Minęło niecałe osiem lat od dziewiczego startu, a rakieta Falcon 9 zdominowała rynek rakiet kosmicznych na świecie. Żadna inna rakieta nie odbyła w zeszłym roku więcej startów niż mierzący 70 metrów Falcon 9. Jeżeli wszystko pójdzie zgodnie z planem, w tym roku sytuacja będzie podobna.

SpaceX udało się osiągnąć tak wysoką wydajność między innymi dzięki przeniesieniu znanego z Doliny Krzemowej sposobu myślenia do przemysłu kosmicznego. Firma ciągle szuka zmian, wykorzystuje okazje oraz, jak wiele nieustępliwych start-upów, zachęca pracowników do pracy po godzinach, aby osiągać wymagające cele.

Podczas gdy ambicje założyciela firmy, Elona Muska, związane z kolonizacją Marsa, najbardziej przyciągają uwagę opinii publicznej, to właśnie dzięki rakiecie Falcon 9, która prawie nigdy nie opuszcza orbity Ziemi, SpaceX wzniosło się na obecny poziom. I to na Falconie 9 firma Muska odcisnęła swój etos zmian i innowacji przez poszukiwanie wszelkich okazji na ulepszenie rakiety.

Pomimo że wywołuje to nieustanny ból głowy u takich klientów jak NASA, czy u niektórych dostawców, ciągłe „majstrowanie” pozwoliło SpaceX zmaksymalizować osiągi rakiety. Poprzez systematyczne ulepszanie silników Merlin, obniżanie masy dzięki zastosowaniu lżejszych materiałów, czy wykorzystywanie superschłodzonego paliwa rakietowego dla zmaksymalizowania gęstości, Falcon 9 jest obecnie około dwa razy potężniejszy niż jego pierwotna wersja. Podczas ponad 50 startów od czerwca 2010 roku praktycznie nie zdarzało się, aby kolejny egzemplarz Falcona 9 nie różnił się przynajmniej w kilku szczegółach od poprzedniego.

Przez cały czas SpaceX przyświecał jeden cel, jeśli chodzi o Falcona 9: zbudowanie tak doskonałej i wydajnej rakiety orbitalnej, jak to tylko możliwe. Teraz nareszcie wydaje się, że firma jest blisko wykonania ostatniego kroku do osiągnięcia tego celu, poprzez wielokrotne użycie pierwszego stopnia. Już na początku maja SpaceX planuje start wersji rakiety zwanej Block 5. Musk powiedział, że powinna być to ostateczna wersja i nie są spodziewane kolejne duże zmiany.

Firma planuje wykorzystywać każdy pierwszy stopień w wersji Block 5 co najmniej 10 razy, a być może nawet znacznie więcej, zależnie od tego, do jakiego stopnia należy wierzyć entuzjazmowi Elona Muska. Dziesięć lotów byłoby znaczącym osiągnięciem, jako że do tej pory udało się wykorzystać pierwszy stopień nie więcej niż dwa razy. Dodatkowo firma liczy na zmniejszenie czasu między kolejnymi startami jednego boostera z kilku miesięcy do kilku tygodni.

Osiągnięcie taniego i szybkiego dostępu do przestrzeni kosmicznej byłoby wielkim wyczynem SpaceX. Dla firmy, której aspiracje sięgają lądowania ludzi na Marsie, jest to kluczowy pierwszy krok. Dodatkowo, poprzez zamrożenie projektu Falcona 9, SpaceX może uwolnić talent swoich inżynierów, którzy będą mogli skupić się na pracach nad nową rakietą – „Big Falcon Rocket” – oraz nad statkiem kosmicznym, który ma być jej drugim stopniem. Poprzez wielokrotne loty boosterów w wersji Block 5, wykwalifikowani pracownicy produkcji również będą mogli zająć się budową nowej, znacznie większej rakiety.

O mały włos

Aby znaleźć start Falcona 9 o tak dużym znaczeniu jak nadchodzący start wersji Block 5, musimy prawdopodobnie cofnąć się do grudnia 2015 roku. Wtedy również stawka była ogromna. Sześć miesięcy wcześniej, w czerwcu, po raz pierwszy doszło do katastrofalnej w skutkach awarii Falcona 9 – rozszczelnienia w drugim stopniu rakiety około 150 sekund po starcie. W efekcie znajdująca się na szczycie rakiety kapsuła załogowa Dragon wraz z ładunkiem NASA, wartym ponad 100 milionów dolarów, została utracona.

Firma spędziła prawie pół roku analizując i rozwiązując problem, zanim powróciła do startów. Podczas wspomnianego grudniowego startu, SpaceX raz jeszcze zaprezentowało swoją filozofię związaną z podejmowaniem ryzyka. Falcon 9 stojący na platformie startowej był pierwszym egzemplarzem nowej wersji, znanej jako Falcon 9 Full Thrust lub Falcon 9 v1.2.

Rakieta ta była o ok. 30% potężniejsza od poprzedniej wersji, dzięki silnikom o większym ciągu, a także nieco wydłużonym zbiornikom, do których miał być tankowany superschłodzony ciekły tlen oraz wysokorafinowana kerozyna. Na inne modyfikacje składały się m.in. usprawnione lotki sterujące pierwszym stopniem podczas powrotu przez atmosferę, czy ulepszone nogi do lądowania.

Ale podczas tej misji, powrotu do lotów, firmie nie wystarczał debiut zmodernizowanej rakiety. Po raz pierwszy SpaceX podjęło próbę powrotu pierwszego stopnia na ląd. Miał on wylądować za pomocą silników na wybrzeżu Florydy.

Tej samej nocy, po udanym starcie i lądowaniu, Musk przeprowadził telekonferencję dla reporterów. Zapytany o to, jak pewny był sukcesu tej misji, zarówno startu jak i lądowania, odpowiedział: „Zupełnie nie byłem przekonany, że nam się uda, ale naprawdę się z tego cieszę. To już ponad 13 lat od powstania SpaceX. Wiele razy byliśmy o mały włos od końca. Myślę, że wszyscy tutaj niezmiernie się cieszą”.

Musk mówił później, że to właśnie ta wersja rakiety pozwoliła SpaceX stanąć na czele rynku wynoszenia na orbitę komercyjnych satelitów, odbierając dużą jego część państwowym firmom z Rosji, Chin i Europy. Potężniejsza wersja rakiety pozwoliła także na rozpoczęcie startów z ciężkimi ładunkami wojskowymi. Elon Musk czuł, że posiada najlepszą rakietę na świecie.

Czas na Block 5

Musk nie mylił się. To prawda, SpaceX przytrafiło się kolejne niepowodzenie we wrześniu 2016 roku, kiedy to doszło do eksplozji Falcona 9 podczas przygotowań do testu statycznego na platformie startowej. W branży pojawiły się głosy, że osiągnięcia SpaceX są rozdmuchane, że firma działa zbyt gwałtownie, by kiedykolwiek zbudować bezpieczną i niezawodną rakietę. Jak mówili konkurenci, niskie ceny nie mają znaczenia, jeśli szansa na eksplozję rakiety jest całkiem spora, a klienci muszą latami czekać na lot w kosmos.

Jednakże wtedy właśnie Falcon 9 v1.2, a także kolejne jego wersje (Block 3, Block 4), zaczął brylować. W 2017 roku firmie SpaceX udało się w końcu uruchomić „walec” – jest to słowo używane popularnie w branży do zobrazowania możliwości częstych startów taniej rakiety – Falcona 9. W zeszłym roku SpaceX udało się przeprowadzić 18 misji, a w tym roku, przez pierwsze cztery miesiące, już 7.

Teraz czas na Block 5. Nowa wersja zawiera niezliczone zmiany i ulepszenia, które wg SpaceX zoptymalizują pierwszy stopień rakiety tak, aby można go było wielokrotnie wykorzystywać. Firma co prawda nie przedstawiła oficjalnie pełnej listy zmian, jednakże społeczność na portalu Reddit stworzyła listę na podstawie rozmaitych wypowiedzi Elona Muska oraz prezydent i dyrektor operacyjnej firmy, Gwynne Shotwell.

Zmiany odzwierciedlają to, czego SpaceX nauczyło się od czasu pamiętnego lądowania w grudniu 2015 roku. Od tamtej pory firma odzyskała ponad 20 rakiet, lądując na lądzie lub na autonomicznej barce, pieczołowicie badając jak zużywa się struktura pierwszego stopnia, silniki oraz zbiorniki paliwa.

Na wersję Block 5 składają się między innymi:

• Tytanowe lotki sterowe, które nie niszczą się podczas lądowania, więc można ich wielokrotnie używać.
• Nowe nogi do lądowania, z możliwością składania przez obsługę naziemną zamiast demontażu; mają być one czarne (poprzednie były białe).
• Zmiany w turbopompach, mające zapobiec pęknięciom łopatek; SpaceX nie uznawało tego za ryzyko, ale NASA wymaga rozwiązania tego problemu w celach certyfikacji do lotów załogowych.
• Zastąpienie farby warstwą osłony termicznej.
• Ulepszona osłona termiczna wokół silników Merlin.
• Zmieniona struktura, na której umieszczone są silniki (tzw. octaweb); jest ona skręcana, nie spawana, dzięki czemu będzie ją można zbadać, naprawić czy przetestować znacznie szybciej; ma to również pozwolić na łatwą konwersję boostera Falcona 9 na boczny booster Falcona Heavy.
• Łącznik pomiędzy pierwszym i drugim stopniem (tzw. interstage) jest czarny (poprzednio był biały), prawdopodobnie jest to niepomalowane włókno węglowe (dla zaoszczędzenia czasu i masy).
• Ulepszona osłona ładunku (tzw. Fairing 2.0), która jest nieco większa oraz zawiera zmiany pozwalające na odzyskiwanie i ponowne użycie; jest także lżejsza i łatwiejsza w produkcji.
• Ulepszone zbiorniki na hel (ang. COPV – Composite Overwrapped Pressure Vessel), tzw. COPV 2.0; ma to zmniejszyć ryzyko podobnego wypadku jak podczas przygotowań do testu przed misją Amos-6.
• Kolejne zwiększenie ciągu silników Merlin 1D (o ok. 10%).
• Rakieta ma być certyfikowana do lotów załogowych; NASA wymaga do tego siedmiu startów w niezmienionej konfiguracji.
• Zmiany dotyczące aktywnych komponentów, takich jak np. zawory, a także wielu innych części, pozwalające na ich wielokrotne użycie.
• Usprawniona kontrola nad lotem oraz możliwy większy kąt natarcia, co może w efekcie pozwolić na lądowanie z mniejszą ilością paliwa (a więc również na wynoszenie cięższych ładunków).

Shotwell oraz inni przedstawiciele firmy twierdzą, że początkowym celem wersji Block 5 jest 10 startów każdego boostera bez konieczności dużych napraw oraz skrócenie czasu pomiędzy startami z miesięcy do tygodni. W branży kosmicznej tak szybkie ponowne użycie pierwszego stopnia nie miało do tej pory miejsca, jednakże nie można zakładać, że SpaceX się to nie uda. Jak do tej pory firma zakładała sobie wiele ambitnych celów i duża ich część została osiągnięta.

Jednakże biorąc pod uwagę, że już teraz SpaceX zgarnęło znaczącą część rynku komercyjnych startów wykorzystując booster, który może odbyć co najwyżej dwa loty, jaki dodatkowy wpływ miałaby rakieta, której można wielokrotnie używać?

Ile to będzie kosztować?

Kolejną kwestią związaną z nową wersją rakiety jest jej koszt. Jak na razie SpaceX nie planuje obniżyć ceny, jaką klienci mają płacić za start. Obecnie i tak firma oferuje najtańsze na rynku starty, więc pobieranie mniejszej opłaty nie byłoby jej na rękę. Możliwe, że w przyszłości koszt startu spadnie o 20-40% z obecnych 62 mln dolarów do poziomu około 40 mln dolarów.

Jedną z zalet związanych z obniżeniem kosztów mogłoby być przejęcie jeszcze większej części rynku, która obecnie należy np. do Arianespace, ISRO czy Roskosmosu. Dodatkowo niższe koszty wynoszenia ładunków w przestrzeń kosmiczną mogłyby zachęcić nowych klientów do budowy i wystrzeliwania swoich satelitów. To stworzyłoby im możliwość znacznego rozszerzenia swojej działalności i dotarcia z usługami do osób na całym świecie.

Niższe koszty mogą pomóc też w budowie dużych konstelacji satelitów. Jedną z nich jest ta budowana przez samą firmę SpaceX – Starlink. W planach jest umieszczenie na orbicie kilku tysięcy satelitów, które będą dostarczać usługi dostępu do Internetu na całej Ziemi. Inne firmy, które również będą budować swoje konstelacje, na pewno chętnie skorzystałyby z tańszego sposobu na wynoszenie ich ładunków na orbitę.

Wiele podmiotów z Chin oraz krajów europejskich coraz częściej wykorzystuje dane uzyskane przy pomocy satelitów znajdujących się na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO). Mniejsze koszty dostarczania ładunków w przestrzeń kosmiczną powinny jeszcze bardziej zwiększyć liczbę przedsiębiorców i agencji rządowych korzystających z danych satelitarnych. Nie stanie się to jednak od razu. Eksperci uważają, że rynek satelitów telekomunikacyjnych, które umieszczane są na orbicie geostacjonarnej (GEO), od lat jest stosunkowo niezmienny. Dodatkowo koszty budowy największych satelitów często są tak wysokie, że wystrzelenie rakiety tańsze o 10-20 mln dolarów może nie robić operatorom zbyt dużej różnicy. Wydaje się więc, że najbardziej skorzystają na tym podmioty, które umieszczają swoje mniejsze, a zarazem znacznie mniej kosztowne ładunki na niższych orbitach.

Czas na zyski?

Pojawiają się spekulacje, że SpaceX może chcieć obniżyć ceny, aby wywrzeć jeszcze większą presję na swoich konkurentach – zarówno amerykańskich, w tym United Launch Alliance (ULA), jak i zagranicznych, z Chin, Europy, Rosji i Indii. Nie należy jednak spodziewać się, że w najbliższym czasie któryś z nich zniknie z rynku. ULA wciąż jest najbardziej zaufanym dostawcą usług dla agencji rządowych, a firmy i agencje zagraniczne nie porzucą swoich możliwości na samodzielne wynoszenie ładunków w przestrzeń kosmiczną, nawet jeśli miałyby one nie przynosić zysku.

SpaceX prawdopodobnie w najbliższym czasie utrzyma obecną cenę za start Falcona 9 na mniej więcej niezmienionym poziomie, aby osiągnąć zysk po prawie dekadzie ulepszania rakiety i opracowywania sposobu na wielokrotne jej użycie. Koszt utrzymania ponad 6000 pracowników oraz ośrodków m.in. w Kalifornii, Teksasie i na Florydzie może kosztować firmę nawet 1,25 mld dolarów rocznie. Do pokrycia tylko tych wydatków potrzebne byłoby wystrzelenie co najmniej 20 rakiet Falcon 9 i to zakładając, że produkcja rakiet nic nie kosztuje, co oczywiście nie jest prawdą.

Obecnie nie wiadomo, czy firma wychodzi „na plus” przy obecnych cenach za start, nawet biorąc pod uwagę dwukrotne loty niektórych pierwszych stopni. Istnieje możliwość, że SpaceX było w stanie utrzymać ceny za start na tak niskim poziomie dzięki kontraktom zawartym z NASA – najpierw na rozwój systemu transportu towarowego na Międzynarodową Stację Kosmiczną, a później załogowego, który obecnie jest na ukończeniu. Należy też zauważyć, że firma w najbliższym czasie będzie potrzebować ogromnej ilości gotówki na stworzenie nowej rakiety – BFR. SpaceX już wykupiło teren pod budowę fabryki tej ogromnej rakiety, która docelowo ma pozwolić ludziom na loty poza niską orbitę okołoziemską.

Szaleństwo Muska

Wszystkie dotychczasowe rakiety orbitalne, z wyjątkiem wahadłowców, były jednokrotnego użytku. Najwięcej lotów odbył orbiter Discovery, który startował i lądował aż 39 razy w ciągu 27 lat. NASA nie była jednak w stanie wystarczająco skrócić czasu pomiędzy kolejnymi lotami jednego wahadłowca. Zazwyczaj trwało to od 6 do 12 miesięcy. Rekordowy pod tym względem był Atlantis, który został przygotowany do kolejnego, drugiego swojego lotu w ciągu zaledwie 54 dni. Wahadłowce były dodatkowo bardzo drogie. Ostatecznie, po podliczeniu kosztów całego programu, średnia cena za jeden start wynosiła około miliarda dolarów.

SpaceX ma okazję do zmiany tej sytuacji – zbudowania taniej rakiety wielokrotnego użytku, która pozwoli na znacznie łatwiejszy dostęp do przestrzeni kosmicznej. Jeśli Block 5 okaże się takim sukcesem, jak jest zapowiadany, SpaceX może stać się firmą, która w nieco ponad 10 lat przeszła od zera do zbudowania najbardziej efektywnej rakiety orbitalnej, jaka kiedykolwiek powstała.

Już teraz niska cena, stosunkowo wysoka niezawodność, a także możliwość ponownego użycia Falcona 9 zmusiła praktycznie wszystkich konkurentów do rozpoczęcia prac nad nowymi rakietami. Niektórzy również dostrzegli potrzebę budowy systemów orbitalnych wielokrotnego użytku i co jakiś czas pojawiają się doniesienia o projektach pochodzących z różnych stron świata.

Jednak dla SpaceX, po tym jak udało się dogonić, a nawet w dużej mierze wyprzedzić konkurencję, wystrzelić dwukrotnie jedną rakietę oraz zdobyć zaufanie klientów, nadchodzi czas na kolejny krok do przodu. Chociaż ludzie ciągle będą potrzebni do budowy nowych Falconów 9, to jeśli jednak rakieta będzie w stanie wykonać 10 lotów, liczba budowanych egzemplarzy pierwszych stopni drastycznie spadnie. SpaceX zaczyna skupiać się na kolejnym projekcie. Jest nim rakieta BFR, która ma pozwolić na stawianie kolejnych wielkich kroków w eksploracji kosmosu, takich jak załogowe loty na Księżyc, Marsa i w inne miejsca w Układzie Słonecznym.

Można się zastanawiać, dlaczego SpaceX pracuje nad projektem, który może sprawić, że dotychczasowe produkty firmy, dominujące obecnie na rynku – Falcon oraz Dragon – staną się przestarzałe. Częściową odpowiedź można znaleźć patrząc wstecz, w historię SpaceX. Najpierw Musk usłyszał, że nie ma szans, żeby za prywatne pieniądze zbudował rakietę orbitalną. Potem, że szaleństwem jest podejmowanie próby lądowania na barce. Następnie, że lekkomyślnym jest połączenie trzech boosterów i uruchomienie 27 silników jednocześnie. Elon Musk pozostaje całkowicie niewzruszony słysząc oskarżenia o szaleństwo.

A szaleństwem może wydawać się gorączkowa praca SpaceX nad tym, aby ich własna rakieta Falcon 9, dopracowywana przez 10 lat, stała się archaicznym produktem. Jednakże ta firma nie powstała po to, aby zadowolić wielu udziałowców. Powstała po to, aby zadowolić jednego udziałowca. A on chce lecieć na Marsa.

Źródła: Ars Technica, Reddit, NASASpaceflight.com, Elon Musk (1), Elon Musk (2)