Raketa Falcon a její varianty

Falcon 1 Falcon 9 v1.0 Falcon 9 v1.1 Falcon 9 v1.2 Falcon Heavy

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 (Autor: Lucabon / Wikipedia)

Falcon 1

Druhý start Falconu 1 (Foto: SpaceX)

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.

Parametry:

  • Cena6–7 milionů amerických dolarů
  • Nosnost na LEO: 420 kg (Merlin 1A), 470 kg (Merlin 1C)
  • Výška: 21,3 m (včetně druhého stupně a nákladu)
  • Průměr: 1,7 m
  • Hmotnost (s palivem): 27,2 tun (Merlin 1A), 33,23 tun (Merlin 1C)
  • Tah 1. stupně: 318 kN (Merlin 1A), 343 kN (Merlin 1C)
  • Tah 2. stupně: 31 kN
  • Palivo: RP-1 a podchlazený kapalný kyslík

Falcon 9 v1.0

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 v1.0 na rampě před misí COTS-2 (Foto: SpaceX)

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

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.

Falcon 9 na rampě před startem CRS-3 (Foto: SpaceX)

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.

Musk upřesnil, že první stupeň představuje 60 % celkové ceny rakety, druhý stupeň zhruba 20 %, aerodynamický kryt 10 % a vše ostatní včetně paliva dalších 10 %.

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).

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:

Porovnání Blocku 4 a Blocku 5 (Foto: Chris Gebhardt / K. Scott Piel)

  • 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 – Vylepšený horní stupeň typu Block 4 dokáže pobývat na orbitě i několik hodin a během této doby provádět opakované zážehy motoru. To se hodí v případě Falconu Heavy pro vynášení družic přímo na geostacionární dráhu (místo snazší, ale pomalejší přechodové dráhy). Druhý stupeň také nově disponuje speciálním zařízením, které brání vzniku vírů v nádržích.
  • 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 má 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 disppnuje motory s ještě mírně vyšším tahem (konkrétně 845 kN na hladině moře a 978 kN v případě vakuové verze motoru).
  • 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 nedají snadno použít opakovaně. Nové nohy budou sklopitelné a mělo by být možné je okamžitě použít znovu díky tepelné ochraně. Po zavedení Blocku 5 do provozu však nohy byly z neznámého důvodu stále odmontovávány, i když se někdy dělaly experimenty s jejich sklápěním.
  • Šroubovaný octaweb – Další výraznou změnou je vylepšení kontrukce zvané octaweb, což je hlavní nosný prvek ve spodní části rakety, ve kterém jsou umístěny motory. Octaweb je nově vyroben z tužšího hliníku (řada 7000 místo 2000) a také už nejsou jeho díly svařeny, ale sešroubovány, což usnadňuje výrobu a inspekci. Octaweb je také vybaven tepelnou ochranou, aby se neroztavil třeba při vznícení motoru. Každý motor má navíc vlastní ochranný oddíl, takže i když motor selže, nemělo by to mít vliv na okolní motory.
  • Znovupoužitelná tepelná ochrana – Tom Mueller ze SpaceX potvrdil, že Block 5 bude disponovat znovupoužitelnou tepelnou ochranou. U předchozích Blocků byla 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. Block 5 má na nohách a mezistupni černou tepelnou ochranu z plstěného materiálu, který nevyžaduje nátěr a odpuzuje vodu. Motorová sekce pak má vylepšený tepelný štít – původní kompozitní struktura byla nahrazena titanem a také je nově aktivně chlazena vodou. Štít je navíc vybaven tepelně odolnými dlaždicemi.
  • Titanová roštová kormidla – Vyšší tepelnou odolnost mají také titanová roštová kormidla, která na rozdíl od starých hliníkových snesou teplotu až 1000 °C a mezi starty s nimi není potřeba nic dělat. Zároveň díky vylepšenému tvaru umožňují větší ovladatenost.
  • Vylepšená avionika – Block 5 má upgradovaný letový počítač, pokročilejší inerciální měřící systém, vylepšené řízení motorů a vše je odolnější vůči chybám a selháním.

Falcon 9 Block 5 na rampě LC-39A před startem mise Bangabandhu-1 (Foto: SpaceX)

Block 4 si premiéru odbyl v první půlce roku 2017, když 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 se dočkala premiéry v květnu 2018 při misi Bangabandhu-1.

Další informace o Blocku 5 najdete v samostatném článku.

Parametry Falconu 9:

  • Základní cena (v amerických dolarech):
    • 62 milionů (v1.2 s novým stupněm)
    • 50 milionů (v1.2 s použitým stupněm)
    • 56–61 milionů (v1.1)
    • 50–60 milionů (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 na ASDS je nosnost zhruba 5,5 tuny; v případě přistání na pevnině pak 3,5 tuny)
      • 4020 kg k Marsu
    • v1.1
      • 13 150 kg na LEO
      • 4850 kg na GTO
    • v1.0
      • cca 9000 kg na LEO
      • cca 3400 kg na GTO
  • Průměr: 3,66 m

  • Výška (včetně druhého stupně a aerodynamického krytu):
    • 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 (na hladině moře):
    • 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.

Falcon Heavy na rampě LC-39A v prosinci 2017 (Foto: SpaceX)

Zrušené varianty a zajímavosti

  • SpaceX původně plánovalo ještě varianty Falcon 5, Falcon 1e a Falcon 9 Air. Více informací najdete v podrobném článku.
    • 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. Více informací najdete v podrobném článku.



6
Diskuze

avatar
  Odebírat komentáře  
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

Damel
Host
Damel

Chcete vidět Falcon 9 v životní velikosti a máte trochu představivosti?

Komíny o stejné výšce, jakou má kompletní Falcon 9:
http://koda.kominari.cz/?search=70m&action=pregiomapy#49.482959,17.318115,8,pVtsikc,

Komíny o stejný výšce, jakou má přistávající první stupeň Falconu 9:
http://koda.kominari.cz/?search=47m&action=pregiomapy#49.482959,17.318115,8,pVtsikc,
http://koda.kominari.cz/?search=48m&action=pregiomapy#49.445398,17.318115,8,pVtsikc,

Viktor F
Host
Viktor F

Ahoj, jen bych chtěl vnést trochu jasno do oněch Blocků. V textu je mylně uvedeno, že Block 1 a Block 2 jsou součástí verze F9 v1.2 FT . Pravxou je, že z hlediska značení je název F9 v1.0 totožný s F9 Block 1 (označení se převážně nepoužívalo), dále F9 v1.1 totožný s F9 Block 2 (nepoužívalo se) a konečně finální verze F9 v1.2 Full Thurst je právě díky následným “malým” změnám už rozčleněna a oficiálně značena jako F9 Block 3 (zde se většinou ještě používá původní označení F9 Full Thurst jelikož původně mělo jít o finální verzi, což jak je v textu zmíněno nebyla nakonec pravda a následovaly menší modifikace), F9 Block 4 a F9 Block 5 (zde by bylo správné celé označení F9 v1.2 Block 5 , které se v tomto formátu vyskytuje jen zřídka)