Raketa Falcon a její varianty

Nejznámější a nejvytíženější raketou SpaceX je Falcon 9. Možná ale nevíte, že má několik variant a její vývoj stále není u konce, takže se pracuje na dalších vylepšeních. Udělejme si v tom tedy pořádek.

Porovnání různých variant rakety Falcon

Falcon 1

Vše začalo malou raketou Falcon 1, na které si SpaceX chtělo otestovat všemožné systémy a výrobní techniky pro plánované větší rakety a také se ujistit, že vůbec jsou schopni dosáhnout oběžné dráhy. Falcon 1 je dvoustupňová raketa – první stupeň disponuje jedním motorem Merlin a druhý stupeň pak motorem Kestrel. Falcon 1 letěl celkem pětkrát, poprvé v roce 2008 a pokaždé z rampy na atolu Kwajalein na Marshallových ostrovech. První tři lety se nezdařily a SpaceX málem zbankrotovalo, ale čtvrtý start v roce 2009 byl nakonec úspěšný, a společnost se tak stala prvním soukromým subjektem, který dosáhl oběžné dráhy s raketou na kapalná paliva. Po pátém letu byl Falcon 1 vyřazen ze služby z důvodu nízkého zájmu o raketu s tak malou nosností (pár set kilogramů na nízkou oběžnou dráhu). Nahradil ji Falcon 9 ve své první variantě – v1.0.

Falcon 1 na rampě na atolu Kwajalein (Foto: SpaceX)

Parametry:

  • Cena6–7 milionů amerických dolarů
  • Nosnost:
  • Výška: 21,3 m (včetně druhého stupně a nákladu)
  • Průměr: 1,7 m
  • Hmotnost (s palivem): 38 555 kg
  • Tah 1. stupně: 454 kN
  • Tah 2. stupně: 31 kN
  • Palivo: RP-1 a podchlazený kapalný kyslík

Falcon 9 v1.0

Poslední let Falconu 9 v1.0 (mise CRS-2)

Falcon 9 byl oproti Falconu 1 velkým skokem ve všech ohledech, ale ve své podstatě se jedná „jen“ o nafouklou verzi původního Falconu 1. Stále to je dvoustupňová raketa, která používá motory Merlin (akorát první stupeň disponuje místo jedním rovnou devíti motory), ale v případě druhého stupně došlo k přechodu na vakuovou variantu Merlinu místo Kestrelu, který by byl pro tuto větší raketu příliš slabý.

Falcon 9 byl už od začátku navržen tak, aby byl alespoň z části znovupoužitelný. Trvalo však několik let, než SpaceX vymyslelo, jak toho dosáhnout a vychytalo všechny mouchy, a proto bylo prvních pokroků v této oblasti dosaženo až s variantami v1.1 a v1.2.

Falcon 9 v1.0 letěl celkem pětkrát a všechny lety byly úspěšné, i když jeden jen částečně (CRS-1).

Falcon 9 v1.1

Raketa Falcon 9 v1.1 během mise CRS-6. Všimněte si přistávacích nohou a roštových kormidel.

Elon Musk přiznal, že SpaceX bylo během vývoje původního Falconu 9 ještě dost nezkušené, a proto se dopustilo několika chyb, které bylo potřeba napravit a celkový design optimalizovat. Výsledkem byl Falcon 9 v1.1. Hlavními rozdíly oproti předchozí variantě byly nové motory Merlin 1D, o 60 % větší nádrže, rozdílné rozmístění motorů prvního stupně (čtverec/mřížku nahradilo rozmístění zvané „octaweb“) a dále také úpravy ve jménu experimentálních přistání prvních stupňů – konkrétně přidání přistávacích nohou a později také roštových kormidel. Všechny tyto změny měly za následek zvýšení hmotnosti rakety o 60%, ale ta má zároveň o 60 % vyšší tah a nosnost.

Porovnání rozložení motorů. Vlevo v1.0, vpravo v1.1.

Spolu se zavedením této raketové varianty se také rozběhlo seriózní experimentování se záchranou prvního stupně. Nejdříve SpaceX zjišťovalo, jestli stupeň vůbec dokáže přežít návrat atmosférou, následně proběhly pokusy o přistání na vodní hladině a později také na autonomních přistávacích plošinách (ASDS). I když několikrát přistání nevyšlo jen o fous, první úspěchy slavila až následující raketová varianta v1.2.

Falcon 9 v1.1 letěl celkem patnáctkrát a z toho jednou neúspěšně (při misi CRS-7).

Falcon 9 v1.2 / Full Thrust

Falcon 9 v1.1 se ukázal být velice schopným a vyspělým nosičem, a následující varianta v1.2 (nebo také „Full Thrust“ – plný tah) tak budovala na skvělém základu a zavedené změny byly spíše optimalizační a cílem bylo vymáčknout z osvědčené rakety co největší výkon. Hlavními fyzickými změnami bylo zvětšení nádrží na kapalný kyslík v obou stupních a s tím související prodloužení druhého stupně. Ještě významnější změnou však byl přechod na podchlazený tekutý kyslík, což mělo v kombinaci se zvětšenými nádržemi za následek zvýšení výkonu o 33 %. Kyslík se pro použití v běžných raketách chladí na jeho bod varu, tedy -183 °C; ve SpaceX však chtěli do rakety natankovat větší množství kyslíku, čehož lze docílit jeho ještě větším zchlazením, neboť pak má větší hustotu. SpaceX tedy kyslík chladí na -207 °C, což jim umožňuje načerpat ho do nádrží o 8 % více.

První Falcon 9 ve variantě v1.2 během příprav na misi Orbcomm-2.

Podvarianty Falcon 9 v1.2 Block 4, Block 5 a další

Během AMA Elona Muska na Redditu v říjnu 2016 jsme se dozvěděli, že existují varianty Falconu 9 s názvy Block 4 a Block 5, které ještě nebyly představeny veřejnosti. Později se z neoficiálních informací zjistilo, že označení Block indikuje poddruhy v rámci jedné varianty. V podstatě se to dá chápat tak, že při první misi varianty v1.2 (Orbcomm-2) letěla raketa ve verzi Block 1, tedy něco jako „v1.2.1“. Později létaly varianty Block 2 a Block 3, které obsahovaly pro nás neznámá vylepšení, a pak CRS-12 byla první misí s raketou ve variantě „v1.2.4“ neboli v1.2 Block 4.

Obecně řečeno, Block 4 je stupínkem na cestě k finální variantě Falconu 9, kterou bude Block 5. Po premiéře Blocku 5 by měl design Falconu 9 už zůstat v podstatě neměnný a vývojový tým SpaceX se místo toho začne soustředit primárně na vývoj nové rakety (BFR).

Start CRS-12, první mise s raketou typu Block 4 (Foto: SpaceX)

Seznam všech změn u variant Block 4 a 5 neexistuje, ale od Gwynne Shotwell víme, že to je nějakých 100 změn. Některé z nich známe, ale mnohdy nevíme, jestli jsou součástí Blocku 4 nebo Blocku 5. Zde je výpis toho nejdůležitějšího:

  • Výrobní vylepšení – Velká část změn bude nejspíše spadat do této kategorie. SpaceX usiluje o levnější, rychlejší a spolehlivější proces výroby a zároveň co nejsnazší proces renovace použitých stupňů, čehož dosáhne právě prostřednictvím mnoha dílčích změn. Mohlo by se jednat o zesílení různých částí, které jevily známky vyšší opotřebovanosti, nahrazení nějakého materiálu jiným, který lépe snáší teplotní rozdíly, má delší životnost apod. SpaceX dlouhodobě usiluje o to, aby raketu bylo možné použít znovu třeba už několik desítek hodin po přistání bez nutnosti složitých inspekcí a oprav.
  • Změny na popud NASA a vlády – Gwynne Shotwell ze SpaceX před časem mluvila o Blocku 5 a poznamenala, že velká část změn této varianty má původ v požadavcích NASA a agentur národní bezpečnosti typu NRO. V případě NASA jde nejspíš hlavně o změny související se získáním certifikace v rámci Commercial Crew, bez které by SpaceX nemohlo vynášet astronauty na ISS. Jednou z potvrzených změn je například zamezení vzniku prasklin na lopatkách turbočerpadel u motorů Merlin.
  • Schopnější druhý stupeň – Podle neoficiálních zdrojů dokáže vylepšený horní stupeň typu Block 4 pobývat na orbitě i několik hodin a během této doby provádět opakované zážehy motoru. To se hodí pro vynášení družic přímo na geostacionární dráhu (místo snazší, ale pomalejší přechodové dráhy).
  • Zvýšený tah motorů – Při testování se zjistilo, že motory Merlin 1D jsou spolehlivě schopné vyššího tahu, než který byl původně považován za maximální možný. Jedná se pouze o softwarovou změnu, která bude mít za následek zhruba 8% zvýšení tahu. Tato plánovaná změna byla několikrát oficiálně potvrzena a měla by být součástí Blocku 4. Block 5 pak podle neoficiálních informací bude disponovat motory s ještě mírně vyšším tahem.
  • Vylepšený heliový systém – Upravené heliové nádrže a vylepšený systém tankování, což by mělo zabránit vzniku podobné situace, která vedla k nehodě Amos-6. A to i v případě rychlého tankování, které se provádí kvůli tomu, aby se podchlazené palivo nestihlo moc ohřát, což vede k jeho rozpínání a tím pádem se ho do rakety vejde méně. To u náročnějších misí může například znemožnit pokus o přistání.
  • Sklápěcí a znovupoužitelné nohy – Současné přistávací nohy není možné po přistání sklopit zpět do svislé polohy, a tak se musejí zcela odmontovat. Zároveň nemají dobrou tepelnou ochranu, takže se nadají snadno použít více než jednou. Nové nohy budou sklopitelné a mělo by být možné je znovu použít. Elon také už v roce 2014 mluvil o tom, že se plánuje úpravu nohou kvůli zvýšení aerodynamického odporu prostřednictvím částečného vyklopení nohou za letu. Vylepšené nohy by mohly tuto funkci plnit, ale možná z tohoto nápadu nakonec sešlo.
  • Znovupoužitelná tepelná ochrana – Tom Mueller ze SpaceX potvrdil, že Block 5 bude disponovat znovupoužitelnou tepelnou ochranou. V současnosti je tepelná ochrana převážně řešena formou ablativních nátěrů a korkového štítu, což je sice levné, ale na druhou stranu to není praktické z hlediska rychlé znovupoužitelnosti.

První stupeň typu Block 5 během testování v McGregoru v únoru 2018 (Foto: Gary Blair / NSF)

A kdy se těchto nových variant dočkáme? Co se týče Blocku 4, tak ten už si premiéru odbyl. V první půlce roku 2017 jsme se dozvěděli, že SpaceX začalo postupně nasazovat horní stupeň typu Block 4 na některé mise (např. Inmarsat 5 F-4). To se projevilo mírně rychlejší tankovací sekvencí, jak potvrdil Hans Koenigsmann na předletové konferenci k misi CRS-11. Při misi CRS-12 pak byl poprvé použit první stupeň typu Block 4.

Kompletní raketa typu Block 5 by se měla dočkat premiéry na jaře 2018. Tato nová varianta však bude podle neoficiálních informací do provozu opět nasazována postupně, takže je možné, že se nejdříve dočkáme misí, které budou disponovat jak komponenty typu Block 4, tak Block 5.

Další informace o Blocku 5 najdete v samostatném článku.

Parametry Falconu 9:

  • Základní cena:
    • 62 milionů (v1.2)
    • 56–61 milionů (v1.1)
    • 50–60 milionů amerických dolarů (v1.0)
  • Nosnost (v režimu bez záchrany 1. stupně):
    • v1.2
      • 22 800 kg na LEO
      • 8300 kg na GTO (v případě záchrany 1. stupně je nosnost zhruba 5,5 tun)
      • 4020 kg k Marsu
    • v1.1
      • 13 150 kg na LEO
      • 4850 kg na GTO
    • v1.0
      • 10 450 kg na LEO
      • 4540 kg na GTO
  • Průměr: 3,66 m

  • Výška (včetně druhého stupně a nákladu):
    • 70 m (v1.2)
    • 68,4 m (v1.1)
    • 54,9 m (v1.0)
  • Hmotnost (s palivem):
    • 549 054 kg (v1.2)
    • 505 846 kg (v1.1)
    • 333 400 kg (v1.0)
  • Tah 1. stupně:
    • 7607 kN (v1.2 Block 5)
    • 6806 kN (v1.2)
    • 5885 kN (v1.1)
    • 4940 kN (v1.0)
  • Tah 2. stupně:
    • 934 kN (v1.2)
    • 801 kN (v1.1)
    • 617 kN (v1.0)
  • Palivo: RP-1 a podchlazený kapalný kyslík

Poznámka: Elon Musk naznačil, že existuje ještě jiný způsob značení variant Falconů. Podrobněji jsem se o tom rozepsal v samostatném článku.

Falcon Heavy

Falcon Heavy je kapitola sama o sobě. Poprvé jsme o něm slyšeli v roce 2005, premiéru měl mít někdy v roce 2012 a nakonec konečně odstartoval v únoru 2018, čímž se stal nejsilnější raketou současnosti.

Falcon Heavy má zdaleka největší nosnost z celé rodiny Falconů a je schopen vynést slušný náklad i mimo Zemi. Koncept Falconu Heavy je jednoduchý – v podstatě se jedná o tři první stupně Falconu 9 smontované k sobě. Raketa disponuje 28 motory Merlin 1D (3 x 9 motorů na spodních stupních a 1 motor na horním stupni).

Více informací o této raketě najdete v samostatném článku Vše o Falconu Heavy.

První start Falconu Heavy (Foto: /u/jardeon)

Zrušené varianty a zajímavosti

  • SpaceX původně plánovalo ještě varianty Falcon 5, Falcon 1e a Falcon 9 Air.
    • Falcon 5 by měl 5 motorů Merlin a byl by mezistupněm mezi Falconem 1 a Falconem 9.
    • Falcon 1e měl být vylepšenou a výkonnější variantou původního Falconu 1, ale nakonec jej zcela nahradil Falcon 9.
    • Falcon 9 Air měla být varianta Falconu 9 optimalizovaná pro start ze speciálního letadla. SpaceX ji plánovalo vyvinout ve spolupráci se společností Stratolaunch Systems, ale ze spolupráce nakonec sešlo.
  • Raketa Falcon je pojmenována po vesmírné lodi Millenium Falcon ze Star Wars.
  • Falcon Heavy měl původně využívat tzv. crossfeed, což je technika distribuce paliva napříč raketovými stupni během letu. Výsledkem je o dost vyšší efektivita a nosnost. Jedná se však o technicky náročné řešení, které dosud nikdo v praxi nevyvinul a SpaceX od tohoto záměru nakonec upustilo.



  • Diskuze

    3 komentáře u "Raketa Falcon a její varianty"

    avatar
      Odebírat  
    nejnovější nejstarší nejlepší
    Nastavit upozorňování na
    Vojtěch Švanda
    Host
    Vojtěch Švanda

    Jen bych chtěl upozornit na chybku v nostnosti verzí v1.0 a v1.1. Hodnoty platí pro v1.1.
    Pro v1.0 pak jsou LEO – 10 450 kg a GTO – 4540 kg, viz odkaz