Falcon-Heavy. Debiut superciezkiej rakiety

6 lutego 2018 r. o godzinie 20:45:00 UTC (15:45:00 lokalnego) z wyrzutni kompleksu startowego LC-39A Centrum Kosmicznego im. Kennedy’ego (półwysep Merritt Island, stan Floryda, Stany Zjednoczone) wystartowała rakieta nośna Falcon Heavy firmy Space Exploration Technologies Corporation (SpaceX).

Pierwszy start tej najpotężniejszej współczesnej rakiety, o udźwigu ponad dwukrotnie przekraczającym osiągi rakiety Delta-4H, choć opóźnił się w stosunku do pierwotnych zapowiedzi o blisko pięć lat, zakończył się spektakularnym sukcesem nie tylko technicznym, ale także medialnym. Stało się tak głównie za sprawą niecodziennego ładunku, którym był co prawda używany, ale przez samego Elona Muska, kabriolet marki Tesla Roadster.

Krótka historia Falconów

Firma SpaceX z kapitałem początkowym w wysokości 150 mln USD została założona w czerwcu 2002 r. przez emigranta z RPA Elona Muska, współzałożyciela firm informatycznych i projektanta systemów bankowych. Według jego własnych słów celem przedsięwzięcia było stworzenie „cywilizacji kosmicznej”, poprzez potanienie dostępu do rakiet nośnych drogą ich seryjnej produkcji, zastosowaniem nowoczesnych, lecz tanich rozwiązań elektronicznych, a także zwiększeniem niezawodności rakiet drogą ich standaryzacji i częściowego ponownego wykorzystania. W późniejszym czasie, pomimo pierwszych niepowodzeń (trzy pierwsze Falcony-1, startujące w latach 2006-08 nie zdołały osiągnąć orbity) z ostatniej frazy Musk wykreślił słowo „częściowego”. Taka idea – powrót całej rakiety nośnej pojawiała się dotąd jedynie w literaturze science-fiction, bądź w marzeniach projektantów. Znakomita większość komentatorów zakładała, że jego firma powieli losy innych i po kilku latach „kręcenia się w kółko” upadnie. Jednak Musk nie poszedł tą drogą.
Zaproponował – i co ważne zbudował – gamę rakiet, mających wspólne nie tylko silniki Merlin, lecz również w pewnym zakresie poszczególne stopnie. Znacznie uprościło to prace projektowe, a przede wszystkim pozwoliło stopniowo nabyć niezbędne doświadczenie. Doświadczenie to, jak już wspomniałem, mogło być początkowo deprymujące, jednak firma na szczęście posiadała nie tylko wizję, ale również wystarczające na kilka niepowodzeń startów zaplecze finansowe. Na szczęście dwa kolejne loty Falcona-1 były udane, co pozwoliło przedsiębiorstwu zachować stabilność i okrzepnąć. Musk planował po tej małej rakiecie zbudować większą, seryjną i z odzyskiwalnym pierwszym stopniem, nazwaną Falcon-9 – od ilości silników w pierwszym stopniu. Wersją przejściową do niej miała być rakieta Falcon-5, wyposażona oczywiście w pięć Merlinów. Jednakże analiza rynku wykazała, że zapotrzebowanie na nią będzie niewielkie i ewentualne zyski nie pokryją nawet kosztów prac projektowych, a co dopiero konstruktorskich, toteż z tej koncepcji szybko zrezygnowano.
Falcon-9, który zadebiutował w 2010 r., jest, pomimo wykonania ponad 50 startów nadal konstrukcją rozwojową – latał dotychczas w czterech wersjach, nazywanych 1.0, 1.1, 1.2 (lub Full Thrust) oraz Block 4, a w najbliższym czasie do eksploatacji wejdzie wersja Block 5, która będzie ostatecznym wariantem rakiety. Ma ona – a ściślej mówiąc jej pierwszy stopień – być zdolna do bardzo szybkiego ponownego użycia, w czasie rzędu 24 godzin i wykonania co najmniej dziesięciu lotów. Obecnie stosowane wersje wymagają kilkumiesięcznego przeglądu i remontu i mogą być bezpiecznie stosowane jedynie dwukrotnie. Jednak nawet wersja piąta Falcona-9 nie mogła zadowolić Muska. Rakiecie nadal wiele brakowało do udźwigu Atlasa-5 czy Delty-4H, by móc walczyć o lukratywne kontrakty na wynoszenie ciężkich satelitów zwiadowczych dla potrzeb Narodowego Biura Rozpoznania (National Reconnaissance Office, NRO), czy też sond międzyplanetarnych dla NASA. W odpowiedzi na to zapotrzebowanie zaprojektowano superrakietę, nazwaną Falcon Heavy.

Koncepcje superrakiety i infrastruktura

Pierwsze doniesienia o możliwości zbudowania superrakiety wyłącznie z udziałem kapitału prywatnego pojawiły się w 2004 r. Zgrubna analiza kosztów pokazywała, że budżet projektu przekroczy pół miliarda dolarów. Musk wykazywał się wielkim optymizmem, gdy w 2008 r. oceniał, że do pierwszego startu Falcona Heavy o nośności ocenianej wówczas na 53 t na LEO, mogłoby dojść już w ciągu dwóch lat. Tymczasem tyle czasu zajęło doprowadzenie do pierwszego startu Falcona-9, którego elementy składowe miały stać się podstawą dla ciężkiej wersji rakiety. Niezmieniony poziom optymizmu przejawiał także podczas konferencji prasowej w Waszyngtonie w kwietniu 2011 r., podając jako termin startu rok 2013.
Tymczasem doświadczenia z lotów Falconów-9, a zwłaszcza odzyskiwania ich pierwszych stopni z zastosowaniem różnych wariantów hamowania (jedno bądź dwuimpulsowy, z użyciem jednego bądź trzech silników itp.) kilkakrotnie powodowały zmiany przyjętych rozwiązań, co ciągle opóźniało przewidywany termin pierwszego startu. Początkowo SpaceX planował zastosowanie wspólnej dystrybucji materiałów pędnych w stopniu centralnym i stopniach bocznych (crossfeed), co znakomicie poprawiłoby charakterystykę rakiety. Jednak przetłaczanie tak wielkich ilości paliwa i utleniacza, liczone w tonach na sekundę, w krótkim czasie rzędu maksymalnie dwóch minut, okazało się problemem nie do rozwiązania. Mimo to koncepcja ta została zarzucona dopiero w 2016 r. na korzyść innej, w której ciąg silników stopnia centralnego zostaje znacząco zredukowany krótko po starcie i przywrócony do nominalnego poziomu dopiero po oddzieleniu stopni bocznych. Metoda ta co prawda nie daje aż takiego zysku energetycznego jak crossfeed, jednak ze względu na swą prostotę okazała się znacznie wygodniejsza i przede wszystkim łatwa w zastosowaniu.
Na tejże kwietniowej waszyngtońskiej konferencji prasowej Musk zapowiedział rozpoczęcie przebudowy kompleksu startowego SLC-4E na kalifornijskim kosmodromie Vandenberg dla potrzeb pierwszego startu rakiety Falcon Heavy, począwszy od połowy lipca. Oczywiście z powodu swego usytuowania i możliwych azymutów startu Vandenberg nadaje się niemal wyłącznie do wynoszenia satelitów na orbity okołopolarne, czyli był to jedynie ewidentny gest zachęcający NRO i USAF do rozważenia zastąpienia „Ciężkim Falconem” używanej dotąd „Ciężkiej Delty”. Do wynoszenia przeważającej liczby ładunków użytecznych na orbity przejściowe do geostacjonarnej (GTO) należało użyć florydzkiego kosmodromu (pierwszy start z Vandenberg gdzieś w 2016 r. został porzucony na rzecz Cape Canaveral), bądź wybudować nowy. SpaceX poszedł jednocześnie w obu kierunkach.
Po pierwsze w kwietniu 2014 r. SpaceX podpisał z NASA umowę leasingu kompleksu LC-39A na okres 20 lat. Historyczna wyrzutnia, głównie wieże obsługowe rakiet Saturn programu Apollo i Space Shuttle zostały znacząco przebudowane bądź zlikwidowane, by móc obsłużyć zarówno rakiety Falcon-9, jak i Falcon Heavy. Rok później opodal zbudowano hangar montażowy HIF (Horizontal Integration Facility), co oznaczało odejście od tradycyjnego dla NASA i USAF pionowego montażu rakiet na rzecz poziomego. Tym samym zaszła potrzeba wyposażenia kompleksu w specjalne urządzenie, spełniające jednocześnie rolę transportera, podnośnika i urządzenia startowego (Transporter/Erector/Launcher, TEL). Po drugie, w sierpniu tego samego roku, firma oznajmiła, że po rozpatrzeniu siedmiu lokalizacji zdecydowała się wybudować swój własny kosmodrom 40 km na wschód od miasta Brownsville w Teksasie, na wybrzeżu Zatoki Meksykańskiej, tuż przy granicy z Meksykiem, w lokalizacji o nazwie Boca Chica. Obecnie powstaje tam odpowiednia infrastruktura, analogiczna do tej w Vandenberg i na Kennedy Space Center. Termin oddania obiektu do użytku to prawdopodobnie koniec przyszłego roku, o ile prace się nie opóźnią ze względu na konieczność palowania dość grząskiego terenu.