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 íntegramente diseñado, fabricado y operado por SpaceX. Tras el segundo lanzamiento de los Servicios de Reabastecimiento Comercial (CRS) , la versión inicial Falcon 9 v1.0 fue retirada del uso y reemplazada por la versión v1.1.
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 cualquier Falcon 9. [9]
Ambas etapas del vehículo de dos etapas a órbita utilizaron propulsores de oxígeno líquido (LOX) y queroseno apto para cohetes (RP-1). [10] El Falcon 9 v1.1 podría 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 el diseño del Falcon 9 en la órbita de elevación media. gama de 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 en virtud del contrato de Servicios de Reabastecimiento Comercial con la NASA. [12] Esta versión también estaba destinada a transportar astronautas a la ISS en virtud de 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 , volada por primera vez en diciembre de 2015.
Falcon 9 v1.1 se destacó por ser pionero en el desarrollo de cohetes reutilizables , mediante el cual SpaceX perfeccionó gradualmente las tecnologías para el impulso de primera etapa, el reingreso atmosférico , el descenso controlado y el eventual aterrizaje propulsor . Este último objetivo se logró en el primer vuelo de la variante sucesora Falcon 9 Full Thrust , después de varios casi éxitos con 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 con 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 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 hace que Es más susceptible a doblarse durante el vuelo. [15] Los motores se actualizaron del Merlin 1C a los motores Merlin 1D más potentes . Estas mejoras aumentaron la capacidad de carga útil a LEO de 10.454 kilogramos (23.047 lb) [17] a 13.150 kilogramos (28.990 lb). [1] El sistema de separación de escenarios fue rediseñado y redujo el número de puntos de conexión de doce a tres, [15] y el vehículo también tenía aviónica y software mejorados. [15]
La versión propulsora v1.1 dispuso los motores en una forma estructural de SpaceX llamada Octaweb , con ocho motores dispuestos en un patrón circular alrededor de un único motor central. La v1.0 utilizó un patrón rectangular de motores. El patrón Octaweb tenía como objetivo agilizar el proceso de fabricación. [18] Los vehículos v1.1 posteriores incluyen cuatro patas de aterrizaje extensibles, [19] utilizadas en el programa de prueba 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 propulsoras del encendedor de la segunda etapa se aislaron para soportar mejor el reinicio en el espacio luego de largas fases costeras para la órbita. maniobras de trayectoria. [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 v1.1 tiene un empuje total al nivel del mar en el momento del despegue de 5.885 kN (1.323.000 libras de 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 de fuerza) como 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 para 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] Se implementaron aletas de rejilla en el Falcon 9 v1.1 en la misión CRS-5, [29] pero se quedaron sin fluido hidráulico antes de un aterrizaje planificado. [30]
En última instancia, SpaceX tiene la intención de producir vehículos de lanzamiento reutilizables Falcon 9 y Falcon Heavy con capacidad total de aterrizaje vertical . [20] [21] Las pruebas atmosféricas iniciales de vehículos prototipo se están llevando a cabo en el vehículo de lanzamiento reutilizable (RLV) demostrador de tecnología experimental Grasshopper , además de las pruebas de aterrizaje y descenso controlado con propulsor descritas anteriormente. [31]
La primera etapa v1.1 utiliza una mezcla pirofórica de trietilaluminio - trietilborano (TEA-TEB) como encendedor de primera etapa, el mismo que se usó 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 de 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 el RP-1 y los tanques de oxígeno líquido a los nueve motores de la primera etapa tienen 10 cm (4 pulgadas) de diámetro. [35]
La etapa superior está propulsada por un único motor Merlin 1D modificado para funcionamiento en 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] Pinzas de separación y un sistema de empuje neumático separan las etapas. [38] Las paredes y las cúpulas del tanque Falcon 9 están hechas de una 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 segunda etapa del Falcon 9 es simplemente una versión más corta del tanque de 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 del carenado se completaron en las instalaciones de 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 completo en una cámara de vacío . SpaceX pagó a la NASA 581.300 dólares para alquilar tiempo de prueba en las instalaciones de la cámara de simulación de la NASA, valoradas en 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 posteriores de inserción del GTO. [42] En las misiones Dragon, la cápsula protege los satélites pequeños, eliminando 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 de votación , cada una de las cuales tiene dos procesadores físicos que se controlan constantemente entre sí. El software se ejecuta en Linux y está escrito en C++ . [44]
Para mayor flexibilidad, se utilizan piezas comerciales disponibles en el mercado y un diseño "tolerante a la radiación" para todo el sistema en lugar de piezas endurecidas por radiación . [44] Falcon 9 v1.1 continúa utilizando las computadoras de vuelo con triple redundancia y navegación inercial (con superposición de GPS para una precisión de inserción orbital adicional) que se usaron originalmente en el Falcon 9 v1.0. [33]
En abril de 2013 se realizó una prueba del sistema de encendido 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; Unos días después se esperaba un disparo de duración completa de 3 minutos. [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 m 2 ) y la fábrica se había configurado 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 vehículos Falcon 9 fue 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 las instalaciones de lanzamiento. En marzo de 2014 [actualizar], proyectaron que tendrían esto en funcionamiento en algún momento de 2015, y apuntaban a un ritmo de lanzamiento para 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 de Falcon 9 v1.1 incluyó una serie de "primicias": [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 entregaron con éxito sus cargas útiles principales a la órbita terrestre baja o a la órbita de transferencia geosincrónica .
La única misión fallida del Falcon 9 v1.1 fue la número 14, SpaceX CRS-7 , el 28 de junio de 2015, que se perdió durante su operación de 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 rastreó el accidente hasta 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 usar un cáncamo de acero inoxidable hecho de material de grado aeroespacial, SpaceX eligió un material de grado industrial sin pruebas ni pruebas adecuadas y pasó por alto el margen de seguridad recomendado. . [54]
El Falcon 9 v1.1 incluye varios aspectos de la tecnología de vehículo de lanzamiento reutilizable incluida en su diseño, a partir del lanzamiento inicial de la v1.1 en septiembre de 2013 (motores acelerables y reiniciables en la primera etapa, un diseño de tanque de primera etapa que puede acomodar estructuralmente la futura incorporación 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 con fondos privados con el objetivo de obtener una reutilización completa y rápida de ambas etapas del vehículo de lanzamiento. [55]
El diseño del sistema para "llevar el cohete de regreso a la plataforma de lanzamiento usando solo 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 una velocidad más lenta en la separación de etapas. [56]
SpaceX está probando ahora en vuelo una primera etapa reutilizable con el cohete suborbital Grasshopper . [57] En abril de 2013, un vehículo de prueba de demostración a 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 extendida del vehículo de lanzamiento Falcon 9 (Falcon 9 v1.1), que voló en septiembre de 2013, cada primera etapa estaría instrumentada y equipada como una prueba de descenso controlado. vehículo. SpaceX tiene la intención de realizar pruebas de retorno de propulsión sobre el agua y "continuará realizando dichas pruebas hasta que puedan regresar al sitio de lanzamiento y realizar un aterrizaje motorizado. "Esperan varias fallas antes de 'aprender cómo hacerlo bien'". [20] SpaceX completó múltiples aterrizajes en el agua que tuvieron éxito y ahora planean aterrizar la primera etapa del vuelo CRS-5 en un puerto autónomo para drones 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 de motor 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 propulsor 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 exigían que el propulsor de la primera etapa ejecutara una maniobra de giro, un impulso de retroceso para reducir la velocidad horizontal del cohete, un encendido de reentrada para mitigar el daño atmosférico en velocidad hipersónica, un descenso atmosférico controlado con guía autónoma hacia el objetivo y finalmente un aterrizaje para reducir la velocidad vertical a cero justo antes de llegar al océano o a la plataforma de aterrizaje. SpaceX anunció el programa de pruebas en marzo de 2013 y su intención de continuar realizando dichas pruebas hasta que puedan regresar al sitio de lanzamiento y realizar un aterrizaje motorizado . [20]
La primera etapa del vuelo 6 del Falcon 9 realizó la primera prueba de descenso controlado y aterrizaje propulsor sobre el agua el 29 de septiembre de 2013. [10] Aunque no fue un éxito total, la etapa pudo cambiar de dirección y realizar una entrada controlada en la atmósfera. . [10] Durante el encendido final del 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 temprano del motor y un fuerte amerizaje que destruyó la primera etapa. Se recuperaron fragmentos de los restos para su posterior estudio. [10]
La siguiente prueba, utilizando la primera etapa de SpaceX CRS-3 , condujo a un aterrizaje suave exitoso en el océano, sin embargo, es de suponer que el propulsor se rompió en mar embravecido antes de que pudiera ser recuperado. [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, el barco autónomo del puerto espacial , en enero de 2015. El cohete se guió hasta el barco 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 y explotara rápidamente. [61] El director ejecutivo de SpaceX, Elon Musk, indicó que una válvula de mariposa del motor estaba atascada y no respondió lo suficientemente rápido para lograr un aterrizaje suave. [62]
Falcon 9 v1.1 nunca se recuperó ni reutilizó con éxito hasta su retiro. Sin embargo, el programa de pruebas continuó con los vuelos del Falcon 9 Full Thrust , que lograron el primer aterrizaje en tierra en diciembre de 2015 y el primer aterrizaje en un barco en abril de 2016.
Los cohetes Falcon 9 v1.1 se lanzaron desde el Complejo de Lanzamiento 40 en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral y desde el Complejo de Lanzamiento 4E en la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg . El sitio de Vandenberg se utilizó tanto para el vuelo inaugural 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 del Centro Espacial Kennedy 39 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 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 y 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 al mismo tiempo, por lo que no se refleja ningún cambio de precio para los lanzamientos v1.1 a diferencia de los lanzamientos v1.0. El contrato era por una cantidad específica de carga transportada hacia y desde la Estación Espacial en un número fijo de vuelos.
SpaceX declaró que debido a los costos del proceso de garantía de la misión, los lanzamientos para el ejército de EE. UU. tendrían un precio aproximadamente un 50 % más alto que los lanzamientos comerciales, por lo que un lanzamiento de Falcon 9 se vendería por alrededor de $90 millones al gobierno de EE. UU., en comparación con un costo promedio para EE. UU. gobierno de casi 400 millones de dólares para lanzamientos actuales que no sean de SpaceX. [sesenta y cinco]
Los servicios de carga útil del Falcon 9 incluyen 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 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 el precio de las cargas útiles compatibles con ESPA en el Falcon 9. [66]
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: URL no apta ( enlace )"Falcon 9 fabricará satélites de hasta aproximadamente 3,5 toneladas, con total reutilización de la etapa de impulso, y Falcon Heavy fabricará satélites de hasta 7 toneladas con total reutilización de las tres etapas de impulso", dijo [Musk], refiriéndose a las tres Núcleos de refuerzo del 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, fuéramos prescindibles en el núcleo central".
SpaceX... desarrolló precios para volar esas cargas útiles secundarias... Un P-POD costaría entre 200.000 y 325.000 dólares para misiones a LEO, o 350.000 a 575.000 dólares para misiones a órbita de transferencia geosincrónica (GTO). Un satélite de clase ESPA que pese hasta 180 kilogramos costaría entre 4 y 5 millones de dólares para las misiones LEO y entre 7 y 9 millones de dólares para las misiones GTO, dijo.
