Falcon 9 — це частково багаторазова двоступенева ракета середнього класу для виходу на орбіту, розроблена та виготовлена компанією SpaceX у США.

Перший запуск Falcon 9 відбувся 4 червня 2010 року, а перша комерційна місія з постачання вантажів на Міжнародну космічну станцію (МКС) була виконана 8 жовтня 2012 року. У 2020 році ракета стала першою комерційною ракетою, яка доставила людей на орбіту. Falcon 9 має винятковий рекорд безпеки, з 439 успішними запусками, двома аваріями під час польоту, однією частковою невдачею та одним передпольотним знищенням. Це найбільш часто запускана американська орбітальна ракета в історії.

Структура ракети

Ракета має два ступені:

  1. Перший (бустерний) ступінь: несе другий ступінь і корисне навантаження до заданої швидкості та висоти, після чого другий ступінь розганяє вантаж до його цільової орбіти.
  2. Другий ступінь: відповідає за остаточний розгін і виведення корисного навантаження на орбіту.

Бустер здатний здійснювати вертикальне приземлення для подальшого використання, що було вперше досягнуто на 20-му польоті у грудні 2015 року. На 18 лютого 2025 року SpaceX успішно приземлила бустери Falcon 9 395 разів. Окремі бустери виконували до 26 польотів.

Двигуни та паливо

Обидва ступені ракети працюють на двигунах Merlin від SpaceX, що використовують кріогенний рідкий кисень і ракетний керосин (RP-1) як паливо.

Рекорди та досягнення

  • Найважчі корисні вантажі, виведені на геостаціонарну трансферну орбіту (GTO), це:
    • Intelsat 35e (6 761 кг)
    • Telstar 19V (7 075 кг)

    24 січня 2021 року Falcon 9 встановила рекорд за кількістю супутників, запущених одною ракетою — 143 супутники.

Людські місії та сертифікація

Falcon 9 сертифікована для транспортування астронавтів NASA до МКС і є частиною Національної програми запуску космічних місій США. Ракета має сертифікацію для запуску важливих і складних місій, включаючи найскладніші та найважливіші місії NASA.

Різні версії ракети

Різні версії ракети були побудовані та випробувані:

  • v1.0: з 2010 по 2013 рік
  • v1.1: з 2013 по 2016 рік
  • v1.2 Full Thrust: перший запуск у 2015 році
    • Block 5: з травня 2018 року

Ці оновлення дозволяють покращити ефективність, знижувати витрати та підвищувати надійність запусків.

Історія Розробки Falcon 9

Зародження та фінансування

У жовтні 2005 року SpaceX оголосила про плани запустити Falcon 9 в першій половині 2007 року. Однак перший запуск відбувся лише в 2010 році.

SpaceX розробила свій перший запускний апарат, Falcon 1, повністю за власні кошти, без попередньо укладених контрактів на продаж послуг запуску. Для розробки Falcon 9 компанія також використала приватні кошти, але вже мала попередні домовленості з NASA щодо закупівлі кількох операційних запусків після демонстрації певних можливостей ракети. Платежі за досягнення конкретних етапів виконувалися в межах програми Commercial Orbital Transportation Services (COTS), яка почалася у 2006 році. Контракт, оформлений як Space Act Agreement (SAA), становив 278 млн доларів США за три демонстраційні запуски Falcon 9 з космічним кораблем Dragon. Загальна вартість контракту пізніше зросла до 396 млн доларів США, коли додалися додаткові етапи.

У 2008 році SpaceX виграла контракт Commercial Resupply Services (CRS) в межах програми COTS для доставки вантажу на Міжнародну космічну станцію (МКС) за допомогою Falcon 9 і Dragon. Контракт складався на 1,6 млрд доларів США для виконання не менше 12 місій з доставки вантажів на МКС і з неї.

Витрати на розробку

За оцінками SpaceX, вартість розробки версії Falcon 9 v1.0 в 2011 році склала 300 млн доларів США. Для порівняння, NASA оцінила, що за використання традиційного підходу до контрактування з оплатою за фактичні витрати вартість розробки могла б скласти 3,6 млрд доларів США. Тільки завдяки більш комерційному підходу до розробки NASA змогла заплатити значно менше — лише 1,7 млрд доларів США.

У 2014 році SpaceX повідомила, що загальні витрати на розробку Falcon 9 і Dragon склали 450 млн доларів США, при цьому NASA внесла 396 млн доларів США. За словами представників SpaceX у 2017 році, загальні витрати на розробку Falcon 1 і Falcon 9 оцінюються приблизно в 390 млн доларів США.

Розробка стратегії

Спочатку SpaceX планувала розробити проміжну ракету Falcon 5 після Falcon 1. Проте в 2005 році компанія вирішила розробити Falcon 9 — більшу і потужнішу ракету, здатну виводити 9 500 кг (20 900 фунтів) на низьку орбіту Землі (LEO). Falcon 9 була спроектована для підтримки місій на LEO, орбіту передачі геостаціонарних супутників (GTO), а також для пілотованих і вантажних місій на МКС. Ракета мала коштувати 27 млн доларів США за запуск з вантажем у 3,7 м фейрінга і 35 млн доларів США за запуск з вантажем у 5,2 м фейрінга. Також була спроектована важка версія Falcon 9, здатна виводити близько 25 000 кг (55 000 фунтів).

Тестування

  • 2008-2009 роки: Початковий контракт NASA COTS передбачав перший демонстраційний політ у вересні 2008 року. Однак цей термін було перенесено на перший квартал 2009 року через складність розробки ракети та вимоги регулювання в Космічному центрі на мисі Канаверал.
  • 2008 рік: У січні SpaceX провела перший тест із запуском двох двигунів одночасно, що був успішним. У листопаді 2008 року відбувся дев’ятидвигунний тест.
  • 2009 рік: У жовтні та листопаді були проведені випробувальні запуски другого ступеня.
  • 2010 рік: Початок лютого: елементи ракети прибули на місце запуску для інтеграції. У березні відбувся тест запуску ракети на стартовому майданчику Space Launch Complex 40, Канаверал, але через проблему з гелієвим насосом тест було скасовано.

Виробництво

До грудня 2010 року виробнича лінія SpaceX виготовляла один Falcon 9 та один космічний корабель Dragon кожні три місяці. До вересня 2013 року виробничі площі SpaceX збільшилися до майже 93 000 м², що дозволяло виробляти 40 ракет на рік. З листопада 2013 року компанія виробляла по одній Falcon 9 на місяць.

До лютого 2016 року швидкість виробництва збільшилася до 18 ракет на рік, а одночасно збиралося до шести першочергових ступенів. З 2018 року SpaceX почала регулярно повторно використовувати перші ступені ракет, що значно знизило потребу в нових корпусах. У 2023 році SpaceX виконала 91 запуск з лише 4 новими ракетами, при цьому всі ракети були успішно відновлені. Фабрика в Хоторні, Каліфорнія, продовжує виготовляти по одній витратній другій ступені для кожного запуску.

Поєднання повторного використання перших ступенів ракети та підвищеної ефективності виробництва дозволило SpaceX значно знизити витрати і збільшити частоту запусків Falcon 9.

Історія запусків Falcon 9

Ракети сімейства Falcon 9 мають рейтинг успішних запусків 99,34%, з 453 запусками за 15 років. Це призвело до 450 повних успіхів, двох аварій у польоті (SpaceX CRS-7 і Starlink Group 9–3), одного передпольотного збою (AMOS-6 під час підготовки до статичного вогневого випробування на стартовому майданчику) і одного часткового збою (SpaceX CRS-1, який доставив вантаж на Міжнародну космічну станцію, але другорядний вантаж залишився на нижчій орбіті, ніж планувалося). Активна версія ракети, Falcon 9 Block 5, успішно здійснила 385 запусків, з яких один був невдалим (Starlink Group 9–3), що дає успіх 99,74%.

У 2022 році Falcon 9 встановила новий рекорд з 60 успішними запусками за календарний рік. Це перевершило попередній рекорд ракети Soyuz-U, яка мала 47 запусків (з них 45 успішних) у 1979 році. У 2023 році сімейство ракет Falcon (включаючи Falcon Heavy) здійснило 96 успішних запусків, що перевищило 63 запусків (з них 61 успішний) ракети R-7 у 1980 році. У 2024 році SpaceX побила власний рекорд з 134 запусками Falcon (з яких 133 були успішними), що становить більше половини всіх орбітальних запусків того року.

Різні версії Falcon 9

Falcon 9 пройшла кілька етапів розвитку:

  • v1.0 здійснила 5 запусків з 2010 по 2013 роки.
  • v1.1 здійснила 15 запусків з 2013 по 2016 роки.
  • Full Thrust здійснила 36 запусків у 2015 році.
  • Остання версія Block 5 була введена в експлуатацію в травні 2018 року.

Кожна нова версія Falcon 9 стала потужнішою і здатною до вертикальних посадок. З розвитком технології вертикальних посадок SpaceX зосередилася на оптимізації процесу відновлення ракет, роблячи його швидшим і більш економічним.

Ракета Falcon Heavy

Falcon Heavy є похідною важкої ракети, яка складається з трьох перших ступенів Falcon 9. Центральний ступінь посилений, а бокові ступені мають аеродинамічні носові обтічники замість стандартної міжступеневої конструкції.

Успішні посадки перших ступенів

Перші ступені Falcon 9 успішно приземлилися 410 разів з 422 спроб (97,2%), з яких 385 з 390 були успішними для версії Falcon 9 Block 5 (98,7%). Загалом, 388 повторних запусків перших ступенів завершилися успіхом, зокрема, запуском другого ступеня та більшості вантажів.

Визначні польоти та корисні навантаження

Польоти Falcon 9:

  1. Польот 1, Dragon Spacecraft Qualification Unit — 4 червня 2010, перший запуск Falcon 9 і перше випробування Dragon.
  2. Польот 3, Dragon C2+ — перша доставка вантажу на Міжнародну космічну станцію (МКС).
  3. Польот 4, CRS-1 — перша операційна місія з доставкою вантажу на МКС та перше випробування здатності двигунів ракети продовжувати політ після відмови одного з двигунів першого ступеня.
  4. Польот 6, CASSIOPE — перший запуск ракети Falcon 9 v1.1, перший запуск з Ванденбергської авіабази, перша спроба пропульсійного повернення першого ступеня.
  5. Польот 7, SES-8 — перший запуск на геосинхронну трансферну орбіту (GTO), перше неурядове корисне навантаження.
  6. Польот 9, CRS-3 — додано посадкові ноги, перший повністю контрольований сплеш на поверхні океану.
  7. Польот 15, DSCOVR — перша місія по запуску космічного апарату на точку L1 Сонце-Земля.
  8. Польот 19, CRS-7 — повна втрата місії через структурне пошкодження і надмірний тиск гелію на другому ступені.
  9. Польот 20, Orbcomm OG-2 — перша вертикальна посадка ракети класу “орбітальний” після запуску.
  10. Польот 23, CRS-8 — перша вертикальна посадка на автономну космічну платформу для дронів на морі.
  11. AMOS-6 — повна втрата ракети і корисного навантаження до статичного вогневого випробування (цей політ мав би бути польотом 29).
  12. Польот 30, CRS-10 — перший запуск з LC-39A на Космічному центрі Кеннеді.
  13. Польот 32, SES-10 — перший повторний запуск вже використаного першого ступеня ракети Falcon 9 (B1021), перше відновлення обтічника вантажу.
  14. Польот 54, Bangabandhu-1 — перший запуск версії Block 5.
  15. Польот 69, Crew Dragon Demo-1 — перший запуск Crew Dragon (не був з екіпажем).
  16. Польот 85, Crew Dragon Demo-2 — перший пілотований запуск Crew Dragon з екіпажем із двох астронавтів.
  17. Польот 126, Inspiration4 — перший орбітальний політ приватної екіпажної місії.
  18. Польот 134, CRS-24 — 100-та успішна вертикальна посадка орбітальної ракети.

Деякі корисні навантаження:

  1. AMOS-17 — супутник зв’язку.
  2. Bangabandhu Satellite-1 — комунікаційний супутник.
  3. Beresheet — місячний посадковий апарат.
  4. Boeing X-37 — космічний апарат.
  5. Crew and Cargo Dragon — вантажні та пілотовані космічні капсули Dragon.
  6. Double Asteroid Redirection Test (DART) — місія з оборони планет проти астероїдів.
  7. EchoStar 23 — супутник зв’язку.
  8. Euclid — космічний телескоп для дослідження темної матерії.
  9. GPS IIIA — супутники для оновлення глобальної системи позиціонування США.
  10. Iridium NEXT — супутниковий зв’язок.
  11. RADARSAT Constellation — супутникова система спостереження Землі.
  12. SES-10 — комунікаційний супутник.
  13. SpaceX Starlink — глобальний супутниковий інтернет.
  14. Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) — космічний телескоп для пошуку екзопланет.
  15. Zuma — секретний супутник для Національного розвідувального управління США.

Технічні характеристики Falcon 9

Перший ступінь

Висота 41,2 м / 135,2 футів
Висота (з проміжком) 47,7 м / 156,5 футів
Діаметр 3,7 м / 12 футів
Порожня маса 25 600 кг / 56 423 фунтів
Маса палива 395 700 кг / 872 369 фунтів
Тип конструкції Бак LOX: монокок, паливний бак: обшивка і стрінгер
Матеріал конструкції Алюмінієво-літієва оболонка, алюмінієві куполи
Кількість опор для посадки 4
Матеріал опор Вуглецеве волокно, алюмінієві стільники
Кількість двигунів Merlin 9 (для рівня моря)
Паливо LOX / RP-1
Тяга на рівні моря 7 607 кН / 1 710 000 фунт-сила
Тяга у вакуумі 8 227 кН / 1 849 500 фунт-сила
Питомий імпульс (рівень моря) 283 сек.
Питомий імпульс (вакуум) 312 сек.
Час горіння 162 сек.
Контроль положення підйому – тангаж, поворот Карданні двигуни
Контроль положення підйому – крен Карданні двигуни
Контроль положення на вибігу/спуску Азотні двигуни та решітки

Другий ступінь

Висота 13,8 м / 45,3 футів
Діаметр 3,7 м / 12,1 футів
Порожня маса 3 900 кг / 8 598 фунтів
Маса палива 92 670 кг / 204 302 фунтів
Тип конструкції Бак LOX: монокок, паливний бак: обшивка і стрінгер
Матеріал конструкції Алюмінієво-літієва орболонка, алюмінієві куполм
Кількість двигунів Merlin 1 (вакуумний)
Паливо LOX / RP-1
Тяга 981 кН / 220 500 фунт-сила
Питомий імпульс (вакуум) 348 сек.
Час горіння 397 сек.
Контроль положення підйому – тангаж, поворот Карданний двигун і азотні двигуни
Контроль положення підйому – крен Азотні двигуни
Контроль положення на вибігу/спуску Азотні двигуни

Двигун

Falcon 9 оснащений двигунами Merlin 1D для обох ступенів. Кожен двигун Merlin генерує тягу 854 кН (192 000 фунтів). Для запуску двигуна використовують пірофорну суміш триетиламін-триетилборан (TEA-TEB).

Конфігурація двигунів:

  • Ступінь-розгін має 9 двигунів, розташованих у конфігурації, яку SpaceX називає Octaweb.
  • Другий ступінь ракети Falcon 9 оснащений одним двигуном Merlin 1D Vacuum, що має короткий або стандартний сопло.

Здатність до втрати двигунів: Falcon 9 здатний втратити до двох двигунів і все одно виконати місію, спалюючи решту двигунів довше.

Контроль двигунів: Кожен двигун Merlin контролюється трьома комп’ютерами з голосуванням, причому кожен комп’ютер має два процесори, що постійно перевіряють один одного. Двигуни Merlin 1D можуть змінювати вектор тяги для коригування траєкторії.

Бак для палива

Стінки та куполи паливних баків виготовлені з алюмінієво-літієвого сплаву. SpaceX використовує технологію фрикційно-стрижневого зварювання для забезпечення міцності та надійності. Другий ступінь ракети має коротшу версію баку першого ступеня, використовуючи ті ж самі інструменти, матеріали та методи виробництва.

Міжступінь (інтерстейдж), що з’єднує верхній і нижній ступені, має комбіновану структуру з вуглецевого волокна та алюмінієвого ядра. Вона утримує систему відділення ступеня з перезаряджуваними затискними колетами та пневматичним пресом.

Обтічник (фейрінг)

Falcon 9 використовує обтічник для захисту корисного навантаження (супутників) під час запуску. Обтічник має такі характеристики:

  • Довжина: 13 м (43 фути)
  • Діаметр: 5,2 м (17 футів)
  • Вага: близько 1900 кг
  • Конструкція: карбонове волокно з алюмінієвим медовим ядром

Обтічники виготовляються та тестуються в штаб-квартирі SpaceX у Хоторні. Випробування проходять на станції Plum Brook, де імітуються акустичні удари, механічні вібрації та електромагнітні розряди при запуску.

З 2019 року обтічники Falcon 9 спроектовані для повторного входу в атмосферу Землі, що дозволяє їх повторно використовувати.

Системи керування

SpaceX використовує кілька надлишкових комп’ютерів для управління польотом, що забезпечує відмовостійкість. Програмне забезпечення працює на Linux і написане на C++. Для гнучкості використовуються комерційні компоненти та радіаційно-стійкий дизайн замість спеціалізованих радіо-витривалих частин. Кожен ступінь має свої комп’ютери управління польотом, а також двигунові контролери для двигунів Merlin.

Опори та рулі

Ракети, що мають бути навмисно витрачені, не мають ні опор, ні рулів. У ракети з можливістю відновлення є чотири витяжні посадкові опори, прикріплені до основи.

Керування спуском: Для керування спуском через атмосферу SpaceX використовує гратчасті рулі, які розкриваються з ракети після відділення ступеня. Спочатку версія Falcon 9 V1.2 Full Thrust була оснащена гратчастими крилами з алюмінію, але вони були замінені на більш великі та аеродинамічно ефективні титанові крила. Титанові гратчасті кіля надають значно кращу маневреність і витривалість від екстремальних температур при поверненні в атмосферу, ніж алюмінієві, і можуть бути використані багаторазово з мінімальними витратами на відновлення.

Дещо інше: