ファルコン9~再飛行が可能な最初の軌道クラスのロケット~

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SpaceX

Falcon9は、衛星とドラゴン宇宙船を軌道上に確実かつ安全に輸送するためにSpaceXによって設計および製造された2段ロケットです。Falcon 9は、再飛行が可能な最初の軌道クラスのロケットです。SpaceXは、ロケットの再利用が宇宙へのアクセスのコストを削減し、人々が他の惑星で暮らせるようにするために必要な重要な進歩であると考えています。

Falcon 9は最大限の信頼性を得るためにゼロから設計されました。Falcon 9のシンプルな2段構成は分離イベントの数を最小限に抑えます – そして9段の1段エンジンで、エンジン停止の場合でも安全にその任務を完了することができます。

Falcon 9は、2012年にDragonを国際宇宙ステーションとのランデブーのための正しい軌道に投入したときに歴史を築き、SpaceXをこれまでにこのステーションを訪れた最初の商業会社としました。それ以来、Falcon 9は、NASAのために宇宙ステーションから貨物を配達したり返却したりするだけでなく、衛星を軌道に乗せて数多くの旅をしました。Falcon 9は、Dragonの宇宙船と共に、人間を宇宙に引き渡すために最初から設計されました、そして、NASAとの協定の下で、SpaceXは積極的にこの目標に向かって取り組んでいます。

ペイロード

Falcon 9は、ドラゴン探査機の内部または複合フェアリングの内部のスペースにペイロードを届けます。

ドラゴン宇宙船

ドラゴンは宇宙船の加圧カプセルと加圧されていないトランクで貨物を運びます。そして、それは二次ペイロードを収容することもできます。将来的には、ドラゴンも加圧カプセルに宇宙飛行士を運ぶでしょう。

ドラゴントランク

ドラゴンのトランクは宇宙への上昇の間ドラゴンの宇宙船を支え、国際宇宙ステーションに向けて加圧されていない貨物を保持するように設計された貨物運搬船を含んでいる。トランク、リベットで留められたアルミニウム構造は、高さ2.8メートル(9.2フィート)と幅3.66メートル(12フィート)です。トランクには、トランク構造に不可欠なラジエータも収容されており、最大3kWの熱を遮断することができます。

ドラゴンのソーラーアレイ(それぞれ4つのパネルで構成された2つのアレイ)を収納するフェアリングがトランクの外側に取り付けられています。アレイは5キロワット以上の電力を生み出し、余剰電力は暗闇の間はドラゴンのバッテリーを充電します。ドラゴンが帰りの旅行で地球の大気圏に入る直前にトランクと太陽電池アレイは投棄されます。

フロリダ州ケープカナベラルのSpaceX格納庫でドラゴンのトランクにドラゴンの太陽電池パネルを設置する。

SpaceX Cape Canaveralの打ち上げ現場で、折りたたみ式のソーラーアレイの上に設置された保護フェアリング付きのドラゴン。

複合フェアリング

ペイロードフェアリングは、低地球軌道(LEO)、静止同期軌道(GTO)およびそれ以降の目的地への衛星の配達用です。

Falcon HeavyとFalcon 9の両方で使用されているSpaceXのペイロードフェアリングは、SpaceXによって社内で製造された複合構造体で、低地球軌道(LEO)、静止軌道(GTO)などへの配送中に衛星を保護します。フェアリングの高さは13.1メートル(43フィート)、幅は5.2メートル(17フィート)です。それは、2つのハーフシェルで製造された炭素繊維の表面シートを有するアルミニウムハニカムコアから成ります。


1段目と2段目の分離後、2段目のカットオフの前に、垂直方向の縫い目に沿った空気圧システムがサテライト展開のために押し開きます。衛星はその後、第2段階までに軌道を回るために残りの方法で配達され、解放されます。

第2段

2台目のステージは、単一のMerlin真空エンジンを搭載しており、Falcon 9のペイロードを目的の軌道に送ります。セカンドステージエンジンはステージ分離後数秒で点火し、複数のペイロードを異なる軌道に配置するために複数回再起動することができます。最大の信頼性のために、第2段階は冗長点火システムを持っています。第一段階と同様に、第二段階は高強度アルミニウム – リチウム合金から作られる。

エンジン:1
燃焼時間:397 秒
推力:934 kN(210,000ポンド)

段間

段間は、第1段階と第2段階を接続し、放出および分離システムを保持する複合構造である。Falcon 9は、ほとんどのロケットで使用されている火工品システムとは異なり、地上でテストできる低衝撃で信頼性の高い分離のために全空気式ステージ分離システムを使用しています。

第一段階

Falcon 9の最初のステージには、9つのMerlinエンジンと、液体酸素とロケット級灯油(RP-1)推進剤を含むアルミニウム – リチウム合金タンクが組み込まれています。着火後、解放前ホールドシステムにより、ロケットが飛行のために解放される前に、すべてのエンジンがフルスラスト性能について検証されます。それから、フルパワーで5 747以上の推力で、マーリンエンジンは宇宙にロケットを打ち上げます。飛行機とは異なり、ロケットの推力は実際には高度とともに増加します。Falcon 9は海面で170万ポンド以上の推力を生み出しますが、宇宙の真空中で180万ポンド以上の推力を得ます。ロケットの質量が燃料の燃焼に伴って減少するにつれて、ロケットの質量が減少するにつれて、ロケットの加速を制限するために、第一段階のエンジンは第一段階の飛行の終わり近くで徐々に絞られる。

エンジン:9
燃焼時間:162 秒
海面推力:7,607 kN(1,710,000ポンド)
真空推力:8,227 kN(1,849,500ポンド)

ロケット着陸の理由と方法

あなたの何人かは私達のファルコン9ロケットの最初のステージを地球に垂直に着陸させるという私達の最近の試みに従っているかもしれません。

1月にこの試みがあり、4月にこれが続きました。
CRS-6の最初のステージに近づくだけで指示を読むこれらの着陸の試みは、宇宙輸送のコストを劇的に削減する、完全かつ迅速に再利用可能なロケットシステムを製造するという私たちの目標に向かって私たちを動かします。

ジャンボジェット機は私たちのFalcon 9ロケットの1つと同じくらいかかります、しかし航空会社はLAからニューヨークへの片道旅行の後飛行機をジャンクしません。それでも宇宙旅行では、ロケット自体が打ち上げコストの大部分を占めていますが、ロケットは一度だけ飛行します。

スペースシャトルは技術的に再利用可能でしたが、巨大な燃料タンクは打ち上げごとに廃棄され、サイドブースターはフライトごとに腐食性の塩水にパラシュートし、回収と再処理の長い複雑なプロセスを開始しました。それでは、ロケットを穏やかにそして正確に陸上に着陸させることによってこれらの要因を軽減することができたらどうでしょうか?改修の時間と費用は劇的に削減されます。

歴史的に、ほとんどのロケットはそれらのペイロードを宇宙に入れるために彼らの利用可能な燃料のすべてを使う必要がありました。彼らは心宇宙ステーションへのドラゴンを提供するために十分なビルトイン燃料マージンを持っているにSpaceX社のロケットを再利用して、最初から構築されたと地球に初段を返します。その余分な燃料はロケットを減速させ、最終的にそれがその途中で宇宙船を送った後に最初のステージを着陸させるために数回エンジンを再点火するために必要とされる。

余分な燃料に加えて、私たちは再利用性のために私たちのFalcon 9の第一段階にいくつかの重要な機能を追加しました。我々のロケットと呼ばれる小さな、折り畳み可能な耐熱翼有するグリッドフィンが地球の大気を介して空間の縁から急落、第1段目を操縦するために必要な、コールドガススラスタフリップするために使用された第1段目の上を地球への旅を始めるとロケット弾、そしてタッチダウンに近づくにつれて展開する強力で軽量のカーボンファイバーの着陸脚。これらのシステムはすべて、人間によって構築およびプログラミングされていますが、ロケットが打ち上げられると完全に自動化され、リアルタイムの着信データに基づいて反応を調整しています。

それで、私たちが最近の着陸の試みから何を学びましたか?

大西洋でドローン船に着陸しようとする最初の試みは1月であり、私達が接近している間に、最初の段階はロケットの降下を制御するのを助ける小さいひれを操縦するのに使用される油圧流体を時期尚早に使い果たしました。今では、車両はステアリング目的のための重要な流体をはるかに多く備えています。

私たちの2回目の試みは4月で、私たちはこの着陸を固執することに近づきました。私たちの追跡カメラからこのこれまで未発表の、より長いビデオをチェックしてください。乗り物が音速よりも速く移動しているとき、それは舞台が大気中を降下していることを示しています。

その制御された降下は成功したが、着陸の約10秒前に、ロケットのエンジン出力(推力)を制御するバルブが一時的に必要な速さでコマンドに反応しなくなった。その結果、命令されたよりも数秒遅れて減速し、そしてこの時点でロケットの重量は約67,000ポンドであり、時速200マイル近くで移動していたので、数秒間は非常に長い時間となる可能性があります。スロットルが本質的に「高」に固定されていてエンジンが予定よりも長く点火していたため、車両は一時的に制御を失い、着陸に間に合うように回復することができず、転倒しました。

最後の1秒の傾きはさておき、着陸の試みはほぼ計画通りに行われました。ステージが分離した直後(2番目のステージが最初のステージを後にしてドラゴンを軌道に乗せるまで続いたとき)、コールドガススラスタがステージを反転させて再突入の方向を変えました。それから、3つのエンジンがロケットの速度を落として着陸地点に向かってそれを持って来る「後押し燃焼」のために点火しました。

エンジンはそれから地球の大気を通って再突入するためにステージを遅くするために再点火され、そしてグリッドフィン(今回ははるかに多くの油圧流体で)はステージによって生み出された揚力を操縦するために伸びた。私たちの雰囲気はマッハ4で移動する物体に対する糖蜜のようなものであり、グリッドフィンは正確に着地するために不可欠です。最後の着陸燃焼は点火し、グリッドフィン、低温ガススラスタおよび操縦可能なエンジンが一緒になって車両を制御し、着陸燃焼全体を通してステージを目標軌道の15メートル以内に保った。ステージが目標から10メートル以内に着地したところで、直立を維持するには少し難しかったが、車両の脚は私たちの無人船「Just Read the Instructions」に到着する直前に展開した。ロケットの再利用性インフォグラフィック打ち上げ後の分析の結果、このハードランディングの唯一の原因としてスロットルバルブが確認されました。チームは次の試みのために同様の問題を防止し、そしてすばやく回復できるように変更を加えました – それは我々の次の打ち上げである – 宇宙ステーションへの8番目のFalcon 9とDragon貨物ミッション、現在この日曜日に予定。

でも、私たちが学んできたすべてのものを与え、我々の第三ドローン艦不確実である(「もちろん、私はまだあなたを愛して」という名前の新しい1)に着陸しようとする試みが、調子に続くのオッズここで、この日曜日は、私たちは、取得しようとして完全かつ迅速に再利用可能なロケットに向かって一歩近づいた。

着陸の足

Falcon 9の最初のステージは、ステージ分離後に展開し、ロケットの地球へのソフトリターンを可能にする着陸脚を運びます。4本の脚はアルミニウムハニカムを使用した最先端のカーボンファイバー製です。ロケットの基部を中心にして左右対称に配置されており、リフトオフ中は車両の側面に沿って格納され、後に着陸のために外向きおよび下向きに延びます。 

ナインマーリンエンジン

Falcon 9は、9つの第1ステージMerlinエンジンがクラスタ化されているため、飛行中に最大2つのエンジン停止を維持しながら、ミッションを成功させることができます。Falcon 9は、この主要な信頼性機能を備えたクラスで唯一のロケットです。

マーリンエンジン

図3 ナインマーリンエンジンOctaweb

マーリンエンジン

Falcon 9の第一段階を駆動するMerlinエンジンは、SpaceXによって自社開発および製造されています。液体酸素とロケット級の灯油推進剤を燃やして、単一のマーリンエンジンはリフトオフで845キロニュートン(190,000ポンド)の推力を発し、それが地球の大気から降りると914キロニュートン(205,500ポンド)に上昇します。Merlinの推力対重量比は150を超えており、宇宙飛行士の運搬に必要な構造上および熱上の安全余裕を維持しながら、Merlinを今までで最も効率的なブースターエンジンにしています。

Falcon 9は現在エンジンアウト機能を備えた唯一の飛行体です。Falcon 9は最初の段階で最大2つのMerlinエンジンを失い、それでもその任務を完了することができます。第一段階の9エンジンアーキテクチャは、アポロ計画のサターンIとサターンVロケットによって採用された設計の改良版であり、エンジン損失にもかかわらず完璧な飛行記録を持っていました。

オクタウェブ

9つのMerlinエンジンのOctaweb構造は、以前の3×3エンジン配置を改良したものです。Octawebは打ち上げロケットの基部でセンターエンジンを囲む8つのエンジンを支える金属構造です。この構造により、エンジン部の設計と組み立てが簡単になり、製造プロセスが合理化されます。

技術概要
高さ:70 m(229.6 ft)
質量:549,054 kg(1,207,920ポンド)
LEOへのペイロード:22,800 kg (50,265ポンド)
火星へのペイロード:4,020 kg(8,860ポンド)
直径:3.7 m(12 ft)
ステージ:2
GTOへのペイロード:8,300 kg(18,300ポンド)
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