Falcon 9 Full Thrust


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Falcon 9 Full Thrust (también conocido como Falcon 9 v1.2 , con variantes Block 1 a Block 5) es un vehículo de lanzamiento de elevación media parcialmente reutilizable , diseñado y fabricado por SpaceX . Diseñado en 2014–2015, Falcon 9 Full Thrust comenzó sus operaciones de lanzamiento en diciembre de 2015. Al 29 de agosto de 2021, Falcon 9 Full Thrust había realizado 104 lanzamientos sin fallas. Basado en la estimación puntual de confiabilidad de Lewis, este cohete es el vehículo de lanzamiento orbital más confiable actualmente en operación. [8]

El 8 de abril de 2016, la versión Full Thrust de la familia Falcon 9 fue el primer vehículo de lanzamiento en una trayectoria orbital en aterrizar verticalmente con éxito en una primera etapa . El aterrizaje siguió a un programa de desarrollo tecnológico realizado entre 2013 y 2015. Algunos de los avances tecnológicos necesarios, como las patas de aterrizaje, fueron pioneros en la versión Falcon 9 v1.1, pero esa versión nunca aterrizó intacta. A partir de 2017, los propulsores de primera etapa volados anteriormente se reutilizaron para poner en órbita nuevas cargas útiles. [9] [10]Esto se convirtió rápidamente en una rutina, en 2018 y en 2019 más de la mitad de todos los vuelos de Falcon 9 reutilizaron un refuerzo. En 2020, la fracción de refuerzos reutilizados aumentó al 81%.

Falcon 9 Full Thrust es una mejora sustancial con respecto al anterior cohete Falcon 9 v1.1 , que voló su última misión en enero de 2016. Con motores mejorados de primera y segunda etapa, un tanque de propulsor de segunda etapa más grande y densificación de propulsor, el El vehículo puede transportar cargas útiles sustanciales a la órbita geoestacionaria y realizar un aterrizaje propulsivo para su recuperación. [11]

Diseño

Lanzamiento del Falcon 9 Full Thrust el 4 de marzo de 2016. La primera etapa descartada está en la parte inferior derecha. La segunda etapa está en la parte superior izquierda, con las dos partes del carenado de carga útil desechadas.

Un objetivo principal del nuevo diseño era facilitar la reutilización del refuerzo para una gama más amplia de misiones, incluida la entrega de grandes satélites de comunicación a la órbita geosincrónica . [12]

Al igual que las versiones anteriores del Falcon 9, y al igual que la serie Saturn del programa Apollo , la presencia de varios motores de primera etapa puede permitir la finalización de la misión incluso si uno de los motores de la primera etapa falla en pleno vuelo. [13]

Modificaciones de Falcon 9 v1.1

La tercera versión del Falcon 9 se desarrolló en 2014-2015 y realizó su primer vuelo en diciembre de 2015. El Falcon 9 Full Thrust es una variante reutilizable modificada de la familia Falcon 9 con capacidades que superan al Falcon 9 v1.1, incluido el capacidad de "aterrizar la primera etapa para misiones de órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) en el barco de drones " [14] [15] El cohete fue diseñado utilizando sistemas y tecnología de software que se había desarrollado como parte del programa de desarrollo del sistema de lanzamiento reutilizable de SpaceX , una iniciativa privada de SpaceX para facilitar la rápida reutilización de la primera, y a largo plazo, la segunda etapa de los vehículos de lanzamiento de SpaceX. [16] Se probaron varias tecnologías en elDemostrador de tecnología Grasshopper , así como varios vuelos del Falcon 9 v1.1 en los que se estaban realizando pruebas de descenso controlado de impulsores posteriores a la misión . [17]

En 2015, SpaceX realizó una serie de modificaciones al Falcon 9 v1.1 existente. El nuevo cohete se conocía internamente como Falcon 9 Full Thrust, [18] y también se conoce como Falcon 9 v1.2, Enhanced Falcon 9, Full-Performance Falcon 9, [14] y Falcon 9 Upgrade. [19]

Un objetivo principal del nuevo diseño era facilitar la reutilización del refuerzo para una gama más amplia de misiones, incluida la entrega de grandes satélites de comunicación a la órbita geosincrónica . [12]

Las modificaciones en la versión mejorada incluyen:

  • oxígeno líquido subenfriado a 66,5 K (−206,7 ° C; 119,7 ° R; −340,0 ° F) y RP-1 enfriado a 266,5 K (−6,6 ° C; 479,7 ° R; 20,0 ° F) [20] para densidad (permitiendo más combustible y oxidante para almacenar en un volumen de tanque dado, además de aumentar el flujo másico de propulsor a través de las turbobombas aumentando el empuje)
  • estructura mejorada en la primera etapa [19] [21]
  • tanques de propulsante de segunda etapa más largos [19]
  • más largo y más fuerte entre etapas , que alberga la segunda tobera de motor de la etapa, las aletas de la rejilla, y propulsores de actitud [19] [21]
  • empujador central añadido para la separación de la etapa [19]
  • evolución del diseño de las aletas de la rejilla [19] [21]
  • Octaweb modificado [19]
  • patas de aterrizaje mejoradas [19] [21]
  • El empuje del motor Merlin 1D aumentó [19] a la variante de empuje completo del Merlin 1D , aprovechando los propulsores más densos logrados por el subenfriamiento .
  • El empuje de vacío del Merlin 1D aumentó subenfriando los propulsores. [19]
  • varios pequeños esfuerzos de reducción de masa. [22]

El diseño modificado ganó 1,2 metros adicionales de altura, extendiéndose exactamente a 70 metros, incluido el carenado de carga útil, [13] al tiempo que obtuvo un aumento general del rendimiento del 33 por ciento. [19] El nuevo motor de primera etapa tiene una relación empuje-peso mucho mayor.

El propulsor de primera etapa de empuje completo podría alcanzar la órbita terrestre baja como una etapa única a órbita si no lleva la etapa superior y un satélite pesado. [23]

Las versiones lanzadas en 2017 han incluido un sistema de recuperación experimental para las mitades del carenado de carga útil. El 30 de marzo de 2017, SpaceX recuperó por primera vez un carenado de la misión SES-10 , gracias a los propulsores y un paracaídas orientable que lo ayudaba a deslizarse hacia un aterrizaje suave en el agua. [24]

En el vuelo del 25 de junio de 2017 ( Iridium NEXT 11-20), las aletas de rejilla de aluminio fueron reemplazadas por versiones de titanio, para mejorar la autoridad de control y hacer frente mejor al calor durante el reingreso . [25] Tras las inspecciones posteriores al vuelo, Elon Musk anunció que las nuevas aletas de rejilla probablemente no requerirán servicio entre vuelos. [26]

Sistema autónomo de terminación de vuelos

SpaceX ha estado desarrollando durante algún tiempo un sistema autónomo alternativo para reemplazar los sistemas tradicionales basados ​​en tierra que se habían utilizado para todos los lanzamientos de EE. UU. Durante más de seis décadas. El sistema autónomo se ha utilizado en algunos de los vuelos de prueba suborbitales VTVL de SpaceX en Texas, y ha volado en paralelo en varios lanzamientos orbitales como parte de un proceso de prueba del sistema para obtener la aprobación para su uso en vuelos operativos.

En febrero de 2017, el lanzamiento del CRS-10 de SpaceX fue el primer lanzamiento operativo que utilizó el nuevo Sistema de seguridad de vuelo autónomo (AFSS) en "cualquiera de los rangos este o oeste del Air Force Space Command ". El siguiente vuelo de SpaceX, EchoStar 23en marzo, fue el último lanzamiento de SpaceX que utilizó el sistema histórico de radares terrestres, computadoras de rastreo y personal en búnkeres de lanzamiento que se había utilizado durante más de sesenta años para todos los lanzamientos desde la Cordillera Oriental. Para todos los futuros lanzamientos de SpaceX, AFSS ha reemplazado "el personal y el equipo de control de vuelo de la misión con base en tierra por fuentes y lógica de decisión de posicionamiento, navegación y sincronización a bordo. Los beneficios de AFSS incluyen mayor seguridad pública, menor dependencia de la infraestructura de alcance, reducción de rango de costos de desplazamiento espacial, mayor previsibilidad y disponibilidad del cronograma, flexibilidad operativa y flexibilidad de la ranura de lanzamiento ". [27] [28]

Bloque 4

En 2017, SpaceX comenzó a implementar cambios incrementales en la versión Falcon 9 Full Thrust, llamándolos "Bloque 4". [29] Al principio, solo la segunda etapa se modificó a los estándares del Bloque 4, volando sobre una primera etapa del "Bloque 3" para tres misiones: NROL -76 e Inmarsat-5 F4 en mayo de 2017 e Intelsat 35e en julio. [30] El bloque 4 se describió como una transición entre el "Bloque 3" de Full Thrust v1.2 y el siguiente Bloque 5 de Falcon 9 . Incluye actualizaciones incrementales de empuje del motor que conducen al empuje final para el Bloque 5. [31] El vuelo inaugural del diseño completo del Bloque 4 (primera y segunda etapas) fue la misión CRS-12 de la NASA el 14 de agosto de 2017.[32]

Bloque 5

SpaceX anunció en 2017 que se estaba desarrollando otra serie de mejoras incrementales, una versión Falcon 9 Block 5 , que ha sucedido al Block 4 de transición. Los cambios más grandes entre Block 3 y Block 5 son un mayor empuje en todos los motores y mejoras en el aterrizaje. piernas. En pocas ocasiones, se agrega un remolcador espacial SHERPA al cohete, lo que lo convierte en un vehículo de lanzamiento de tres etapas a órbita parcialmente reutilizable . Además, numerosos pequeños cambios ayudarán a agilizar la recuperación y la reutilización de los impulsores de la primera etapa.. Las alteraciones se centran en aumentar la velocidad de producción y la eficiencia de la reutilización. SpaceX tiene como objetivo volar cada refuerzo del Bloque 5 diez veces con solo inspecciones intermedias, y hasta 100 veces con renovación. [33] [34]

Especificaciones del cohete

Las especificaciones y características del Falcon 9 Full Thrust son las siguientes: [13] [30] [35]

El Falcon 9 empuje completo utiliza un medidor de 4,5 de largo [35] entre etapas que es más largo y más fuerte que el Falcon 9 v1.1 entre etapas. Es una " estructura compuesta que consta de un núcleo de nido de abeja de aluminio rodeado por una capa de fibra de carbono ". [13] La longitud total del vehículo en el lanzamiento es de 70 metros y la masa total de combustible es de 549.000 kg. [35] La aleación de aluminio-litio utilizada es 2195-T8 . [37]

El vehículo mejorado Falcon 9 Full Thrust "incluye sistemas de recuperación de primera etapa , para permitir que SpaceX devuelva la primera etapa al sitio de lanzamiento después de completar los requisitos de la misión principal. Estos sistemas incluyen cuatro patas de aterrizaje desplegables , que están bloqueadas contra la primera etapa tanque durante el ascenso. El exceso de propulsor reservado para las operaciones de recuperación de la primera etapa del Falcon 9 se desviará para su uso en el objetivo principal de la misión, si es necesario, asegurando márgenes de rendimiento suficientes para misiones exitosas ". [13] La capacidad de carga útil nominal a una órbita de transferencia geoestacionaria es de 5500 kg con la primera etapa de recuperación (el precio por lanzamiento es de 62 millones de dólares EE.UU.), frente a los 8300 kg con una primera etapa prescindible. [35]

Historia de desarrollo

Cohete Falcon 9 Full Thrust con la nave espacial SpaceX CRS-8 Dragon en la plataforma de lanzamiento en abril de 2016

Desarrollo

Ya en marzo de 2014, las especificaciones de carga útil y precios de SpaceX publicadas para el cohete desechable Falcon 9 v1.1 en realidad incluían aproximadamente un 30 por ciento más de rendimiento de lo que indicaba la lista de precios publicada. En ese momento, el rendimiento adicional se reservó para que SpaceX realizara pruebas de reutilización con Falcon 9 v1.1 sin dejar de lograr las cargas útiles especificadas para los clientes. Se habían realizado muchos cambios de ingeniería para admitir la reutilización y la recuperación de la primera etapa en esta versión anterior v1.1. SpaceX indicó que tenían espacio para aumentar el rendimiento de la carga útil del Falcon 9 Full Thrust, o disminuir el precio de lanzamiento, o ambos. [38]

En 2015, SpaceX anunció una serie de modificaciones a la versión anterior del vehículo de lanzamiento Falcon 9 v1.1 . El nuevo cohete fue conocido internamente por un tiempo como Falcon 9 v1.1 Full Thrust , [18] pero también fue conocido bajo una variedad de nombres incluyendo Falcon 9 v1.2 , [39] Enhanced Falcon 9 , Full-Performance Falcon 9 , [14] Actualización Falcon 9 , [40] y Falcon 9 Upgrade . [19] [41] Desde el primer vuelo de la "actualización completa", SpaceX se ha referido a esta versión simplemente como Falcon 9 . [42]

La presidenta de SpaceX, Gwynne Shotwell, explicó en marzo de 2015 que el nuevo diseño daría como resultado una producción optimizada y un rendimiento mejorado: [15]

Entonces, obtuvimos los motores de mayor empuje, terminamos el desarrollo en eso, estamos en [pruebas de calificación]. Lo que también estamos haciendo es modificar un poco la estructura. Quiero construir solo dos versiones, o dos núcleos en mi fábrica, algo más que eso no sería genial desde la perspectiva del cliente. Se trata de un aumento del rendimiento del 30%, tal vez un poco más. Lo que hace es que nos permite aterrizar la primera etapa para misiones GTO en el barco de aviones no tripulados . [14]

Según una declaración de SpaceX en mayo de 2015, Falcon 9 Full Thrust probablemente no requeriría una recertificación para lanzarse para los contratos del gobierno de los Estados Unidos. Shotwell afirmó que "es un proceso iterativo [con las agencias]" y que "será cada vez más rápido certificar nuevas versiones del vehículo". [43] La Fuerza Aérea de EE. UU. Certificó la versión mejorada del vehículo de lanzamiento que se utilizará en lanzamientos militares de EE. UU. En enero de 2016, basándose en el lanzamiento exitoso hasta la fecha y la "capacidad demostrada para diseñar, producir, calificar y entregar un nuevo lanzar el sistema y proporcionar el apoyo de garantía de misión necesario para poner en órbita los satélites NSS (espacio de seguridad nacional) ". [44]

Pruebas

La primera etapa mejorada comenzó las pruebas de aceptación en las instalaciones de SpaceX en McGregor en septiembre de 2015. La primera de las dos pruebas de fuego estático se completó el 21 de septiembre de 2015 e incluyó el propulsor subenfriado y los motores Merlin 1D mejorados. [45] El cohete alcanzó el acelerador a fondo durante el fuego estático y estaba programado para su lanzamiento no antes del 17 de noviembre de 2015. [46]

Vuelo inaugural

SES SA , propietario y operador de satélites, anunció planes en febrero de 2015 para lanzar su satélite SES-9 en el primer vuelo del Falcon 9 Full Thrust. [47] En el evento, SpaceX eligió lanzar SES-9 en el segundo vuelo del Falcon 9 Full Thrust y lanzar la segunda constelación de Orbcomm OG2 en el primer vuelo . Como explicó Chris Bergin de NASASpaceFlight, SES-9 requería un perfil de quemado de segunda etapa más complicado que involucraba un reinicio del motor de segunda etapa, mientras que la misión Orbcomm "permitiría que la Segunda Etapa realizara pruebas adicionales antes que el SES más exigente". -9 misión ". [48]

Falcon 9 Full Thrust completó su vuelo inaugural el 22 de diciembre de 2015, llevando una carga útil de 11 satélites Orbcomm a la órbita y aterrizando la primera etapa del cohete intacta en la Zona de Aterrizaje 1 de SpaceX en Cabo Cañaveral. [40] La segunda misión, SES-9 , tuvo lugar el 4 de marzo de 2016. [49]

Historial de lanzamiento

Al 29 de agosto de 2021, la versión Falcon 9 Full Thrust ha volado 104 misiones con una tasa de éxito del 100%. La primera etapa se recuperó en 83 de ellos. Un cohete fue destruido durante las pruebas previas al lanzamiento y no se cuenta como una de las misiones voladas.

El 1 de septiembre de 2016, el cohete que transportaba el Amos-6 de Spacecom explotó en su plataforma de lanzamiento ( Complejo de lanzamiento 40 ) mientras se preparaba para una prueba de fuego estático. La prueba se estaba llevando a cabo en preparación para el lanzamiento del vuelo número 29 del Falcon 9 el 3 de septiembre de 2016. El vehículo y la carga útil de $ 200 millones fueron destruidos en la explosión. [50] La investigación posterior mostró que la causa principal era la ignición del oxígeno sólido o líquido comprimido entre las capas de las envolturas de fibra de carbono de los tanques de helio sumergidos. [51] Para resolver el problema de más vuelos, SpaceX realizó cambios de diseño en los tanques y cambios en su procedimiento de carga de combustible.

Sitios de lanzamiento y aterrizaje

Sitios de lanzamiento

SpaceX utilizó por primera vez el Launch Complex 40 en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral y el Space Launch Complex 4E en la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg para los cohetes Falcon 9 Full Thrust, como su predecesor Falcon 9 v1.1. Tras el accidente de 2016 en LC-40 , los lanzamientos desde la costa este se cambiaron a la plataforma reacondicionada LC-39A en el Centro Espacial Kennedy , alquilada a la NASA. [52]

El trabajo de diseño arquitectónico y de ingeniería sobre los cambios a LC-39A había comenzado en 2013, el contrato de arrendamiento de la plataforma de la NASA se firmó en abril de 2014, y la construcción comenzaría más tarde en 2014, [53] incluida la construcción de una gran instalación de integración horizontal ( HIF) para albergar los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy con hardware asociado y cargas útiles durante el procesamiento. [54] El primer lanzamiento se produjo el 19 de febrero de 2017 con la misión CRS-10 . El trabajo de Crew Access Arm y White Room aún debe completarse antes de los lanzamientos tripulados con la cápsula SpaceX Dragon 2 programada para 2019.

Se planeó un sitio de lanzamiento privado adicional , destinado únicamente para lanzamientos comerciales, en Boca Chica Village cerca de Brownsville , Texas [55] luego de un proceso de evaluación de varios estados en 2012-mediados de 2014 en Florida , Georgia y Puerto Rico . [56] [57] Sin embargo, el enfoque del sitio ha sido cambiado de los lanzamientos de Falcon 9 y Falcon Heavy a vuelos de prueba VTOL de un vehículo de prueba de subescala Starship Hopper . Es muy poco probable que alguna vez se use para vuelos Falcon 9 o Heavy, ya que las plataformas de lanzamiento actuales brindan una capacidad de lanzamiento más que suficiente.

Sitios de aterrizaje

Zona de aterrizaje 1 en la estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral

SpaceX ha completado la construcción de una zona de aterrizaje en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral, conocida como LZ-1 . La zona, que consta de una plataforma de 282 pies (86 m) de diámetro, se utilizó por primera vez el 16 de diciembre de 2015 con un aterrizaje exitoso del Falcon 9 Full Thrust. [58] El aterrizaje en LZ-1 fue el primer Falcon 9 exitoso en general y el tercer intento de aterrizaje en una superficie dura. Al 4 de junio de 2020 , solo ha fallado un intento de aterrizaje. El propulsor aterrizó cerca de la costa. En los días siguientes, fue remolcado de regreso a Puerto Cañaveral, sacado del agua con dos grúas y devuelto a un hangar de SpaceX.

Directamente al lado de LZ-1 SpaceX construyó LZ-2 para permitir aterrizajes de refuerzo simultáneos después de vuelos de Falcon Heavy. En junio de 2020 , tres impulsores aterrizaron en LZ-2.

SpaceX también creó un lugar de aterrizaje en el antiguo complejo de lanzamiento SLC-4W en la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg . En 2014, el lugar de lanzamiento fue demolido para su reconstrucción como lugar de aterrizaje. [59] El 8 de octubre de 2018, un propulsor de cohete Falcon 9 aterrizó con éxito en la nueva plataforma de tierra, conocida como LZ-4 , por primera vez. [60]

Barcos de drones

A partir de 2014, SpaceX encargó la construcción de naves de drones con puertos espaciales autónomos (ASDS) desde barcazas de cubierta, equipadas con motores de mantenimiento de la estación y una gran plataforma de aterrizaje. Los barcos, que están estacionados a cientos de kilómetros hacia abajo, permiten la recuperación de la primera etapa en misiones de alta velocidad que no pueden regresar al sitio de lanzamiento. [61] [62]

SpaceX tiene dos naves de drones operativos, Just Read the Instructions y Of Course I Still Love You , ambas en el Atlántico para lanzamientos desde Cabo Cañaveral. Inicialmente, Just Read the Instructions se utilizó en el Océano Pacífico para lanzamientos desde Vandenberg.

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