Falcon 9 | een tweetrapsraket

Concept en financiering

In oktober 2005 zei SpaceX dat het in de eerste helft van 2007 de Falcon 9 ging lanceren. De eerste lancering vond plaats in 2010.

SpaceX gaf zijn eigen geld uit om de Falcon 1 te maken. Het maken van de Falcon 9 ging sneller omdat NASA hielp met de kosten. Ze zeiden ook dat ze verschillende commerciële vluchten zouden kopen. Dit begon met geld van het Commercial Orbital Transportation Services (COTS) programma in 2006. Het contract was een Space Act Agreement (SAA) "om commerciële orbitale transportdiensten te ontwikkelen en te demonstreren". De NASA betaalde voor drie demonstratievluchten. Het contract bedroeg 278 miljoen dollar voor de financiering van de ontwikkeling van Dragon, Falcon 9 en demonstratielanceringen van Falcon 9 met Dragon. In 2011 werden andere mijlpalen toegevoegd, waardoor de totale contractwaarde US$396 miljoen werd.

NASA werd de belangrijkste gebruiker van het voertuig in 2008. Zij stemden ermee in om 12 Commercial Resupply Services lanceringen naar het internationale ruimtestation te kopen. Het geld zou worden betaald nadat de demonstratiemissies met succes waren voltooid. Het contract voor de levering van ruimtelogistiek had een waarde van 1,6 miljard dollar voor minimaal 12 missies om voorraden van en naar het internationale ruimtestation te vervoeren.

Elon Musk heeft gezegd dat het zonder het NASA-geld langer had geduurd.

SpaceX is alleen zover gekomen door voort te bouwen op de ongelooflijke prestaties van NASA, door NASA als ankerhuurder te hebben voor de lancering, en door deskundig advies en mentorschap te ontvangen tijdens het ontwikkelingsproces. SpaceX wil in het bijzonder het NASA COTS kantoor bedanken voor hun voortdurende steun en begeleiding tijdens dit proces. Het COTS-programma heeft de kracht aangetoond van een echt privaat/publiek partnerschap, en we kijken uit naar de spannende inspanningen die ons team in de toekomst zal leveren.

In 2011 zei SpaceX dat de kosten van de Falcon 9 v1.0 ongeveer 300 miljoen dollar bedroegen. NASA zei dat de kosten 3,6 miljard dollar zouden zijn geweest als een traditionele cost-plus contractaanpak was gebruikt. In 2014 gaf SpaceX de totale kosten voor zowel de Falcon 9 als de Dragon-capsule vrij. NASA verstrekte 396 miljoen dollar. SpaceX verstrekte ruim 450 miljoen dollar.

Volgens een NASA-rapport uit 2011 zou het ongeveer 4 miljard dollar hebben gekost om een raket als de Falcon 9-booster te ontwikkelen. "Een meer commerciële ontwikkelingsaanpak zou het agentschap slechts 1,7 miljard dollar hebben gekost.

In de getuigenis van SpaceX in het Congres in 2017 stond dat het normale NASA-proces om alleen een eis te stellen en de details aan SpaceX over te laten, hen in staat stelde de Falcon 9-raket tegen veel lagere kosten te maken.

Ontwikkeling

Aanvankelijk wilde SpaceX de Falcon 1 opvolgen met een voertuig met een grotere capaciteit, de Falcon 5. In 2005 zei SpaceX dat het in plaats daarvan aan de Falcon 9 werkte. Ze zeiden dat ze al een overheidsklant hadden. De Falcon 9 zou ongeveer 9.500 kilogram (20.900 pond) naar een lage baan om de aarde kunnen brengen. Het zou 27 miljoen dollar per vlucht kosten met een nuttige lading van 3,7 meter. Met een laadvermogen van 5,2 meter zou het 35 miljoen dollar kosten. SpaceX zei ook dat een zware versie van de Falcon 9 een laadvermogen van ongeveer 25.000 kilogram zou hebben. De Falcon 9 was bedoeld voor lanceringen naar Low-Earth Orbit (LEO), Geosynchrone Transfer Orbit (GTO), alsmede voor zowel bemannings- als vrachtvoertuigen naar het International Space Station (ISS). De raket was toen nog niet volledig herbruikbaar. Hierdoor vielen de prijsramingen hoger uit dan verwacht.

Testen

Het oorspronkelijke NASA-contract voorzag in een demonstratievlucht van de Falcon in september 2008. Het schreef ook voor dat alle drie de demonstratiemissies tegen september 2009 moesten plaatsvinden. In februari 2008 werd het plan voor de eerste demonstratievlucht uitgesteld tot begin 2009. Volgens Elon Musk werd de vertraging veroorzaakt door hoe cpmplex het werk was de regels voor lancering vanaf Cape Canaveral.

De eerste test met twee motoren gekoppeld aan de eerste trap vond plaats in januari 2008. Andere tests leidden ertoe dat de Falcon 9 werd getest met negen motoren. De motoren werden getest voor een volledige missielengte (178 seconden voor de eerste trap) in november 2008. In oktober 2009 had de eerste trap voor het eerst een succesvolle testbrand met alle motoren. Dit gebeurde in McGregor, Texas. In november 2009 hield SpaceX de eerste test van de tweede trap. Deze test duurde veertig seconden. In januari 2010 werd de tweede trap van de Falcon 9 volledig (329 seconden) afgevuurd. De geplande lanceerdatum van SpaceX is maart 2010.

In februari 2010 werd de eerste vluchtstapel van SpaceX opgesteld op Space Launch Complex 40, Cape Canaveral. Op 9 maart 2010 zou SpaceX de eerste trap testen. De test werd 2 seconden voor het afvuren gestopt. Dit kwam door een storing in het systeem dat helium onder hoge druk van het lanceerplatform in de eerste trap moest pompen. Het probleem lag bij het platform en niet bij de raket zelf. Alle systemen van de Falcon 9 voorafgaand aan de afbreking werkten zoals verwacht. Een andere test op 13 maart 2010 was succesvol.

Productie

In december 2010 maakte SpaceX elke drie maanden een Falcon 9 (en Dragon-ruimtevaartuig). Ze wilden dat tempo verdubbelen tot één per zes weken. In september 2013 was de productieruimte van SpaceX toegenomen tot bijna 93.000 vierkante meter. De fabriek was ingesteld op het maken van 40 raketkernen per jaar. Vanaf november 2013 maakte de fabriek één Falcon 9-voertuig per maand. Het bedrijf wilde dat verhogen tot 18 voertuigen per jaar medio 2014 en 24 per jaar tegen eind 2014. Eind 2015 wilden ze 40 raketkernen per jaar maken.

Deze productiesnelheden werden in februari 2016 niet gehaald. Het bedrijf zei dat de productiesnelheid voor Falcon 9-kernen slechts was gestegen tot 18 per jaar. Ze zeiden ook dat het aantal kernen van de eerste trap die in één keer kunnen worden gemaakt, was verdubbeld van drie naar zes. Er werd verwacht dat het tempo zou groeien tot 30 kernen per jaar tegen eind 2016. Toch werkte SpaceX in augustus 2016 toe naar een productiecapaciteit van 40 kernen per jaar.

Sinds 2018 hergebruikt SpaceX meestal de eerste trappen. Daardoor zijn er minder nieuwe kernen nodig. In 2021 had SpaceX 31 F9 lanceringen. Slechts twee daarvan gebruikten nieuwe boosters. Ze herstelden de booster op alle vluchten na.

De Falcon 9 is een tweetrapsraket. Hij wordt aangedreven door LOX en RP-1. Beide trappen hebben Merlin 1D raketmotoren. De eerste trap heeft er negen die zijn aangepast voor gebruik op zeeniveau. De tweede trap heeft er één die geschikt is voor gebruik in vacuüm. De motoren maken gebruik van een pyrofoor mengsel van triethylaluminium-triethylboraan (TEA-TEB) om de motor te ontsteken. De motoren van de eerste trap zijn geplaatst in een vorm die SpaceX "Octaweb" noemt. Veel kernen hebben vier landingspoten aan de basis van het Octaweb. Om de kern onder controle te houden terwijl hij door de atmosfeer valt, gebruikt SpaceX rastervinnen. Deze worden na de scheiding uit het voertuig verwijderd. De poten worden vlak voor de landing uitgeklapt.

 De wanden en koepels van de stuwstoftank zijn gemaakt van een aluminium-lithiumlegering. De tank van de tweede trap van een Falcon 9 is een kortere versie van de tank van de eerste trap. Dit verlaagt de kosten om ze te maken. De verbinding tussen de twee trappen is een structuur van
koolstofvezel en aluminiumkern. Het oorspronkelijke trapscheidingssysteem had twaalf bevestigingspunten. Dit werd teruggebracht tot drie in de v1.1 draagraket.

De Falcon 9 gebruikt een payload fairing om satellieten te beschermen tijdens de lancering. De kuip is 13 m lang, heeft een diameter van 5,2 m en weegt ongeveer 1900 kg. Hij is gemaakt van een koolstofvezelhuid op een aluminium honingraatkern. Het ontwerp werd in het voorjaar van 2013 getest in NASA's Plum Brook Station.

SpaceX gebruikt meerdere vluchtcomputers. Hierdoor heeft het systeem minder last van storingen. Elke Merlin-raketmotor wordt bestuurd door drie computers. Elk van deze computers heeft twee processoren die elkaar controleren. De software draait op Linux. Deze is geschreven in C++. Elke trap heeft zijn eigen vluchtcomputers. Dit is naast de controllers op elke motor. Elke microcontroller CPU van elke motor draait op een PowerPC architectuur.

De Falcon 9-raket kan tot twee van de motoren verliezen en toch de missie voltooien. Elke motor creëert 854 kN (192.000 lb_f ) aan stuwkracht.

De Falcon 9 v1.0 vloog vijf keer in 2010-2013. De Falcon 9 v1.1 maakte zijn eerste vlucht in september 2013. De missie vervoerde een zeer kleine lading van 500 kg (1.100 lb), de CASSIOPE-satelliet. Later werden grotere dingen gelanceerd. Daartoe behoorde de SES-8 GEO-communicatiesatelliet. Zowel de Falcon 9 v1.0 als de Falcon 9 v1.1 waren expendable launch vehicles (ELV's). De Falcon 9 Full Thrust maakte zijn eerste vlucht in december 2015. De eerste trap van de Falcon 9 Full Thrust-versie kan vele malen worden gebruikt. De huidige versie, bekend als Falcon 9 Block 5, maakte zijn eerste vlucht in mei 2018.

In 2010 bedroeg de prijs van een Falcon 9 v1.0 lancering 49,9 tot 56 miljoen dollar. In 2012 was de vermelde prijs opgelopen tot 54 à 59,5 miljoen dollar. In augustus 2013 was de prijs voor een Falcon 9 v1.1 56,5 miljoen dollar; in juni 2014 werd deze verhoogd tot 61,2 miljoen dollar. Sinds mei 2016 is de prijs voor een Falcon 9 Full Thrust-missie (waarbij de booster kan worden hersteld) 62 miljoen dollar. Dragon-vrachtmissies naar het ISS kosten gemiddeld 133 miljoen dollar. De DSCOVR-missie, voor de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), kostte 97 miljoen dollar.

In 2004 zei Elon Musk: "plannen op lange termijn vragen om de ontwikkeling van een heavy lift product en zelfs een superzware, als er vraag is van de klant. [...] Uiteindelijk geloof ik dat US$500 per pond (US$1100/kg) of minder [aan lading in een baan om de aarde] zeer haalbaar is". Tegen de prijs van 2016 kost een lancering van de Falcon 9 FT iets meer dan US$ 2.700/kg ($ 1.200/lb).

In 2011 schatte Musk dat de materialen voor de lancering van de Falcon 9 v1.0 ongeveer 200.000 dollar kosten. De eerste trap gebruikt 245.620 L (54.030 imp gal; 64.890 US gal) vloeibare zuurstof en 146.020 L (32.120 imp gal; 38.570 US gal) RP-1 brandstof, terwijl de tweede trap 28.000 L (6.200 imp gal; 7.400 US gal) vloeibare zuurstof en 17.000 L (3.700 imp gal; 4.500 US gal) RP-1 gebruikt.

In oktober 2019 bleek uit gegevens van de NASA dat de "basisprijs" van de Falcon 9 van 62 miljoen dollar per lancering zou worden verlaagd tot 52 miljoen dollar voor vluchten die gepland zijn in 2021 en daarna.

CNBC meldde in april 2020 dat de lanceringen van de Amerikaanse luchtmacht US$95 miljoen kostten Dit kwam door de extra gebruikte beveiliging. SpaceX-executive Christopher Couluris verklaarde dat het hergebruik van raketten de prijzen nog lager kan brengen, dat het "28 miljoen dollar kost om het te lanceren, dat is met alles erbij".

• Officiële pagina Falcon 9
• SAOCOM 1B | Lancering en landing
• Testontsteking van twee Merlin 1C-motoren gekoppeld aan de eerste trap van de Falcon 9, film 1, film 2 (18 januari 2008)
• Persbericht over het ontwerp (9 september 2005)
• SpaceX hoopt ISS te bevoorraden met nieuwe Falcon 9 zware draagraket (Flight International, 13 september 2005)
• SpaceX lanceert Falcon 9, met een klant Archived 11 June 2007 at the Wayback Machine (Defense Industry Daily, 15 September 2005)