Falcon 9: definición y datos del cohete reutilizable de SpaceX

Concepción y financiación

En octubre de 2005, SpaceX dijo que iba a lanzar el Falcon 9 en el primer semestre de 2007. El primer lanzamiento tuvo lugar en 2010.

SpaceX gastó su propio dinero para crear el Falcon 1. La creación del Falcon 9 fue más rápida porque la NASA ayudó con el coste. También dijeron que comprarían varios vuelos comerciales. Esto comenzó con dinero del programa de Servicios de Transporte Orbital Comercial (COTS) en 2006. El contrato era un Acuerdo de la Ley Espacial (SAA) "para desarrollar y demostrar el servicio de transporte orbital comercial". Incluía el pago por parte de la NASA de tres vuelos de demostración. El contrato ascendía a 278 millones de dólares para financiar el desarrollo de Dragon, Falcon 9 y los lanzamientos de demostración de Falcon 9 con Dragon. En 2011 se añadieron otros hitos, lo que hizo que el valor total del contrato fuera de 396 millones de dólares.

La NASA se convirtió en el principal usuario del vehículo en 2008. Acordaron comprar 12 lanzamientos de servicios comerciales de reabastecimiento a la Estación Espacial Internacional. El dinero se pagaría después de que las misiones de demostración se completaran con éxito. El contrato de suministro de logística espacial estaba valorado en 1.600 millones de dólares para un mínimo de 12 misiones de transporte de suministros hacia y desde la Estación Espacial Internacional.

Elon Musk ha dicho que habría tardado más tiempo sin el dinero de la NASA.

SpaceX sólo ha llegado hasta aquí basándose en los increíbles logros de la NASA, teniendo a la NASA como inquilino de anclaje para el lanzamiento y recibiendo el asesoramiento de expertos y la tutoría durante todo el proceso de desarrollo. SpaceX desea agradecer especialmente a la oficina COTS de la NASA su apoyo y orientación continuos a lo largo de este proceso. El programa COTS ha demostrado el poder de una verdadera asociación entre el sector privado y el público, y esperamos con interés los emocionantes esfuerzos que nuestro equipo llevará a cabo en el futuro.

En 2011, SpaceX dijo que los costes del Falcon 9 v1.0 eran de unos 300 millones de dólares. La NASA dijo que los costes habrían sido de 3.600 millones de dólares si se hubiera utilizado un enfoque de contrato tradicional de coste incrementado. En 2014, SpaceX hizo públicos los costes totales tanto del Falcon 9 como de la cápsula Dragon. La NASA aportó 396 millones de dólares. SpaceX aportó más de 450 millones de dólares.

Un informe de la NASA de 2011 decía que les habría costado unos 4.000 millones de dólares desarrollar un cohete como el propulsor Falcon 9. "Un enfoque de "desarrollo más comercial" podría haber permitido a la agencia pagar sólo 1.700 millones de dólares".

El testimonio de SpaceX en el Congreso en 2017 dijo que el proceso normal de la NASA de establecer sólo un requisito y dejar los detalles a SpaceX les permitió fabricar el cohete Falcon 9 a un coste mucho menor.

Desarrollo

Al principio, SpaceX quería seguir al Falcon 1 con un vehículo de mayor capacidad, el Falcon 5. En 2005, SpaceX dijo que estaba trabajando en el Falcon 9 en su lugar. Dijeron que ya tenían un cliente gubernamental. Se dijo que el Falcon 9 era capaz de transportar aproximadamente 9.500 kilogramos (20.900 libras) a la órbita baja de la Tierra. Dijeron que costaría 27 millones de dólares por vuelo con una carga útil de 3,7 metros (12 pies). Costaría 35 millones de dólares con una carga útil de 5,2 metros (17 pies). SpaceX también dijo que una versión pesada del Falcon 9 tendría una capacidad de carga útil de unos 25.000 kilogramos (55.000 libras). El Falcon 9 estaba destinado a permitir lanzamientos a la órbita terrestre baja (LEO), a la órbita de transferencia geosíncrona (GTO), así como a vehículos de tripulación y de carga a la Estación Espacial Internacional (ISS). El cohete no era totalmente reutilizable en ese momento. Esto hizo que las estimaciones de precio fueran más altas de lo esperado.

Probando

El contrato original de la NASA preveía un vuelo de demostración de Falcon en septiembre de 2008. También pedía que las tres misiones de demostración se realizaran en septiembre de 2009. En febrero de 2008, el plan para el primer vuelo de demostración se retrasó hasta principios de 2009. Según Elon Musk, el retraso se debió a lo cpmplejas que eran las normas de lanzamiento desde Cabo Cañaveral.

La primera prueba con dos motores conectados a la primera etapa se realizó en enero de 2008. Otras pruebas llevaron al Falcon 9 a ser probado con nueve motores. Los motores se probaron durante una misión completa (178 segundos para la primera etapa) en noviembre de 2008. En octubre de 2009, la primera etapa realizó por primera vez con éxito un disparo de prueba con todos los motores. Esto se hizo en McGregor, Texas. En noviembre de 2009, SpaceX realizó la primera prueba de la segunda etapa. Esta prueba duró cuarenta segundos. En enero de 2010, se realizó un disparo de duración completa (329 segundos) de la segunda etapa del Falcon 9. La fecha de lanzamiento prevista por SpaceX es marzo de 2010.

En febrero de 2010, la primera pila de vuelo de SpaceX se instaló en el Complejo de Lanzamiento Espacial 40 de Cabo Cañaveral. El 9 de marzo de 2010, SpaceX debía probar el disparo de la primera etapa. La prueba se detuvo 2 segundos antes del disparo. Esto se debió a un fallo en el sistema diseñado para bombear helio a alta presión desde la plataforma de lanzamiento a la primera etapa. El problema se produjo en la plataforma y no en el propio cohete. Todos los sistemas del Falcon 9 que condujeron al aborto funcionaron como se esperaba. Otra prueba realizada el 13 de marzo de 2010 fue un éxito.

Producción

En diciembre de 2010, SpaceX fabricaba un Falcon 9 (y una nave espacial Dragon) cada tres meses. Querían duplicar el ritmo a una cada seis semanas. En septiembre de 2013, el espacio de fabricación de SpaceX había aumentado a casi 93.000 metros cuadrados (1.000.000 de pies cuadrados). La fábrica se había preparado para hacer 40 núcleos de cohetes al año. En noviembre de 2013, la fábrica fabricaba un vehículo Falcon 9 al mes. La empresa quería aumentar esa cifra a 18 vehículos al año a mediados de 2014 y a 24 al año a finales de 2014. Querían fabricar 40 núcleos de cohetes al año a finales de 2015.

Estas tasas de producción no se alcanzaron en febrero de 2016. La compañía dijo que la tasa de producción de núcleos de Falcon 9 sólo había aumentado a 18 por año. También dijeron que el número de núcleos de la primera etapa que pueden fabricarse a la vez se había duplicado de tres a seis. Se esperaba que la tasa aumentara a 30 núcleos por año a finales de 2016. Aun así, en agosto de 2016, SpaceX estaba trabajando para alcanzar una capacidad de producción de 40 núcleos al año.

Desde 2018, SpaceX suele reutilizar las primeras etapas. Esto ha reducido la necesidad de nuevos núcleos. En 2021, SpaceX realizó 31 lanzamientos de F9. Sólo en dos de ellos se utilizaron boosters nuevos. Recuperaron el booster en todos los vuelos menos en uno.

El Falcon 9 es un cohete de dos etapas. Está impulsado por LOX y RP-1. Ambas etapas cuentan con motores cohete Merlin 1D. La primera etapa tiene nueve que están adaptados para su uso a nivel del mar. La segunda etapa tiene uno que está adaptado para su uso en el vacío. Los motores utilizan una mezcla pirofórica de trietilaluminio-trietilborano (TEA-TEB) para su encendido. Los motores de la primera etapa están dispuestos en una forma que SpaceX llama "Octaweb". Muchos núcleos tienen cuatro patas de aterrizaje en la base de la Octaweb. Para controlar el núcleo mientras cae en la atmósfera, SpaceX utiliza aletas de rejilla. Se despliegan desde el vehículo tras la separación. Las patas se despliegan momentos antes del aterrizaje.

 Las paredes del tanque de propulsante y las cúpulas están hechas de una aleación de aluminio-litio. El tanque de la segunda etapa de un Falcon 9 es una versión más corta del tanque de la primera etapa. Esto disminuye el coste de su fabricación. La conexión entre las dos etapas es una estructura de
fibra de carbono y núcleo de aluminio. El sistema original de separación de etapas tenía doce puntos de unión. Esto fue lo que se redujo a tres en el lanzador v1.1.

El Falcon 9 utiliza un carenado de carga útil para proteger los satélites durante el lanzamiento. El carenado mide 13 m de largo, 5,2 m de diámetro y pesa aproximadamente 1.900 kg. Está fabricado con una piel de fibra de carbono sobre un núcleo de aluminio en forma de panal. Las pruebas del diseño se realizaron en las instalaciones de la estación Plum Brook de la NASA en la primavera de 2013.

SpaceX utiliza varios ordenadores de vuelo. Esto hace que el sistema se vea menos afectado por los fallos. Cada motor de cohete Merlin está controlado por tres ordenadores. Cada uno de estos ordenadores tiene dos procesadores que se controlan mutuamente. El software se ejecuta en Linux. Está escrito en C++. Cada etapa tiene sus propios ordenadores de vuelo. Esto se suma a los controladores de cada motor. La CPU del microcontrolador de cada motor funciona con una arquitectura PowerPC.

El cohete Falcon 9 puede perder hasta dos de los motores y seguir completando la misión. Cada motor crea 854 kN (192.000 libras_f ) de empuje.

El Falcon 9 v1.0 voló cinco veces entre 2010 y 2013. El Falcon 9 v1.1 realizó su primer vuelo en septiembre de 2013. La misión transportó una carga útil muy pequeña de 500 kg (1.100 lb), el satélite CASSIOPE. Posteriormente lanzó cosas más grandes. Entre ellas, el satélite de comunicaciones SES-8 GEO. Tanto el Falcon 9 v1.0 como el Falcon 9 v1.1 eran vehículos de lanzamiento desechables (ELV). El Falcon 9 Full Thrust realizó su primer vuelo en diciembre de 2015. La primera etapa de la versión Falcon 9 Full Thrust puede utilizarse varias veces. La versión actual, conocida como Falcon 9 Block 5, realizó su primer vuelo en mayo de 2018.

En 2010, el precio de un lanzamiento de Falcon 9 v1.0 era de 49,9 a 56 millones de dólares. En 2012, el rango de precios cotizados había aumentado a 54-59,5 millones de dólares. En agosto de 2013, el precio de un Falcon 9 v1.1 era de 56,5 millones de dólares; se elevó a 61,2 millones de dólares en junio de 2014. Desde mayo de 2016, el precio de una misión Falcon 9 Full Thrust (que permite la recuperación del booster) es de 62 millones de dólares. Las misiones de carga Dragon a la ISS tienen un coste medio de 133 millones de dólares La misión DSCOVR, para la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), costó 97 millones de dólares.

En 2004, Elon Musk dijo que "los planes a largo plazo contemplan el desarrollo de un producto de transporte pesado e incluso de un superpesado, si hay demanda de los clientes. [...] En última instancia, creo que 500 dólares por libra (1.100 dólares/kg) [de carga útil entregada en órbita] o menos es muy alcanzable". En su precio de 2016, un lanzamiento de Falcon 9 FT cuesta algo más de 2.700 dólares/kg (1.200 dólares/libra).

En 2011, Musk estimó que los materiales necesarios para el lanzamiento del Falcon 9 v1.0 costaban unos 200.000 dólares. La primera etapa utiliza 245.620 L (54.030 imp gal; 64.890 US gal) de oxígeno líquido y 146.020 L (32.120 imp gal; 38.570 US gal) de combustible RP-1, mientras que la segunda etapa utiliza 28.000 L (6.200 imp gal; 7.400 US gal) de oxígeno líquido y 17.000 L (3.700 imp gal; 4.500 US gal) de RP-1.

En octubre de 2019, los datos de la NASA mostraron que el "precio base" del Falcon 9, de 62 millones de dólares por lanzamiento, se reduciría a 52 millones de dólares para los vuelos programados a partir de 2021.

La CNBC informó en abril de 2020 de que los lanzamientos de la Fuerza Aérea de Estados Unidos costaban 95 millones de dólares, debido a la seguridad adicional utilizada. El ejecutivo de SpaceX, Christopher Couluris, declaró que la reutilización de cohetes puede abaratar aún más los precios, que "cuesta 28 millones de dólares lanzarlo, eso con todo".

• Página oficial del Falcon 9
• SAOCOM 1B | Lanzamiento y aterrizaje
• Disparo de prueba de dos motores Merlin 1C conectados a la primera etapa del Falcon 9, Película 1, Película 2 (18 de enero de 2008)
• Comunicado de prensa anunciando el diseño (9 de septiembre de 2005)
• SpaceX espera abastecer la ISS con el nuevo lanzador pesado Falcon 9 (Flight International, 13 de septiembre de 2005)
• SpaceX lanza el Falcon 9, con un cliente Archivado el 11 de junio de 2007 en la Wayback Machine (Defense Industry Daily, 15 de septiembre de 2005)