Falcon 9 v1.1 fue la segunda versión del vehículo de lanzamiento orbital Falcon 9 de SpaceX . El cohete se desarrolló entre 2011 y 2013, realizó su lanzamiento inaugural en septiembre de 2013, [7] y su vuelo final en enero de 2016. [8] El cohete Falcon 9 fue completamente diseñado, fabricado y operado por SpaceX. Después del segundo lanzamiento de Commercial Resupply Services (CRS) , la versión inicial Falcon 9 v1.0 se retiró del uso y se reemplazó por la versión v1.1.
El Falcon 9 v1.1 fue una evolución significativa del Falcon 9 v1.0, con un 60 por ciento más de empuje y peso. Su vuelo inaugural llevó a cabo una misión de demostración con el satélite CASSIOPE el 29 de septiembre de 2013, el sexto lanzamiento general de un Falcon 9. [9]
Ambas etapas del vehículo de dos etapas a órbita usaban oxígeno líquido (LOX) y queroseno de grado cohete (RP-1) como propulsores. [10] El Falcon 9 v1.1 podía elevar cargas útiles de 13.150 kilogramos (28.990 lb) a la órbita terrestre baja , y 4.850 kilogramos (10.690 lb) a la órbita de transferencia geoestacionaria , [1] lo que coloca al diseño del Falcon 9 en el rango de elevación media de los sistemas de lanzamiento. [11]
A partir de abril de 2014, las cápsulas Dragon fueron propulsadas por Falcon 9 v1.1 para entregar carga a la Estación Espacial Internacional bajo el contrato de Servicios de Reabastecimiento Comercial con la NASA. [12] Esta versión también estaba destinada a transportar astronautas a la ISS bajo un contrato de Desarrollo de Tripulación Comercial de la NASA firmado en septiembre de 2014 [13] pero esas misiones ahora están programadas para utilizar la versión mejorada Falcon 9 Full Thrust , que voló por primera vez en diciembre de 2015.
El Falcon 9 v1.1 fue notable por ser pionero en el desarrollo de cohetes reutilizables , con lo que SpaceX fue perfeccionando gradualmente las tecnologías para el impulso de la primera etapa, el reingreso atmosférico , el descenso controlado y el eventual aterrizaje propulsivo . Este último objetivo se logró en el primer vuelo de la variante sucesora Falcon 9 Full Thrust , después de varios éxitos casi totales con el Falcon 9 v1.1.
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El Falcon 9 v1.1 es un vehículo de lanzamiento de dos etapas propulsado por LOX / RP-1 . [10]
El Falcon 9 original realizó cinco lanzamientos orbitales exitosos entre 2010 y 2013, todos ellos llevando la nave espacial Dragon o una versión de prueba de la nave espacial. [14]
El Falcon 9 v1.1 ELV era un cohete un 60 por ciento más pesado y con un 60 por ciento más de empuje que la versión v1.0 del Falcon 9. [15] Incluye motores de primera etapa realineados [16] y tanques de combustible un 60 por ciento más largos, lo que lo hace más susceptible a doblarse durante el vuelo. [15] Los motores se actualizaron de los Merlin 1C a los más potentes Merlin 1D . Estas mejoras aumentaron la capacidad de carga útil en LEO de 10.454 kilogramos (23.047 lb) [17] a 13.150 kilogramos (28.990 lb). [1] El sistema de separación de etapas fue rediseñado y se redujo el número de puntos de sujeción de doce a tres, [15] y el vehículo también tenía aviónica y software mejorados. [15]
La versión v1.1 del cohete propulsor dispuso los motores en una forma estructural que SpaceX llamó Octaweb , con ocho motores dispuestos en un patrón circular alrededor de un único motor central. La versión v1.0 utilizó un patrón rectangular de motores. El patrón Octaweb tenía como objetivo agilizar el proceso de fabricación. [18] Los vehículos posteriores de la versión v1.1 incluyen cuatro patas de aterrizaje extensibles, [19] utilizadas en el programa de pruebas de descenso controlado . [20] [21]
Tras el primer lanzamiento del Falcon 9 v1.1 en septiembre de 2013, que experimentó una falla en el reinicio del motor de la segunda etapa posterior a la misión, las líneas de combustible del encendedor de la segunda etapa se aislaron para soportar mejor el reinicio en el espacio después de las largas fases de costa para las maniobras de trayectoria orbital. [22] El vuelo 6 del Falcon 9 fue el primer lanzamiento del Falcon 9 configurado con un carenado de carga útil desechable . [14]
El Falcon 9 v1.1 utiliza una primera etapa propulsada por nueve motores Merlin 1D . [23] [24] Las pruebas de desarrollo de la primera etapa del Falcon 9 v1.1 se completaron en julio de 2013. [25] [26]
La primera etapa de la v1.1 tiene un empuje total a nivel del mar en el despegue de 5.885 kN (1.323.000 libras-fuerza), con los nueve motores encendidos durante 180 segundos nominales, mientras que el empuje de la etapa aumenta a 6.672 kN (1.500.000 libras-fuerza) a medida que el propulsor sale de la atmósfera. [27] Los nueve motores de la primera etapa están dispuestos en una forma estructural que SpaceX llama Octaweb . Este cambio con respecto a la disposición cuadrada del Falcon 9 v1.0 tiene como objetivo agilizar el proceso de fabricación. [18]
Como parte de los esfuerzos de SpaceX por desarrollar un sistema de lanzamiento reutilizable , las primeras etapas seleccionadas incluyen cuatro patas de aterrizaje extensibles [19] y aletas de rejilla para controlar el descenso. Las aletas se probaron por primera vez en el vehículo de prueba reutilizable F9R Dev-1. [28] Las aletas de rejilla se implementaron en el Falcon 9 v1.1 en la misión CRS-5, [29] pero se quedaron sin fluido hidráulico antes de un aterrizaje planificado. [30]
SpaceX pretende, en última instancia, producir vehículos de lanzamiento reutilizables Falcon 9 y Falcon Heavy con capacidad total de aterrizaje vertical . [20] [21] Las pruebas atmosféricas iniciales de los vehículos prototipo se están llevando a cabo en el vehículo de lanzamiento reutilizable (RLV) experimental Grasshopper , además de las pruebas de aterrizaje y descenso controlados por propulsor descritas anteriormente. [31]
La primera etapa v1.1 utiliza una mezcla pirofórica de trietilaluminio - trietilborano (TEA-TEB) como encendedor de primera etapa, la misma que se utilizó en la versión v1.0. [32]
Al igual que el Falcon 9 v1.0 y la serie Saturn del programa Apollo , la presencia de múltiples motores en la primera etapa puede permitir completar la misión incluso si uno de los motores de la primera etapa falla en pleno vuelo. [33] [34]
Los principales tubos de suministro de propulsor desde los tanques RP-1 y de oxígeno líquido a los nueve motores de la primera etapa tienen un diámetro de 10 cm (4 pulgadas). [35]
La etapa superior está propulsada por un único motor Merlin 1D modificado para funcionar al vacío. [36]
La etapa intermedia, que conecta la etapa superior e inferior del Falcon 9, es una estructura compuesta con núcleo de aluminio y fibra de carbono. [37] Las pinzas de separación y un sistema de empuje neumático separan las etapas. [38] Las paredes y las cúpulas del tanque del Falcon 9 están hechas de aleación de aluminio y litio . [39] SpaceX utiliza un tanque soldado por fricción y agitación , una técnica que minimiza los defectos de fabricación y reduce los costos, según un portavoz de la NASA. [40] El tanque de la segunda etapa del Falcon 9 es simplemente una versión más corta del tanque de la primera etapa y utiliza la mayoría de las mismas herramientas, materiales y técnicas de fabricación. Esto ahorra dinero durante la producción del vehículo. [33]
El diseño del carenado fue completado por SpaceX, con la producción del carenado de carga útil de 13 m (43 pies) de largo y 5,2 m (17 pies) de diámetro en Hawthorne, California . [41]
Las pruebas del nuevo diseño de carenado se completaron en la estación Plum Brook de la NASA en la primavera de 2013, donde se simularon condiciones de choque acústico, vibración mecánica y descarga electrostática electromagnética . Las pruebas se realizaron en un artículo de prueba de tamaño real en una cámara de vacío . SpaceX pagó a la NASA 581.300 dólares estadounidenses para alquilar tiempo de prueba en la instalación de la cámara de simulación de la NASA, que costó 150 millones de dólares. [42]
El primer vuelo de un Falcon 9 v1.1 ( CASSIOPE , septiembre de 2013) fue el primer lanzamiento del Falcon 9 v1.1, así como de la familia Falcon 9 configurada con un carenado de carga útil . El carenado se separó sin incidentes durante el lanzamiento de CASSIOPE, así como en las dos misiones de inserción GTO posteriores. [42] En las misiones Dragon, la cápsula protege a los satélites pequeños, lo que elimina la necesidad de un carenado. [43]
SpaceX utiliza múltiples computadoras de vuelo redundantes en un diseño tolerante a fallas . Cada motor Merlin está controlado por tres computadoras con derecho a voto , cada una de las cuales tiene dos procesadores físicos que se verifican entre sí constantemente. El software se ejecuta en Linux y está escrito en C++ . [44]
Para lograr flexibilidad, se utilizan piezas comerciales listas para usar y un diseño "tolerante a la radiación" en todo el sistema en lugar de piezas reforzadas con radiación . [44] Falcon 9 v1.1 continúa utilizando las computadoras de vuelo triplemente redundantes y la navegación inercial (con superposición de GPS para una mayor precisión de inserción en órbita) que se usaron originalmente en Falcon 9 v1.0. [33]
En abril de 2013 se realizó una prueba del sistema de ignición de la primera etapa del Falcon 9 v1.1. [45] El 1 de junio de 2013, se produjo un disparo de diez segundos de la primera etapa del Falcon 9 v1.1; se esperaba un disparo de duración completa, de 3 minutos, unos días después. [46] [47]
En septiembre de 2013, el espacio total de fabricación de SpaceX había aumentado a casi 1.000.000 de pies cuadrados (93.000 m2 ) y la fábrica había sido configurada para alcanzar una tasa de producción de hasta 40 núcleos de cohetes por año, tanto para el Falcon 9 v1.1 como para el Falcon Heavy de tres núcleos . [48] La tasa de producción de noviembre de 2013 para los vehículos Falcon 9 era de uno por mes. La compañía declaró que esto aumentaría a 18 por año a mediados de 2014, y sería de 24 vehículos de lanzamiento por año para fines de 2014. [22]
A medida que el manifiesto de lanzamiento y la tasa de lanzamiento aumentan en 2014-2016, SpaceX busca aumentar su procesamiento de lanzamiento mediante la construcción de procesos de lanzamiento paralelos de doble vía en la instalación de lanzamiento. A marzo de 2014 [actualizar], proyectaron que tendrían esto en funcionamiento en algún momento de 2015, y apuntaban a un ritmo de lanzamiento de 2015 de aproximadamente dos lanzamientos por mes. [49]
El primer lanzamiento del vehículo Falcon 9 v1.1, sustancialmente mejorado, voló con éxito el 29 de septiembre de 2013. [10] [50]
El lanzamiento inaugural del Falcon 9 v1.1 incluyó una serie de "primeras veces": [4] [51]
SpaceX realizó el decimoquinto y último vuelo del Falcon 9 v1.1 el 17 de enero de 2016. Catorce de esos quince lanzamientos han entregado con éxito sus cargas útiles principales a la órbita terrestre baja o a la órbita de transferencia geoestacionaria .
La única misión fallida del Falcon 9 v1.1 fue su 14.ª, SpaceX CRS-7 , el 28 de junio de 2015, que se perdió durante la operación de su primera etapa, debido a un evento de sobrepresión en el tanque de oxígeno de la segunda etapa. [53] (Después de CRS-7 hubo un lanzamiento final de V1.1, el 17 de enero de 2016, para lanzar la carga útil Jason-3).
La investigación atribuyó el accidente a la falla de un puntal dentro del tanque de oxígeno líquido de la segunda etapa. La NASA concluyó que la causa más probable de la falla del puntal fue un error de diseño: en lugar de utilizar un perno de ojo de acero inoxidable hecho de material de grado aeroespacial, SpaceX eligió un material de grado industrial sin realizar las pruebas y los análisis adecuados y pasó por alto el margen de seguridad recomendado. [54]
El Falcon 9 v1.1 incluye varios aspectos de la tecnología de vehículos de lanzamiento reutilizables incluidos en su diseño, a partir del lanzamiento inicial de la v1.1 en septiembre de 2013 (motores regulables y reiniciables en la primera etapa, un diseño de tanque de primera etapa que puede acomodar estructuralmente la futura adición de patas de aterrizaje, etc.). El lanzamiento del Falcon 9 v1.1 se produjo dos años después de que SpaceX se comprometiera con un programa de desarrollo financiado de forma privada con el objetivo de obtener la reutilización completa y rápida de ambas etapas del vehículo de lanzamiento. [55]
El diseño del sistema para "traer el cohete de vuelta a la plataforma de lanzamiento utilizando sólo propulsores" se completó en febrero de 2012. [56] La tecnología del sistema de lanzamiento reutilizable se está considerando tanto para el Falcon 9 como para el Falcon Heavy, y se considera particularmente adecuada para el Falcon Heavy, donde los dos núcleos externos se separan del cohete mucho antes en el perfil de vuelo y, por lo tanto, se mueven a menor velocidad en la separación de etapas. [56]
SpaceX está probando actualmente una primera etapa reutilizable con el cohete suborbital Grasshopper . [57] En abril de 2013, un vehículo de prueba de demostración de baja altitud y baja velocidad, Grasshopper v1.0, había realizado siete vuelos de prueba VTVL desde finales de 2012 hasta agosto de 2013, incluido un vuelo estacionario de 61 segundos a una altitud de 250 metros (820 pies).
En marzo de 2013, SpaceX anunció que, a partir del primer vuelo de la versión alargada del vehículo de lanzamiento Falcon 9 (Falcon 9 v1.1), que voló en septiembre de 2013, cada primera etapa estaría instrumentada y equipada como un vehículo de prueba de descenso controlado. SpaceX tiene la intención de realizar pruebas de retorno propulsivo sobre el agua y "continuará haciendo tales pruebas hasta que puedan regresar al sitio de lanzamiento y realizar un aterrizaje propulsado. "Esperan varios fracasos antes de 'aprender cómo hacerlo bien'". [20] SpaceX completó múltiples aterrizajes en el agua que fueron exitosos y ahora planean aterrizar la primera etapa del vuelo CRS-5 en un puerto de drones autónomos en el océano. [21]
En abril de 2013 se publicaron fotografías de la primera prueba del sistema de encendido reiniciable para el Falcon 9 reutilizable (el Falcon 9-R), con configuración circular de nueve motores v1.1. [45]
En marzo de 2014, SpaceX anunció que la carga útil GTO del futuro Falcon 9 reutilizable (F9-R), con solo el refuerzo reutilizado, sería de aproximadamente 3500 kg (7700 lb). [58]
Varias misiones del Falcon 9 v1.1 fueron seguidas por vuelos de prueba posteriores a la misión que requerían que el propulsor de la primera etapa ejecutara una maniobra de giro, una quema de refuerzo para reducir la velocidad horizontal del cohete, una quema de reingreso para mitigar el daño atmosférico a velocidad hipersónica, un descenso atmosférico controlado con guía autónoma hasta el objetivo y finalmente una quema de aterrizaje para reducir la velocidad vertical a cero justo antes de llegar al océano o la plataforma de aterrizaje. SpaceX anunció el programa de pruebas en marzo de 2013, y su intención de continuar realizando tales pruebas hasta que puedan regresar al sitio de lanzamiento y realizar un aterrizaje propulsado . [20]
El 29 de septiembre de 2013, la primera etapa del vuelo 6 del Falcon 9 realizó la primera prueba de descenso controlado y aterrizaje propulsivo sobre el agua. [10] Aunque no fue un éxito total, la etapa pudo cambiar de dirección y hacer una entrada controlada a la atmósfera. [10] Durante la última quema de aterrizaje, los propulsores ACS no pudieron superar un giro inducido aerodinámicamente y la fuerza centrífuga privó al motor de aterrizaje de combustible, lo que provocó un apagado prematuro del motor y un amerizaje brusco que destruyó la primera etapa. Se recuperaron fragmentos de los restos para su posterior estudio. [10]
La siguiente prueba, en la que se utilizó la primera etapa del SpaceX CRS-3 , permitió un aterrizaje suave y exitoso en el océano, aunque el cohete se rompió presumiblemente en mares agitados antes de poder recuperarse. [59]
Después de más pruebas de aterrizaje en el océano, la primera etapa del vehículo de lanzamiento CRS-5 intentó aterrizar en una plataforma flotante, la nave espacial autónoma para drones , en enero de 2015. El cohete se guió a sí mismo hacia la nave con éxito, pero aterrizó con demasiada fuerza para sobrevivir. [60] La primera etapa de la misión CRS-6 logró un aterrizaje suave en la plataforma; sin embargo, el exceso de velocidad lateral hizo que se volcara rápidamente y explotara. [61] Elon Musk, director ejecutivo de SpaceX, indicó que una válvula de aceleración del motor estaba atascada y no respondió lo suficientemente rápido para lograr un aterrizaje suave. [62]
El Falcon 9 v1.1 nunca se recuperó ni se reutilizó con éxito hasta su retiro. Sin embargo, el programa de pruebas continuó con los vuelos a toda potencia del Falcon 9 , que lograron el primer aterrizaje en tierra en diciembre de 2015 y el primer aterrizaje en barco en abril de 2016.
Los cohetes Falcon 9 v1.1 se lanzaron desde el complejo de lanzamiento 40 de la estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral y desde el complejo de lanzamiento 4E de la base aérea de Vandenberg . El sitio de Vandenberg se utilizó tanto para el vuelo inaugural del v1.1 el 29 de septiembre de 2013 [10] como para su última misión el 17 de enero de 2016.
Los sitios de lanzamiento adicionales en la plataforma A del Complejo de Lanzamiento 39 del Centro Espacial Kennedy y Boca Chica , en el sur de Texas, lanzarán las variantes sucesoras del cohete Falcon 9 Full Thrust y Falcon Heavy .
En octubre de 2015 , el precio[actualizar] de lanzamiento comercial del Falcon 9 v1.1 fue de 61,2 millones de dólares (frente a los 56,5 millones de dólares en octubre de 2013) [1] compitiendo por lanzamientos comerciales en un mercado cada vez más competitivo . [63]
Las misiones de reabastecimiento de la NASA a la ISS (que incluyen el suministro de la carga útil de la cápsula espacial, una nueva nave espacial de carga Dragon para cada vuelo) tuvieron un precio promedio de 133 millones de dólares. [64] Los primeros doce vuelos de transporte de carga contratados con la NASA se realizaron de una sola vez, por lo que no se refleja ningún cambio de precio para los lanzamientos v1.1 en comparación con los lanzamientos v1.0. El contrato era para una cantidad específica de carga transportada y devuelta desde la Estación Espacial en un número fijo de vuelos.
SpaceX afirmó que debido a los costos del proceso de garantía de la misión, los lanzamientos para el ejército de los EE. UU. tendrían un precio aproximadamente un 50% más alto que los lanzamientos comerciales, por lo que el lanzamiento de un Falcon 9 se vendería por alrededor de 90 millones de dólares al gobierno de los EE. UU., en comparación con un costo promedio para el gobierno de los EE. UU. de casi 400 millones de dólares para los lanzamientos actuales que no son de SpaceX. [65]
Los servicios de carga útil del Falcon 9 incluyen la conexión de carga útil secundaria y terciaria a través de un anillo ESPA , el mismo adaptador entre etapas utilizado por primera vez para lanzar cargas útiles secundarias en misiones del Departamento de Defensa de los EE. UU. que utilizan los vehículos de lanzamiento desechables evolucionados (EELV) Atlas V y Delta IV . Esto permite misiones secundarias e incluso terciarias con un impacto mínimo en la misión original. A partir de 2011 [actualizar], SpaceX anunció los precios de las cargas útiles compatibles con ESPA en el Falcon 9. [66]
{{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )"Falcon 9 transportará satélites de hasta aproximadamente 3,5 toneladas, con reutilización total de la etapa de impulso, y Falcon Heavy transportará satélites de hasta 7 toneladas con reutilización total de las tres etapas de impulso", dijo [Musk], refiriéndose a los tres núcleos de refuerzo Falcon 9 que conformarán la primera etapa del Falcon Heavy. También dijo que Falcon Heavy podría duplicar su rendimiento de carga útil para
GTO
"si, por ejemplo, nos volviéramos prescindibles en el núcleo central".
SpaceX ... desarrolló precios para volar esas cargas útiles secundarias ... Un P-POD costaría entre $ 200.000 y $ 325.000 para misiones a LEO, o $ 350.000 a $ 575.000 para misiones a órbita de transferencia geosincrónica (GTO). Un satélite de clase ESPA que pesa hasta 180 kilogramos costaría $ 4-5 millones para misiones LEO y $ 7-9 millones para misiones GTO, dijo.
