Pytania dotyczące Falcona 9

Jakie są warunki pogodowe, przy których Falcon 9 nie może startować?

NASA ustaliła, przy jakich warunkach pogodowych rakieta Falcon 9 nie może startować. Niektóre z nich mogą być zastąpione w przypadku spełnienia dodatkowych warunków.

• Trwały wiatr przekraczający prędkość 56 km/h na wysokości 49 m.

• Warunki pogodowe na dużych wysokościach mogące powodować trudności z kontrolą rakiety. Przykładem takich warunków są uskoki wiatru.

• Warstwa chmur przekraczająca 1400 m, mogąca powodować zamarzanie.

• Platforma startowa znajduje się w odległości 19 km od chmur kłębiastych (cumulusów), które mogą powodować zamarzanie.

• Platforma startowa znajduje się w odległości 19 km od granicy burzy, która w ciągu ostatnich 30 minut wytwarzała pioruny.

• Platforma startowa znajduje się w odległości 19 km od burzowego kowadła chmurowego.

• Platforma startowa znajduje się w odległości 9,3 km od chmur niosących niepewną pogodę i mogących powodować zamarzanie.

• Platforma startowa znajduje się w odległości 5,6 km od pozostałości po chmurach burzowych.

• Chmury kłębiaste (cumulusy) powstałe na skutek lub bezpośrednio połączone z pióropuszem dymu.

Następujące kryteria mogą opóźnić start:

• Opóźnienie o 15 minut jeżeli urządzenia do pomiaru siły pól elektrycznych w atmosferze (ang. field mills) w odległości 9,3 km od platformy startowej wskazują powyżej ok 1500 woltów na metr, lub ok. 1000 woltów na metr.

• Opóźnienie o 30 minut jeżeli zostanie zaobserwowany piorun w odległości 19 km od platformy startowej lub ścieżki startowej.

Źródła: PDF od NASA/SpaceX, Wikipedia, 45th weather squadron

Co dzieje się w czasie testu statycznego? Jaki jest jego cel?

Test statyczny to główna próba przed startem. SpaceX robi wtedy wszystko tak, jak planuje zrobić w dzień startu – wyciągają rakietę z hangaru, ustawiają ją do pionu, tankują do pełna RP-1 i ciekły tlen itd., aż do odpalenia silników na około dwie sekundy. Jednak rakieta jest cały czas przytrzymywana na stanowisku startowym. Następnie paliwo jest spuszczane, a sama rakieta wraca do hangaru. Robią to w tym samym celu, w jakim robi się próby przed wystąpieniem teatralnym – aby mieć pewność, że w dniu startu wszystko będzie działać poprawnie. Więcej można się dowiedzieć z tego artykułu.

Dlaczego hel sprawia tyle problemów przed startem?

Hel jest bardzo trudny w przechowywaniu. Jest to drugi najlżejszy pierwiastek. Jednak w przeciwieństwie do najlżejszego (wodoru), występuje w postaci jednoatomowej. Jest w stanie przedostać się przez najmniejsze szczeliny (takie jak niedoskonałości w budowie metalowego zbiornika). Przy ciśnieniu, jakiego używa SpaceX, jest to bardzo kłopotliwe. Pomimo tego, że widzieliśmy wiele problemów związanych z helem, warto zauważyć, że większość dotyczyła innych elementów, więc obwinianie za wszystko hel jest trochę niesprawiedliwe. Zawory, zbiorniki, rury, każdy problem był inny i rozwiązywano je w różny sposób. Rozwiązanie wszystkich problemów zajmie wiele czasu, jednak SpaceX powoli zbliża się do tego celu. Już samo zrozumienie problemu jest znacznym postępem.

W następnej generacji rakiet SpaceX będą wykorzystywane silniki (Raptor) na ciekły metan i ciekły tlen. Hel nie będzie więc używany, głównie dlatego, że przy rakietach z rodziny Falcon sprawiał on tyle kłopotów. SpaceX planuje używać odpowiednio gazowego metanu/tlenu aby utrzymać ciśnienie w zbiornikach.

Co to za biały dym wydobywający się z rakiety przed startem?

Przed startem zbiorniki Falcona wypełniane są kerozyną i ciekłym tlenem. Tlen ciągle zagotowuje się i paruje, więc trzeba wypuścić gazowy tlen z rakiety. Gaz w dalszym ciągu jest bardzo zimny, a gdy miesza się z otaczającym go powietrzem, gwałtownie je schładza. Gdy więc ciepłe, wilgotne powietrze miesza się z lodowatym tlenem wypuszczanym z rakiety, woda z atmosfery zamienia się w widoczną parę wodną. To właśnie jest ten dym. W Falconie 9 v1.1 FT ciekły tlen jest utrzymywany w znacznie niższej temperaturze (-207°C), aby zwiększyć jego gęstość.

Dlaczego okno startowe przy niektórych misjach ma tylko 1 sekundę?

Okna startowe do ISS są natychmiastowe. Jeśli nie można wystartować w tej jednej sekundzie, data startu zostanie zmieniona. Powodem jest to, że potrzeba optymalnego ustawienia stacji i rakiety, aby start mógł się odbyć. W czasie startu stacja musi być dokładnie nad rakietą i w odpowiedniej płaszczyźnie. Start w innym momencie wymagałby ogromnych ilości paliwa, aby dogonić ISS.

Czasami sama rakieta i sprzęt naziemny wpływają na długość okna startowego. Przykładem może być druga próba startu misji SES-9, która odbyła się 25 lutego 2016. Procedurę startową wstrzymano w T-1:41 ze względu na zbyt wysoką temperaturę ciekłego tlenu. Jako że nie było możliwości schłodzenia tlenu w odpowiednim czasie, próba startu na ten dzień została odwołana.

Jak szybko leci Falcon 9, kiedy doświadcza największego ciśnienia dynamicznego?

To trochę zależy od ładunku, który niesie ze sobą. Jest to prędkość pomiędzy Mach 1 a Mach 2, około 78 sekund po starcie.

Czym są te białe odłamki, które oderwały się od rakiety w czasie startu?

To zwyczajny lód. Ponieważ zbiornik z ciekłym tlenem w środku rakiety jest bardzo zimny, na rakiecie odkłada się lód. To nieunikniony, ale niegroźny skutek uboczny przechowywania kriogenicznego materiału w nieizolowanym zbiorniku (nie jest to na tyle duży problem, aby instalować ciężką izolację). Jako że lód nie jest na stałe przytwierdzony do rakiety, podczas wibracji towarzyszących startowi odpada od niej. Często jest to bardzo widowiskowy spektakl, uwieczniony na wielu fotografiach.

Co odpada od silnika drugiego stopnia?

To pierścień wzmacniający dyszę silnika drugiego stopnia MVac (Merlin Vaccum). Dysza nie jest zbyt sztywna (z kilku powodów, z których najważniejsze to niższa masa oraz właściwości promieniowania cieplnego służącego do chłodzenia), szczególnie kiedy silnik nie pracuje. Pierścień zapobiega uginaniu się dyszy w czasie pracy pierwszego stopnia rakiety. Po odpaleniu silnika MVac, ciśnienie wewnątrz dyszy spełnia tę funkcję, więc pierścień jest już niepotrzebny – zostaje zgodnie z założeniami odrzucony.

Czym jest to niebieskie coś widoczne po wyłączeniu silnika drugiego stopnia?

Kamera pokazuje wnętrze zbiornika z ciekłym tlenem w drugim stopniu rakiety. To co widać, to ciekły tlen w mikrograwitacji. Wiadomo to dlatego, że ciekły tlen jest bladoniebieski, a kerozyna bladożółta, jak również dlatego, że przez środek zbiornika z kerozyną przebiega rura z ciekłym tlenem. Wiemy też, że jest to w drugim stopniu rakiety, ponieważ ciekły tlen zaczyna unosić się w mikrograwitacji w tym samym momencie, w którym wyłączany jest silnik drugiego stopnia.

Co dzieje się z drugim stopniem Falcona po wyniesieniu satelity/Dragona na orbitę?

Drugie stopnie są zostawiane na orbicie lub (jak w czasie ostatnich startów) celowo deorbitowane, aby zmniejszyć ilość kosmicznych śmieci. Poprzednio stosowano to pierwsze rozwiązanie albo wystrzeliwane na jeszcze wyższą orbitę (w różnych celach, np. aby sprawdzić możliwość ponownego odpalenia silnika). Przy misjach, w czasie których drugi stopień jest wynoszony na geosynchroniczną orbitę transferową, jest on zostawiany na tej orbicie. Ze względu na niskie perygeum tej orbity (180-300 km), opór atmosfery spowoduje deorbitację stopnia po około 2-12 miesiącach.

Jak pierwszy stopień wraca na miejsce startu? Ile minut po starcie następuje lądowanie?

Po około 2 minutach i 24 sekundach lotu, przy prędkości około 1,8-2,5 km/s, pierwszy stopień oddziela się od drugiego stopnia. Ciągle oddalając się od miejsca startu, pierwszy stopień manewruje, aby nie wlecieć w gazy wylotowe drugiego stopnia, a następnie odwraca się i rozpoczyna jedno z trzech uruchomień silników przed powrotem: w T+4m odpalane są 3 z 9 silników w kierunku przeciwnym do wektora prędkości, kierując całość jeszcze wyżej. Dzięki temu bezpośrednie miejsce uderzenia znajduje się poza miejscem startu. Stopień osiąga największą wysokość (około 140 km). Następnie zaczyna spadać po paraboli i ustawia się silnikami w górę podróżując z prędkością ~2 km/s.

Na wysokości około 70 km, w T+8m, następuje drugie z trzech uruchomień silników (3 z 9) aby ustawić stopień odpowiednio do lądowania i wytracić prędkość z naddźwiękowej do poddźwiękowej. Pod koniec tego odpalenia, na wysokości około 40 km, stopień leci z prędkością 250-350 m/s. W tym czasie tor lotu kontrolują płetwy sterowe (ang. grid fins), które nakierowują stopień na miejsce lądowania. W tym momencie wyłączany jest system przerwania lotu pierwszego stopnia. Teraz, w niższych partiach atmosfery, jest on hamowany aerodynamicznie i kontrolowany prawie w całości dzięki płetwom. Leci prawie pionowo w dół. Kiedy zbliża się do miejsca lądowania, komputer oblicza moment i długość ostatniego odpalenia silnika. Tym razem, w około T+9m, jeden silnik Merlin - środkowy - jest uruchamiany, aby ostatecznie spowolnić stopień. W tym momencie nie ma już możliwości przerwania próby. Paliwa jest zbyt mało, aby wykonać jakikolwiek inny manewr.
Na ostatnim kilometrze wypuszczane są nogi służące do lądowania, pomagają one również w hamowaniu. Po rozłożeniu, nie mogą być ponownie złożone. Silnik odpowiednio manewruje pierwszym stopniem aby uzyskać idealne ustawienie w T+10m podczas lądowania na wysokości 0 m przy prędkości 0 m/s. W tym momencie następuje wyłączenie silnika i lądowanie dobiega końca.

Procedura lądowania była dobrze opisana i pokazana podczas pierwszej (jednocześnie udanej) próby powrotu pierwszego stopnia w czasie misji Orbcomm OG2 22 grudnia 2015.

Jakie są różnice pomiędzy Falconem 9 v1.0 a v1.1?

Od momentu szóstego startu (misja CASSIOPE) we wrześniu 2013, używana jest wersja v1.1, która całkowicie zastąpiła wersję v1.0. Elon Musk sam stwierdził, że w czasie projektowania v1.0 “sami nie wiedzieli co robią”. Falcon 9 v1.1 ma możliwość wyniesienia większego ładunku, jest bardziej niezawodny, a proces jego budowy jest prostszy i tańszy. Główne różnice pomiędzy v1.0 a v1.1 to użycie mocniejszego silnika Merlin-1D, ustawienie silników w systemie octaweb (8 silników ustawionych w okręgu otacza jeden centralny), zamiast ustawienia ich w trzech rzędach i większe o 60% zbiorniki paliwa w pierwszym i drugim stopniu.

Jakie są różnice pomiędzy Falconem 9 v1.1, a v1.2?

W marcu 2015 Elon Musk napisał na Twitterze o serii trzech ulepszeń planowanych dla Falcona 9 v1.1:

1. Zwiększenie ciągu silników Merlin-1D o około 15%.

2. Jeszcze mocniejsze schłodzenie paliwa, co pozwoliłoby na zwiększenie jego gęstości, a w rezultacie dałoby możliwość zmieszczenia większej ilości paliwa w zbiornikach o tej samej objętości.

3. Powiększenie drugiego stopnia rakiety o 10%.

Wszystkie te zmiany mają na celu zwiększenie wydajności Falcona 9 o około 30%, co pozwola na odzyskiwanie pierwszego stopnia nawet przy wynoszeniu ładunków na geosynchroniczną orbitę transferową. Przy wersji v1.1 starty te wymagają zbyt wiele energii, aby można było przeprowadzić lądowanie pierwszego stopnia. Wersja v1.2 pierwszy raz została użyta podczas misji Orbcomm OG2, 22 grudnia 2015.

Jak rozkładają się nogi służące do lądowania?

W każdej nodze schowany jest tłok pneumatyczny. Na chwilę przed lądowaniem tłok jest wypełniany helem pod dużym ciśnieniem, co powoduje jego wydłużenie. To z kolei prowadzi do rozłożenia nóg do pozycji koniecznej w czasie lądowania.

Diagram obrazujący cały proces.

Jak działają lotki sterowe?

Lotki to rodzaj powierzchni sterowej. Konwencjonalne, płaskie płetwy mają kształt miniaturowych skrzydeł, z kolei lotki to siatka mniejszych aerodynamicznych powierzchni wewnątrz “pudełka”. Lotki dobrze spisują się w prędkościach poddźwiękowych i naddźwiękowych. Szczególnie przy bardzo wysokich prędkościach mają przewagę nad tradycyjnymi skrzydłami – powodują mniejszy opór i łatwiej dzięki nim manewrować.

Jak działa system przerwania lotu?

Każda rakieta Falcon 9 ma system, który pozwoli na przerwanie lotu w przypadku wystąpienia jakiegoś problemu. Typowym przypadkiem, w którym lot może być przerwany to wtedy, gdy rakieta zboczy z założonego kursu i mogłaby uderzyć w np. zabudowania. Tor lotu rakiety jest nieprzerwanie monitorowany, aby w razie problemu móc bezzwłocznie zareagować. W momencie awarii systemu napędowego lub systemu sterowania/nawigacji, który mógłby uniemożliwić rakiecie osiągnięcie orbity, wykorzystywany jest system przerwania lotu. W Falconie 9 jest on zbudowany w ten sposób, że wzdłuż całej rakiety przebiega pas materiałów wybuchowych. Powoduje to, że rakieta nie wybucha, a raczej “otwiera się”. To doprowadza do dezintegracji i wycieku paliwa, które dopiero wtedy wybucha.

Kto decyduje o przerwaniu lotu?

Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych mają pełną kontrolę nad systemem przerwania lotu przez cały czas jego trwania. Konkretna nazwa stanowiska osoby odpowiedzialnej za system przerwania lotu to Range Safety Officer.

Jakie jest prawdopodobieństwo, że Falcon wyposażony w silniki Merlin będzie używał metanu zamiast kerozyny?

Praktycznie żadne. Największym problemem jest to, że potrzeba by zmienić wielkość zbiorników ze względu na inną gęstość paliwa. A to z kolei oznaczałoby konieczność zmiany wewnętrznej struktury Falcona. Jednym z najważniejszych założeń podczas projektowania Falcona 9 było to, aby mógł być transportowany drogą lądową, a więc średnica musiała być tak dostosowana, aby możliwa była podróż z Hawthorne w Kalifornii, do McGregor w Teksasie i na platformy startowe. To sprawia, że Falcon jest węższy i wyższy niż rakiety dodatkowe na paliwo stałe, stosowane w wahadłowcach.

Pytania dotyczące Falcona Heavy

Falcon 9 może ukończyć misję nawet bez dwóch silników. Ile silników może stracić Falcon Heavy?

Mało prawdopodobne, aby można było uprościć tak skomplikowany system do stwierdzenia “może stracić X silników”. Już przy Falconie 9 jest to dość trudne (dwa silniki mogą być utracone, ale tylko w określonych ramach czasowych), jednak ciężko to przenieść na Falcona Hevy, bez znajomości jego specyfikacji. Prawdopodobnie będzie przewidzianych kilka scenariuszy biorących pod uwagę, ile silników może zostać wyłączonych w którym momencie, które to są silniki oraz jaka jest masa ładunku.

Dlaczego nie można doczepić następnych stopni do Falcona Heavy i zrobić “Falcona Superheavy”?

Ponieważ wady tego rozwiązania są większe niż zalety. Jedyną zaletą jest trochę większy ładunek, który rakieta mogłaby wynieść. O ile wydaje się to dobrym pomysłem, dodawanie następnych stopni zwiększa poziom skomplikowania w porównaniu do korzyści, jakie można dzięki temu osiągnąć. Dodanie dwóch boosterów do Falcona 9 zwiększa przyspieszenie podczas startu i nośność rakiety, ale dodanie następnych dwóch boosterów daje dużo mniejszy wzrost osiągów. Jako że pomysł z crossfeedem (czyli pompowaniem paliwa z bocznych rdzeni rakiety do środkowego) został (przynajmniej na razie) porzucony, ze względu na poziom skomplikowania, oddzielanie stopni tak jak w Kerbal Space Program jest niemożliwe. Istnieje również możliwość, że ładunek nie zmieściłby się do 5-metrowej osłony. Innym ważnym czynnikiem byłoby to, że rakieta w czasie integracji nie leżałaby na jednym poziomie. Ustawienie stopni w jednej linii bardzo ułatwia integrację. Dochodziłaby więc konieczność zakupu dodatkowego wyposażenia, używanego tylko okazjonalnie podczas startów Falcona Superheavy. Ostatnią rzeczą jest to, że odzyskanie wszystkich stopni byłoby bardzo trudne. Albo musiałyby one oddzielać się w trzech etapach, albo musiałyby lądować wszystkie razem. Podsumowując – zalety nie zrekompensowałyby problemów, z którymi SpaceX musiałoby się zmierzyć.

Pytania dotyczące innych rakiet z rodziny Falcon

Czy powstanie rakieta pomiędzy Falconem Heavy a Mars Colonial Transporterem?

Jako że Falcon 9 był o rząd wielkości większy, niż Falcon 1, to niewykluczone, że powstanie rakieta o rząd wielkości większa od Falcona Heavy. 

Czy Falcon 1 został już całkowicie porzucony?

Projekt Falcona 1 (i jego proponowanego następcy – Falcona 1e) prawdopodobnie został już anulowany. Istnieje możliwość, że w razie potrzeby zostanie wskrzeszony, ale jak mówi Wikipedia: “SpaceX ogłosiło ulepszoną wersję – Falcona 1e – ale w maju 2012 stwierdzili, że ładunki, które miały lecieć na Falconie 1, polecą na Falconie 9, wykorzystując jego nadmiar możliwości i że nie ma w planach żadnych startów Falcona 1 lub 1e do 2017 roku.” W dodatku Falcon 1 nie jest już wymieniany na stronie SpaceX.

Kiedy poleci Falcon X / Falcon XX?

Falcon X/XX nigdy nie wystartuje. Falcon X został zaproponowany w 2010 roku, jednak plany zostały porzucone i nie jest on już rozwijany. Projekt, pokazany przez Toma Markusica, był tylko efektem “burzy mózgów”, zlepkiem pomysłów do przedyskutowania. Nie był finansowany przez SpaceX. Firma aktualnie rozwija projekt ogromnej rakiety BFR.

Pytania dotyczące platformy startowej

Co to są za wieże dookoła platformy startowej?

To piorunochrony. Chronią przed uszkodzeniem rakiety przez wyładowania atmosferyczne. Na Florydzie burze występują bardzo często, więc wszystkie platformy startowe wymagają piorunochronów. Jeden piorun uderzył w piorunochron na ~1,5 godziny przed startem rakiety Falcon 9 z satelitą AsiaSat 6.

Pytania dotyczące ładunku

Czy Falcon 9 mógłby wynieść w kosmos Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba?

Nie. Nawet gdyby nie została wybrana rakieta do wyniesienia tego teleskopu (a została – europejska rakieta Ariane 5), to byłby to zbyt ciężki ładunek dla Falcona 9, aby mógł go umieścić w punkcie libracyjnym L2. A co z Falconem Heavy? Falcon Heavy prawdopodobnie mógłby wynieść JWST, jednak NASA nie zaryzykowałaby swojego wieloletniego, kosztującego 8,5 miliarda dolarów projektu, aby leciał na rakiecie, która startowała zaledwie 2-3 razy. Jeśli wydano tak dużo, to następne 100 milionów dolarów na rakietę nośną nie jest dużym wydatkiem. Dodatkowo rakieta nośna Ariane 5 jest elementem wkładu Europejczyków w projekt Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba

Czy Falcon 9 lub Falcon Heavy mógłby być użyty do misji Mars 2020 Rover?

Falcon 9 nie mógłby być użyty, ponieważ nie ma wystarczającej nośności. Falcon Heavy mógłby posłużyć do tego celu, jednak do tego czasu nie będzie miał za sobą wystarczającej liczby misji, aby NASA powierzyła mu tak cenny ładunek. Musiałby być również zatwierdzony do przenoszenia ładunków zawierające materiały jądrowe (które będą obecne w RTG zamontowanym w łaziku). Wszystko to jest kwestią sporną, jednak Mars 2020 jest od początku projektowany, aby lecieć na rakiecie Atlas V.