Oczekiwanie przed debiutem ciężkiej rakiety Falcon Heavy

To być może najważniejsze wydarzenie astronautyczne roku. Jeden z najtrudniejszych jak dotąd projektów przygotowywanych przez najprężniej rozwijające się prywatne przedsiębiorstwo astronautyczne, SpaceX, zbliża się do realizacji. Nie bez trudności, nie bez poważnych opóźnień, nie bez wątpliwości w pomyślność przedsięwzięcia. O ile tym razem przygotowania nie napotkają już poważniejszych przeszkód na drodze, pod koniec stycznia możemy mieć szansę ujrzenia debiutu ciężkiej rakiety nośnej Falcon Heavy, która stanie się najcięższą spośród wszystkich wykorzystywanych obecnie rakiet na świecie.

SpaceX od kilku lat z powodzeniem stosuje swoje rakiety nośne Falcon 9 w kilku nieco odmiennych konfiguracjach. Od wynoszenia satelitów po dostawy zaopatrzenia na Międzynarodową Stację Kosmiczną, rakiety te na ogół bardzo dobrze sobie radzą w stawianych przed nimi zadaniach (nie licząc dwóch wpadek), startują z ponadprzeciętną częstotliwością i zdecydowanie stanowią powód do uzasadnionej dumy dla jej twórców. Tylko w roku 2017 SpaceX przeprowadziło 18 startów, z czego wszystkie zakończyły się pomyślnie. W trakcie 14 z nich planowana była próba odzysku pierwszego stopnia odrzuconego po pierwszej fazie startu w postaci pionowego lądowania na silnikach w wyznaczonym miejscu - i tu również mamy stuprocentową skuteczność, wszystkie pierwsze stopnie Falconów 9 prawidłowo osiadły na Ziemi kilka minut po starcie. Rok 2017 był dla SpaceX jednym wielkim sukcesem.

Wizje artystyczne. Rakieta Falcon Heavy odrywa się od wyrzutni startowej 39A w Centrum Kosmicznym Kennedy'ego na Florydzie i wznosi się w bezchmurne niebo nad Przylądkiem Canaveral. Credits: SpaceX 

Ale jeden rodzaj rakiety, choćby nie wiadomo jak bardzo niezawodnej, nie wystarczy, gdy SpaceX ma aspiracje sięgające daleko poza bezzałogowe loty na niską orbitę okołoziemską (LEO) do ISS. Użytkowane Falcony 9 charakteryzują się ładownością do 22,8 ton w lotach na LEO i 8,3 ton na GEO. Zabranie takiej ilości ładunku to zdecydowanie zbyt niska wartość, jeśli się myśli o zdobywaniu Księżyca czy Marsa - a z taką myślą, właśnie m.in. w celu ułatwienia lotów poza LEO zaprojektowana została Falcon Heavy.

Pod koniec grudnia 2017, została ona po raz pierwszy w historii wytoczona pod stanowisko startowe LC-39A w Centrum Kosmicznym Kennedy'ego (KSC) na Przylądku Canaveral, a następnie finalnie postawiona do pionu. W najbliższych dniach powinien odbyć się test statyczny silników, a 29 stycznia powinniśmy stać się świadkami dziewiczego startu. Jeżeli pierwszy lot Falcona Heavy odbędzie się pomyślnie, chętnych do korzystania z usług SpaceX przy wykorzystaniu tej najcięższej rakiety nie zabraknie - w tej chwili już dwa podmioty zainteresowane są jej spożytkowaniem jeszcze w 2018 roku, który w razie uniknięcia katastrofy przy debiucie, powinien przynieść przynajmniej 2 kolejne starty tej rakiety oraz pod koniec roku coś, co najbardziej może działać na wyobraźnię - lot nowej kapsuły Dragon 2 wokół Księżyca, z dwójką turystów kosmicznych na jej pokładzie - choć niewykluczone, że to zbyt optymistyczna wersja harmonogramu.

Najcięższa rakieta SpaceX, a niebawem na całym świecie, budowana z myślą także o lotach załogowych i wysyłaniu astronautów na Księżyc i Marsa m.in. na pokładzie budowanego przez firmę Muska załogowego statku Dragon 2, cechować się będzie ładownością aż 63 ton przy lotach na LEO, ponad 26 tonami przy misjach na orbitę GTO, a nawet blisko 17 tonami przy locie na Marsa. Wyprzedzi wyraźnie tym samym swoimi możliwościami najcięższą obecnie stosowaną rakietę, jaką jest Delta IV Heavy (LEO - 28 ton, GTO 14 ton).

Mało tego - taki udźwig uczyni Falcona Heavy rakietą o porównywalnych możliwościach do rakiety systemu SLS w podstawowym wariancie Block 1, który NASA będzie miała szansę przetestować najwcześniej pod koniec roku 2019 lub co bardziej prawdopodobne, na początku kolejnej dekady (o misji EM-1 tego programu wspominałem przed miesiącem w tekście "Quo vadis, SLS?"). Jeżeli wszystko przebiegnie zgodnie z oczekiwaniami SpaceX, przedsiębiorstwo Elona Muska już za chwilę będzie dysponowało sprawną technologią, którą NASA jako państwowa agencja Stanów Zjednoczonych będzie posiadać aż dwa lata później (jeśli nie więcej) - co jeszcze bardziej będzie miało prawo budzić wątpliwości co do sensu istnienia programu SLS w takim scenariuszu jaki obecnie się rysuje, a o którym pisałem w wyżej linkowanym tekście.

Porównanie budowy najczęściej wykorzystywanego przez SpaceX Falcona 9 i Falcona Heavy oraz wielkość Falcona Heavy na tle kilku innych przykładowych technologii, począwszy od wycofanego systemu STS. Credits: SpaceX

Taki znaczny udźwig będzie możliwy dzięki ważnym nowościom. Centralny człon Falcona Heavy będzie stanowił wzmocniony stopień Falcona 9, wzbogacony dodatkowymi dwoma boosterami - rakietami pomocniczymi na ciekły tlen, podobnie jak człon centralny. Człon centralny pierwszego stopnia zasilany ciekłym tlenem pracować będzie dzięki wykorzystaniu aż dziewięciu silników typu Merlin 1D dysponujących w czasie startu ciągiem rzędu 620 kN, a 690 kN w próżni. Silniki te posiadają system sterowania wektorem ciągu, a po dokonanych usprawnieniach poprzednich wersji dodatkowo w wersji 1D posiadają możliwość redukowania ciągu i jego zmian w zakresie 70 do 100%. Dla porównania - w promach kosmicznych stosowane były trzy silniki główne (choć innego typu - RS-25), a w centralnym członie pierwszego stopnia rakiet SLS będą stosowane cztery silniki główne RS-25.

Także dwie rakiety pomocnicze umieszczone po obu stronach centralnego członu pierwszego stopnia Falcona Heavy będą pracować na dziewięciu silnikach Merlin 1D. Oznacza to, że w trakcie pierwszej fazy startu od momentu T+0 do T+ 2 minuty 42 sekundy, pierwszy stopień, na który będą się składać człon centralny i dwie rakiety pomocnicze, będzie opierał się na równoczesnej pracy aż 27 (!) silników. Nie trudno więc dziwić się tutaj obawom, nawet ze strony samego Muska, co do pomyślności takiego rozwiązania, bo już po samej liczbie silników pierwszego stopnia łatwo da się zauważyć, że jest wiele spraw, które mogą pójść nie tak, jak powinny. Start ciężkiej rakiety opierający się na tak zaawansowanym systemie napędowym jest nie lada wyzwaniem. To będzie wielki test zarządzania energią i sterowania ciągiem, aby tak skomplikowana konstrukcja nie rozsypała się w trakcie wznoszenia na orbitę i zmierzała we właściwym kierunku. 27 silników Merlin 1D będzie generować ponad 5,1 mln ton ciągu przy pełnej mocy, co stanowić będzie około 2/3 ciągu wytwarzanego dawniej przez amerykańskie promy kosmiczne i więcej, niż jakakolwiek obecnie użytkowana rakieta na świecie. Cofając się w przeszłość, zapowiadane osiągi Falcona Heavy przewyższa tylko najpotężniejszy w dziejach Saturn V wynoszący astronautów na Księżyc w historycznym programie Apollo i używana dawniej radziecka Energia. I pomyśleć, że to tylko rozgrzewka Spacex przed jeszcze bardziej imponującymi konstrukcjami, ale o nich wspomnę jeszcze w innych tekstach.

Z kolei drugi (górny) stopień Falcona Heavy zasilany ciekłym tlenem będzie wyposażony w jeden silnik typu Merlin 1D Vacum - rozwiniętą wersję 1D przystosowaną do pracy w próżni, na potrzeby tej rakiety oraz drugiego stopnia Falcona 9 w wersji 1.1. Imponujący ciąg rzędu 934 kN można będzie redukować do nawet 39% maksymalnego ciągu, co będzie odpowiadać 360 kN. Czas pracy będzie wynosił maksymalnie 397 sekund (do 6 minut 37 sekund).

Sekcja silnikowa rakiety Falcon 9 (po lewej) i Falcona Heavy (po prawej). W obu przypadkach SpaceX stawia na konfigurację silników Merdlin 1D w tzw. octaweb - centralny silnik otoczony jest ośmioma pozostałymi rozmieszczonymi w okręgu. W trakcie pracy pierwszego stopnia Falcon Heavy będzie polegał na aż 27 takich silnikach. Credits: SpaceX

Po 162 sekundach od startu, człon centralny oraz dwie boczne rakiety pomocnicze rozpoczną kontrolowany powrót na Ziemię w celu ponownego wykorzystania. Po serii odpaleń manewrowych i przejściu przez atmosferę, człon centralny wylądować ma na barce ASDS OCISLY na Oceanie Atlantyckim - próba pionowego lądowania na silnikach w czasie T +10 minut - będzie to test umiejętności sprowadzenia tego stopnia na Ziemię przy uprzednim nabraniu przez niego znacznie wyższej prędkości, niż przez powracające dotychczas stopnie we wcześniejszych lotach SpaceX. Z kolei rakiety pomocnicze także przygotowane zostaną do ponownego wykorzystania i wylądować mają w wyznaczonych strefach LZ-1 (Landing Zone) w KSC, w czasie T +9 minut od startu. Pierwszy raz w historii będzie zatem podjęta próba praktycznie jednoczesnego pionowego lądowania dwóch stopni, jeden niemal obok drugiego. Opadanie i kontrola trajektorii będą możliwe tak dzięki odpaleniom manewrowym jak i zainstalowanym na szczytowych partiach rakiet tzw. płetwom sterowym. W trakcie separacji pierwszego stopnia jego boczne człony oddzielają się od centralnego cały czas manewrując tak, aby nie wejść w tor gazów wylotowych drugiego stopnia, po czym nastąpi odwrót i seria trzech odpaleń silników doprowadzająca w ciągu 7-8 minut do lądowania. Około 1000 metrów przed przyziemieniem rozłożone zostaną nogi zapewniające stabilność pionowo lądującemu stopniowi z jego odpalonym silnikiem.

Falcon Heavy pod koniec grudnia 2017 roku został wytoczony pod stanowisko startowe 39A w Centrum Kosmicznym Kennedy'ego i postawiony do pionu przed planowanymi na połowę stycznia 2018 finalnymi przygotowaniami, testem statycznym i dziewiczym startem. Credits: Dave Borinski (photo 1) / SpaceX (photo 2).

Pojedynczy silnik Merlin 1D na drugim stopniu rakiety dokończy osiąganie orbity. Musk zaznaczył, że przy tym pierwszym starcie istnieje duże ryzyko, że Falcon Heavy nie dotrze na orbitę, skąd konieczność przeprowadzenia jak najdokładniejszego testu statycznego. Wprawdzie SpaceX nie ogłosił konkretnego celu próbnego orbitalnego lotu Falcona Heavy, ale wiadomym jest, że misja demonstracyjna nie będzie posiadała żadnego ładunku od zewnętrznych klientów, jaki miałby zostać wyniesiony na orbitę. Jak pewien czas temu ogłosił założyciel przedsiębiorstwa, ładunkiem będzie Tesla Roadster, samochód elektryczny wyprodukowany przez Muska, który wprawdzie na Czerwonej Planecie nie wyląduje, ale najpewniej poleci ku Marsowi orbitą heliocentryczną, przecinając po prostu orbitę naszego planetarnego sąsiada.

Boczne rakiety wspomagające w tym inauguracyjnym locie stanowić będą wykorzystywane ponownie pierwsze stopnie Falcona 9 odzyskane pomyślnie przez SpaceX po poprzednich startach. Całkowicie załadowany paliwem - kerozyną i ciekłym tlenem Falcon Heavy będzie ważył w chwili startu ponad 1420 ton mierząc 70 metrów wysokości i 12,2 metrów szerokości (pierwszy stopień) - z kolei masa stosowanych obecnie Falconów 9 wynosi 549 ton, przy tej samej wysokości 70 metrów i średnicy 3 metrów (z uwagi na brak dwóch bocznych rakiet pomocniczych). Dla porównania, opracowywana przez NASA rakieta SLS w podstawowym wariancie mierzyć będzie 102 metry (z czego pierwszy stopień 64 m), przy średnicy 8,4 metrów.

Porównanie, które jednak uderza najbardziej w świetle podobnych możliwości Falcona Heavy i podstawowej konfiguracji SLS, jaka zadebiutuje najwcześniej za 2-3 lata w sztandarowym programie NASA to koszty wystrzelenia ładunku. Jeśli wszystko potoczy się pomyślnie, niebawem staniemy się świadkami kolejnej rewolucji w tym względzie. O ile w przypadku SLS obecne i najpewniej jeszcze nie ostateczne szacunki mówią już o 500 milionach dolarów dla jednej misji, o tyle w przypadku Falcona Heavy mówimy o... 90 milionach dolarów. Co tu dużo zatem mówić - do boju, SpaceX!

AKTUALIZACJA 28.01

SpaceX poinformowało, że wstępnie próbę startu wyznaczono na wtorek 6 lutego. Okienko startowe otwiera się o godz. 19:30 CET i potrwa do 22:30. O ile w tym czasie z jakichkolwiek przyczyn nie uda się przeprowadzić startu, Falcon Heavy będzie posiadał zapasowy termin następnego dnia. Wstępne prognozy pogody dla rejonu KSC korzystniej zapowiadają się 7 lutego, ale z uwagi na wciąż duże wyprzedzenie czasowe mogą one ulec zmianom.  

Oprac. własne w oparciu o materiały SpaceX, SpaceflightNow, Wiki.

Bądź na bieżąco ze zjawiskami astronomicznymi i wszystkim co ważne dla amatora astronomii - dołącz do stałych czytelników bloga na Facebooku lub GooglePlus.