Jeden z původních plánů rodiny raket Falcon obecně předpokládal Falcon 1, Falcon 5 a Falcon 9 ve čtyřech variantách, z nich dvě by se lišily horním stupněm a nejsilnější konfigurace by měly v podstatě hned tři raketové bloky prvního stupně uspořádané paralelně vedle sebe. A jaký je výsledek? Falcon 1 zůstal byť jako Falcon 1e, Falcon 9 existuje pouze v sériově řazené variantě a na místo jeho nejvýkonnějších konfigurací se chystá Falcon Heavy (nebo také Falcon 9 Heavy). Falcon 5 s plánovanou nosností 4,1 t na nízkou oběžnou dráhu nakonec z plánů úplně vypadl.

Přehled původně zamýšlených raket řady Falcon. Zdroj: SpaceX

Liší se startovací hmotností i použitými motory

Postupný vývoj raketového motoru Merlin se promítá také do kosmického nosiče Falcon 9 a uspořádání nejen 1. stupně. Zatímco základní varianta Falcon 9 v1.0 využívá devět raketových motorů Merlin 1C, Falcon 9 v1.1 by měl využívat devět Merlinů 1D.

Rozdíl? Zatímco prvně jmenovaná konfigurace vyprodukuje celkový tah 3 807 kN, druhá dokonce 5 880 kN při startu. Bude tak možné zvětšit objem palivových nádrží a v končeném důsledku také nosnost a ne o málo. Při startu z Cape Canaveralu z 8 500 kg na 13 150 kg na nízkou oběžnou dráhu LEO. Nosnost na geostacionární dráhu GTO by pak vzrostla z 3 400 kg na 4 850 kg.

V obou případech je Falcon 9 dvoustupňový a ve 2. stupni má raketový motor Merlin Vacuum, který vychází z verze Merlin 1D a je přizpůsoben, jak již název napovídá pro činnost ve vakuu. Lepších parametrů je dosaženo přizpůsobením tvaru samotné trysky vzhledem k rozdílnému tlaku ve spalovací komoře a kosmickém prostoru. Tah samotného raketového motoru Merlin 1D by měl dosahovat k 720 kN, Merlin Vacuum na Falconu 9 bude nastaven 445 kN.

Raketový motor Merlin 1D. Zdroj: SpaceX (Wikipedia)

Doposud čtyři starty a všechny úspěšné

Oproti prvním startům Falconu 1, má Falcon 9 statistiku prozatím stoprocentní. Celkem odstartoval v letech 2010 až 2012 čtyřikrát a všechny starty byly úspěšné, i když jeden je udáván jako částečně úspěšný.

Start Falconu 9 s Dragonem. Zdroj: NASA

První let Falconu 9 se uskutečnil 4. června 2010 a označit jej zpětně můžeme za mimořádný úspěch. Nejenže se vydařil hned napoprvé, ale družice byla navedena na oběžnou dráhu s odchylkou nepřesahující jedno procento. Nákladem byla hmotností, rozměrová a strukturální maketa v té době již chystané zásobovací lodi Dragon, jež později zanikla v hustých vrstvách oběžné dráhy. Po nezdarech při prvních startech menšího Falconu 1 nikdo nechtěl riskovat ztrátu užitečného zatížení. Počáteční kruhová oběžná dráha ve výšce 249 km přitom byla zvolena s ohledem na samovolný sestup, který se udál poté, co výška oběžné dráhy klesla na 138 až 140 km.

Druhý start se již uskutečnil v rámci programu COTS (Commercial Orbital Transportation Services) jako Demo Flight 1. Raketa Falcon 9 vynesla 8. prosince 2010 na kruhovou oběžnou dráhu ve výšce 300 km kosmickou loď Dragon, která se po dvou obletech úspěšně vrátila a přistála poblíž mexického pobřeží.

Vzhledem k úspěchů obou posledních letů bylo rozhodnuto, že napotřetí již bude Falcon 9 vynášet Dragon přímo k Mezinárodní kosmické stanici, respektive na dráhu k ní. Start proběhl tentokrát na druhý pokus 22. května 2012. Při první pokusu o start počítače hlásily špatné hodnoty tlaku u jednoho z raketových motorů a start byl přerušen až půl sekundy před samotným zážehem.

Oddělení 2. stupně s lodí Dragon. Zdroj: SpaceX

A také při doposavad posledním startu vynášel Falcon 9 na své špici zásobovací loď Dragon, přičemž tentokráte to bylo v rámci první ostré zásobovací mise SpaceX CRS-1 k Mezinárodní kosmické stanici. SpaceX se tak stala s nosičem Falcon 9 a lodí Dragon vůbec první ryze soukromou společností, která na vlastní odpovědností a prostředky dokázala na orbitální stanici vynést náklad.

Úplnou radost ale zkazil fakt, že kvůli chybě na 2. stupni nebyl naveden na plánovanou oběžnou dráhu sekundární náklad. Konkrétně došlo v T+1 minuta 19 sekund k vypojení jednoho z devíti raketových motorů Merlin 1C, který byl kompenzován delší činností zbývajících osmi motory. Vzhledem k tomu, že se jednalo primárně o start k Mezinárodní kosmické stanici, do vyšetřování se zapojila NASA a SpaceX musí dost možná zbytečně řešit byrokracii kolem.

Úvahy nad vícenásobnou použitelností

Jednou z cest, jak snížit náklady dopravy na oběžnou dráhu je vícenásobná použitelnost prostředků. Ze všech dnes startujících raket postupně odpadávají jednotlivé stupně a ty buď dopadnou zpátky na zemský povrch, hladinu oceánu nebo shoří v hustých vrstvách atmosféry. Pro každý start je zapotřebí kosmickou raketu vyrobit znovu. Je to stejné, jako kdybyste nechali sešrotovat dopravní letadlo po každém charterovém letu.

Dlouhou dobu se mělo za to, že celý problém vyřeší raketoplány a zvláště ty kompletně vícenásobně použitelné. Space Shuttle měl jít příkladem, ale úspory ve vývoji donutily konstruktéry zvolit kompromisní řešení, které se neosvědčilo. Největší součást, externí nádrž ET, při každém startu shořela v atmosféře a údržba orbiteru a startovacích raketových motorů byla příliš náročná. Konceptů i prototypů v různých fázích vývoje však bylo mnohem více, ale většina z nich skončila na nedostatečném financování a technických problémech ještě na papíře.

Obyčejné kosmické rakety ale mají výhodu ve své zdánlivé jednoduchosti a proto se již po desetiletí objevují návrhy na vícenásobné použití vybraných raketových stupňů. Ostatně už startovací raketové motory Space Shuttle nebo třeba i evropské rakety Ariane 5 měly být používány vícenásobně. Ukázalo se však, že se to nevyplatí. Přeci jen každý stupeň je třeba vylovit, přepravit na výrobní linku, zkontrolovat, naplnit palivem a odeslat na místo startu k montáži na nosič. Jediné co odpadává, je část samotné výroby.

Na konci osmdesátých let chtěli Rusové vybavit startovací boostery superrakety Eněrgija výklopnými křídly a motory pro automatický návrat na přistávací dráhu. K uskutečnění těchto plánů nikdy nedošlo. Eněrgija se stala pohrobkem Sovětského svazu a nakonec letěla jen dvakrát jednorázově. S podobným řešením pak Rusové přišly i u startovacích raketových motorů kosmické rakety Angara. Její vývoj započal v polovině 90 let, nicméně dodnes neodstartovala ani nejslabší konfigurace, natož aby se konstruktéři věnovali pokrokovým řešením. Ty sebou i v tomto případě přinášejí nevýhody jako vyšší cenu stupně, nebo horší poměr mezi prázdnou a startovací hmotností.

I přesto se ve SpaceX nenechali odradit a hodlají v budoucnu vybavit 1. stupeň padákovým systémem. V první fázi půjde spíše o zjištění technického stavu takového stupně. Podle samotného Elona Muska má být první takový test uskutečněn při celkově šestém startu kosmické rakety Falcon 9. Do budoucna pak nevylučuje ani možnost vybavení horních stupňů tepelným štítem pokud se ukáže, že by takové počínání mělo vést ke snížené nákladů na start. Uvidíme…