливий ремонт, після чого 1-ий ступінь готовий до повторного використання.

Історія створення та розвитку[ред.ред. код]

Після того, як Ілон Маск зрозумів, що для спрощення і здешевлення польотів у космос необхідно застосовувати ракети, конструкційні елементи яких можна використати повторно (Програма розвитку системи багаторазового запуску[en]), його компанія SpaceX взялася до розробки такої ракети-носія.[11] Спочатку конфігурація її 1-го ступеню, схема розміщення на ньому двигунів, самі двигуни та елементи пального були дещо іншими, ніж зараз. Але численні тести та вже проведені вдалі і невдалі запуски призвели до появи ракети Falcon 9 Full Thrust, на якій було встановлено 1-й ступінь, що зміг вперше успішно повернутися на Землю.

Маск оглядає зруйнований після тестування ступінь

У 2013 році почалися випробування посадки першого ступеня ракети-носія Falcon. 2 травня 2014 р. SpaceX поділилася відео другого тестового польоту (зліт і посадка) 1-го ступеню[12] на території космопорту Америка[en]. Висота підйому порівняно з попереднім разом зросла в чотири рази і досягла 1000 м.

14 вересня 2017 року SpaceX опублікувала відео, яке ілюструє весь тяжкий шлях, що довелося здолати їх команді, для досягнення можливості повторного використання 1-го ст.

Nuvola apps kaboodle.svg Зовнішні відеофайли
Nuvola apps kaboodle.svg Logo YouTube por Hernando.svg Як не варто саджати перший ступінь
Nuvola apps kaboodle.svg Logo YouTube por Hernando.svg Запуск та вдале приземлення 1-ст. (місія OTV-5)
Посадка після місії Iridium NEXT 1-10[en][13]

22 грудня 2015 року, після того, як Falcon 9 Full Thrust успішно вивела на орбіту 11 супутників (місія Orbcomm OG2[en]), 1-й ступінь ракети вперше зумів здійснити вертикальне приземлення на посадкову зону 1[en], що знаходиться на базі ВПС США на мисі Канаверал.[14][1]

8 квітня 2016 року (місія CRS-8) вперше було здійснено повернення і м'яку посадку 1-го ступеню ракети-носія Falcon 9 FT на плаваючу платформу Autonomous spaceport drone ship «Of Course I Still Love You», яка відпливла в океан так, що відстань між нею і стартовим майданчиком склала 660 км.[15][16]

Список запусків[ред.ред. код]

Жирним шрифтом виділено номера прискорювачів, що запускалися більше одного разу. Жовтими клітинками відмічені ті, що запускатимуться у складі Falcon Heavy. Бузковим кольором окрашено дату крайнього запуску.

Прискорювач №[17] Тип прискор-ча Дата запуску (UTC) Політ №[en] Місія Маса, орбіта Запуск Посадка Статус
B1019[en] FT (v1.2) 22 грудня 2015 20[en] Orbcomm-OG2[en] × 11 2'034 кг ННО мис Канаверал, SLC-40 успіх посадкова зона 1[en] успіх не викор-ся
B1020 FT (v1.2) 4 березня 2016[18] 22 SES-9[en] 5'271 кг ГПО мис Канаверал, SLC-40 успіх ASDS «OISLY» провал зруйновано
B1021[en] FT (v1.2) 8 квітня 2016[15][16] 23 Dragon CRS-8 3'136 кг ННО мис Канаверал, SLC-40 успіх ASDS «OISLY» успіх відремонт-но
30 березня 2017[19][20] 32 SES-10[en] 5'300 кг ГПО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
ASDS «OISLY» успіх не викор-ся
вперше вдалося керовано повернути одну половинку обтікача корисного вантажу
B1022 FT (v1.2) 6 травня 2016 24 JCSAT-14[en] 4'696 кг ГПО мис Канаверал, SLC-40 успіх ASDS «OISLY» успіх не викор-ся
B1023 FT (v1.2) 27 травня 2016[21] 25 Thaicom 8[en] 3'100 кг ГПО мис Канаверал, SLC-40 успіх ASDS «OISLY» успіх відремонт-но
грудень 2017[22] FH demo[23] -- очікує запуску
B1024 FT (v1.2) 15 червня 2016 26[en] ABS-2A
Eutelsat 117 West B
3'600 кг ГПО мис Канаверал, SLC-40 успіх ASDS «OISLY» провал зруйновано
по причині передчасного вичерпання запасу рідкого кисню ступінь здійснив жорстку посадку і зруйнувався
B1025 FT (v1.2) 18 липня 2016 27 Dragon CRS-9 2'257 кг ННО мис Канаверал, SLC-40 успіх посадкова зона 1[en] успіх відремонт-но
грудень 2017 FH demo -- очікує запуску
B1026 FT (v1.2) 14 червня 2016 28 JCSAT-16 4'600 кг ГПО мис Канаверал, SLC-40 успіх ASDS «OISLY» успіх не викор-ся
B1027 FH тест -- -- -- -- -- -- не викор-ся
B1028 FT (v1.2) 1 вересня 2016[24] -- Amos-6[en] 5'500 кг ГПО мис Канаверал, SLC-40 провал (перед запуском) -- зруйновано
B1029[en] FT (v1.2) 14 січня 2017 29 Iridium NEXT[en]
1–10
9'600 кг ННО Авіабаза Ванденберг, SLC-4E успіх ASDS «JRtI» успіх відремонт-но
23 червня 2017[25] 36 BulgariaSat-1[en] 3'669 кг ГПО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
ASDS «OISLY» успіх не викор-ся
1-му ст. вперше вдалося розвинути швидкість М7,9
B1030 FT (v1.2) 16 березня 2017[26] 31 EchoStar 23[en] 5'600 кг ГПО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
не заплановано одноразовий
через те, що вантаж великої маси необхідно запустити на високу орбіту, використано одноразовий ступінь, кероване повернення якого не планувалося. У такому випадку решітчасті плавники, посадкові ноги та інше устаткування для повернення не встановлюється
B1031 FT (v1.2) 19 лютого 2017[27] 30 Dragon CRS-10 2'490 кг ННО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
посадкова зона 1[en] успіх відремонт-но
11 жовтня 2017[28] 43 SES-11[en] / EchoStar[en] 105 5'200 кг ГПО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
ASDS «OISLY» успіх відновлено
(не викор-ся)
B1032 FT (v1.2) 1 травня 2017 33 NROL[en]-76  ? кг ННО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
посадкова зона 1[en] успіх законсервовано
B1033 FH центральне ядро грудень 2017[29] FH demo -- очікує запуску
B1034 FT (v1.2) 15 травня 2017 34 Inmarsat-5 F4 6'070 кг ГПО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
не заплановано одноразовий
B1035 FT (v1.2) 3 червня 2017[30] 35 Dragon CRS-11 2'708 кг ННО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
посадкова зона 1[en] успіх відремонт-но
4 грудня 2017 Dragon CRS-13 у розкладі очікує запуску
B1036 FT (v1.2) 25 червня 2017[31] 37 Iridium NEXT[en] 11–20 9'600 кг ННО Авіабаза Ванденберг SLC-4E успіх ASDS «JRtI» успіх відремонт-но
23 грудня 2017 Iridium NEXT[en] 31–40 у розкладі очікує запуску
B1037 FT (v1.2) 5 липня 2017[32] 38 Intelsat 35e[en] 6'761 кг ГПО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
не заплановано одноразовий
B1038 FT (v1.2) 24 серпня 2017[33] 40 Formosat-5[en] 475 кг ССО Авіабаза Ванденберг SLC-4E успіх ASDS «JRtI» успіх на складі
1-му ст. піднявся на максимальну висоту 247 км
B1039 FT (v1.2)/
Block 4
14 серпня 2017[34] 39 Dragon CRS-12 3'310 кг ННО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
посадкова зона 1[en] успіх на складі
B1040 FT (v1.2)/
Block 4
7 вересня 2017 41 Boeing X-37B OTV-5 4'990 кг + невід-мий вантажННО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
посадкова зона 1[en] успіх на складі
B1041 FT (v1.2)/
Block 4
9 жовтня 2017[35] 42 Iridium NEXT[en] 21–30 9'600 кг ННО Авіабаза Ванденберг SLC-4E успіх ASDS «JRtI» успіх відновлено
B1042 FT (v1.2)/
Block 4
30 жовтня 2017[36] 44 Koreasat 5A 3'500 кг ГПО КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39 успіх
ASDS «OISLY» успіх відновлено
B1043 FT (v1.2)/
Block 4
16 листопада 2017[37] Zuma КЦ
ім. Кеннеді
, LC-39
у розкладі
посадкова зона 1[en] очікує запуску

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б в День, що повинен запам'ятатися: SpaceX досягла повернення першого степеню ракети. spaceflight101.com. 22 грудня 2015 року. (англ.)
  2. а б Falcon 9 успішно запустила супутник Koreasat 5a. spaceflight101.com. 30 жовтня 2017. (англ.)
  3. Структура Falcon 9. spacex.com. 26 березня 2013 року. (англ.)
  4. Двигуни. spacex.com. 26 березня 2013 року. (англ.)
  5. Rhianjuly, Jason (5 липня 2017 року). 10 запусків за 7 місяців: SpaceX запускає INTELSAT 35E. spaceflightinsider.com. (англ.)
  6. Falcon 9, статичне запалювання. SpaceX у Youtube. 19 вересня 2013 року. 
  7. Ракета Falcon 9. spaceflight101.net. (англ.)
  8. Відмінності між модифікаціями решітчастих плавників. Space.stackexchange.com. 15 липня 2017. (англ.)
  9. Повідомлення Ілона Маска у Twitter 25 червня 2017(англ.)
  10. Посадкові ноги. spacex.com. 26 березня 2013 року. (англ.)
  11. "Аномалія" стала причиною вибуху ракети Falcon 9 під час тестувань на Флориді. voanews.com. 1 вересня 2016 року. 
  12. Тестування польоту на 1000 м. SpaceX у Youtube. 2 травня 2014 року. 
  13. Місія iridium-1. spacex.com. 14 січня 2017 року. (англ.)
  14. Ракета Falcon здійснила безпечне приземлення. reuters.com. 22 грудня 2015 року. (англ.)
  15. а б SpaceX вперше успішно посадила нижній ступінь ракети на морську платформу. unian.ua. 9 квітня 2016 року. 
  16. а б SpaceX вперше успішно посадила ступінь ракети на платформу в морі. bbc.com. 9 квітня 2016 року. 
  17. Tаблиця ядер Falcon 9. reddit.com. Процитовано 6 листопада 2017. (англ.)
  18. Журнал запуску. spaceflightnow.com. Архів оригіналу за 22 квітня 2016. Процитовано 26 серпня 2017. (англ.)
  19. Amos, Jonathan (31 березня 2017 року). Успіх для SpaceX: багаторазова ракета. bbc.com. Процитовано 5 серпня 2017. (англ.)
  20. SpaceX уперше повторно запустила в космос використану ракету. dw.com. 31 березня 2017 року. Процитовано 5 серпня 2017. 
  21. Wall, Mike (27 травня 2016). Троє підряд! SpaceX знову посадила ракету на плаваючу платформу. space.com. Процитовано 2 листопада 2017. (англ.)
  22. Clark, Stephen (21 жовтня 2017). Розклад запусків. spaceflightnow.com. Процитовано 5 листопада 2017. (англ.)
  23. Gebhardt, Chris (12 квітня 2017). Falcon Heavy починає будуватися; відбудова майданчика SLC-40 просувається добре. nasaspaceflight.com. Процитовано 7 вересня 2017. (англ.)
  24. Godwin, Curt (1 вересня 2016). SpaceX призначає дату запуску найважчого вантажу на час шторму Hermine. spaceflightinsider.com. Процитовано 4 листопада 2017. (англ.)
  25. Clark, Stephen (17 січня 2017 року). Перший ступінь Falcon 9 здійснивши посадку, попрямував у порт. spaceflightnow.com. (англ.)
  26. Прискорювач Falcon 9: мінус посадкові ноги і решітчасті плавники. fborgosano.altervista.org. 14 березня 2017. Процитовано 5 серпня 2017. (англ.)
  27. Siceloff, Steven (19 лютого 2017). Вантаж із важливим обладнанням спрямовано до МКС. blogs.nasa.gov. Процитовано 6 листопада 2017. (англ.)
  28. Clark, Stephen (11 жовтня 2017 року). SpaceX здійснила доставку на орбіту супутника EchoStar. spaceflightnow.com. (англ.)
  29. de Selding, Peter B. (1 лютого 2016). В оновленому розкладі SpaceX відзначається запізнення. spacenews.com. Процитовано 6 листопада 2017. (англ.)
  30. SpaceX успішно запустила корабель Dragon, який раніше вже використовувався. dt.ua. 4 червня 2017 року. Процитовано 19 серпня 2017. (англ.)
  31. Graham, William (24 червня 2017). Falcon 9 проводить запуск Iridium NEXT-2. nasaspaceflight.com. Процитовано 20 серпня 2017. (англ.)
  32. Bergin, Chris (29 червня 2017). SpaceX повертає два прискорювачі і проводить статичний тест запалювання. nasaspaceflight.com. Процитовано 21 липня 2017. (англ.)
  33. Повідомлення у Twitter від SpaceX 24 серпня 2017(англ.)
  34. Повідомлення у Twitter від SpaceX 14 серпня 2017 (англ.)
  35. Harwood, William (9 жовтня 2017). Ракета SpaceX запустила Iridium NEXT-3. cbsnews.com. Процитовано 11 жовтня 2017. (англ.)
  36. Graham, William (30 жовтня 2017). SpaceX успішно запустила Koreasat 5a. nasaspaceflight.com. Процитовано 1 листопада 2017. (англ.)
  37. Gebhardt, Chris (16 жовтня 2017). SpaceX проводитиме загадкову місію “Zuma”, Iridium-4 націлено на приземлення у Ванденберзі. nasaspaceflight.com. Процитовано 9 листопада 2017. (англ.)

Посилання[ред.ред. код]