Sebbene il Falcon Heavy sia stato progettato per essere in grado di trasportare esseri umani nello spazio oltre l'orbita terrestre bassa, SpaceX ha annunciato che non intende perseguire il processo di certificazione human-rating per trasportare astronauti della NASA, poiché in futuro si prevede che sia il Falcon Heavy che il Falcon 9 verranno eventualmente sostituiti dal sistema di lancio Starship, al 2023 in fase di sviluppo.[6]
Storia
Ad una conferenza stampa al National Press Club (Washington D.C.), Elon Musk affermò che il Falcon Heavy avrebbe potuto portare in orbita un carico minore solo al Saturn V, ritirato dopo la fine del programma Apollo.[7]
SpaceX aveva originariamente annunciato che il Falcon Heavy avrebbe compiuto la prima missione dimostrativa dalla base di Vandenberg,[8]California, nel 2013.[9] Il lancio da Cape Canaveral era invece programmato per il 2013 o il 2014.[7] A metà del 2015 la compagnia aveva fissato il debutto per la fine del 2016, per poter usare il rinnovato complesso di lancio 39A del John F. Kennedy Space Center, Florida. Ma in seguito a ritardi vari il lancio è stato ulteriormente posticipato.
Mentre le specifiche iniziali dell'aprile 2011 prevedevano un carico utile verso la LEO di 53000kg[10] e verso la GTO fino a 12000kg, le ultime dichiarazioni del 2011 avevano aumentato il carico utile verso l'orbita terrestre e portato il carico verso l'orbita di trasferimento geostazionaria a 19000kg, 16000kg per un'orbita di trasferimento lunare e 14000kg per un'orbita di fuga con destinazione Marte.[8][11]
Verso la fine del 2013 SpaceX aumentò la previsione per la GTO a 21200kg, facendo ricadere il lanciatore nella categoria usata dalla NASA "Super Heavy-lift".[12]
Nel 2015 la SpaceX annunciò una serie di revisioni al progetto del Falcon Heavy in parallelo alla nuova versione del Falcon 9, la v1.1.[13]
Il Falcon Heavy nel suo lancio inaugurale.
Il nuovo design del Falcon Heavy prevedeva che esso utilizzasse due booster laterali derivati dal primo stadio del Falcon 9 Full Thrust, mentre lo stadio centrale avrebbe mantenuto le dimensioni del primo stadio del Falcon 9 v1.1. Ulteriori cambiamenti ai booster laterali includono una nuova miscela di propellenti, cambiamenti nella struttura di sostegno dei motori, motori più performanti e cambiamenti nella struttura dei serbatoi di carburante.[13]
Nell'aprile 2015 SpaceX spedì all'USAF una richiesta per la certificazione del Falcon Heavy al lancio di satelliti per la sicurezza nazionale. Il processo di certificazione richiede tre lanci completati con successo dei quali almeno due consecutivi. SpaceX afferma che il processo di certificazione dovrebbe terminare nel 2017, senza tuttavia fornire date precise.[14]
Nel settembre 2015, dopo il fallimento della missione CRS-7 avvenuto nel giugno 2015, SpaceX spostò il debutto del lanciatore verso aprile/maggio 2016,[15] ma prima di febbraio 2016 la data è stata ulteriormente spostata alla fine del 2016.[16] Nell'agosto 2016 il volo di dimostrazione è stato rimandato agli inizi del 2017 e il programma di voli è stato riorganizzato di conseguenza.[17]
Il lancio inaugurale è avvenuto con successo martedì 6 febbraio 2018 alle 15:45 EST (ora locale) dallo storico Pad 39A del John F. Kennedy Space Center in Florida. Il 2º stadio ha rilasciato la Tesla Roadster di Elon Musk in direzione Marte, facendola diventare così la prima automobile commerciale della storia ad andare nello spazio. I booster laterali sono atterrati come da programma nelle Landing Zone 1 e 2; il core centrale, invece, si è schiantato in acqua ad una velocità di circa 500 km/h a circa 100 metri dalla piattaforma galleggiante su cui sarebbe dovuto atterrare, in quanto non è stato in grado di accendere tutti e tre i motori necessari per controllare la discesa sulla piattaforma, ma solo uno. Tale stadio, assieme ai due laterali, non sarebbe stato riutilizzato in ogni caso, quindi il fallito atterraggio non comporta una perdita significativa per SpaceX.[4]
Design
Da sinistra, Falcon 1, Falcon 9 v1.0, Falcon 9 v1.1, Falcon Heavy
Il Falcon Heavy consiste in un Falcon 9 con l'aggiunta di ulteriori due primi stadi come booster,[18] una configurazione simile all'EELVDelta IV, all'Atlas V HLV e al Russo Angara A5V. Il razzo è stato progettato per raggiungere e superare i criteri minimi per lanciare esseri umani. I margini di sicurezza sono superiori del 40% rispetto alle sollecitazioni normali che si incontrano durante il lanci, rispetto al 25% degli altri lanciatori.[19]
Il Falcon Heavy è stato progettato per portare astronauti verso l'orbita terrestre bassa e ripristinare la possibilità di raggiungere la Luna e in futuro Marte.[20] Il carico trasportabile dal lanciatore è più o meno lo stesso del Saturn C-3, progettato nel 1960 per lo scenario di rendezvous in orbita terrestre.[21]
Primo stadio
Il primo stadio è formato da tre primi stadi del Falcon 9, ognuno equipaggiato da nove Merlin 1D+, per una spinta totale al decollo di 22 819 kN, che salgono a 24 681 kN quando il razzo supera gli strati più densi dell'atmosfera e i motori diventano più efficienti.[18]
Tutti i motori dei booster e del primo stadio sono arrangiati in una disposizione che SpaceX chiama Octaweb,[22] con lo scopo di semplificare il progetto di costruzione, e ogni stadio è dotato di quattro zampe d'atterraggio, delle alette di controllo e dei getti di azoto per il controllo dell'assetto durante le operazioni di recupero.[23] Dopo il distacco dal lanciatore ogni booster terrà acceso per qualche secondo il motore centrale per allontanarsi in sicurezza dal primo stadio,[23] in seguito le alette di controllo e le zampe si apriranno per atterrare in sicurezza sulla terra ferma.[24] Il primo stadio continuerà la sua ascesa fino alla separazione dal secondo stadio, col carburante rimasto invertirà la sua traiettoria e atterrerà, al contrario dei booster, sulla nave drone Of Course I Still Love You. Le zampe di atterraggio, costituite in fibra di carbonio e una struttura a nido d'ape in alluminio, sono riposte attorno allo stadio al momento del decollo e si estendono verso l'esterno e verso il basso per l'atterraggio. Al momento sia le alette di controllo sia le zampe di atterraggio sono in fase di test sul vettore Falcon 9, per assistere il primo stadio negli atterraggi sperimentali una volta finita la missione principale.[25]
Tecnologia crossfeed cancellata
Il Falcon Heavy era stato originariamente progettato con una caratteristica unica: la possibilità di alimentare alcuni motori del primo stadio col propellente proveniente dai booster, fino a quando non fossero quasi vuoti e pronti per la separazione.[26] Questo avrebbe permesso di poter tenere tutti e ventisette i motori alla massima potenza per tutta la durata del volo, lasciando lo stadio centrale quasi pieno al momento del distacco. Il sistema di trasferimento del combustibile, soprannominato "Asparagus staging", è derivato da un lanciatore ipotizzato in un libro di meccanica orbitale di Tom Logsdon.[27] Secondo il libro un ingegnere di nome Ed Keit coniò il termine "Asparagus-stalk booster" (cioè "booster a stelo d'asparago") per lanciare carichi sfruttando il trasferimento del carburante.[28] Tuttavia Elon Musk ha affermato che la tecnologia non è correntemente prevista per le prime versioni del Falcon Heavy.[29]
Secondo stadio
Lo stadio superiore è spinto da un singolo Merlin 1D ottimizzato per il vuoto, con una spinta di 934 kN, un rapporto di espansione di 117 a 1 e un tempo di accensione di 397 s. Per aumentare l'affidabilità al sistema di riaccensione il motore usa due meccanismi ridondanti piroforici (TEA-TEB). Questo stadio è praticamente una versione più corta dello stadio inferiore e utilizza le stesse procedure, attrezzature e materiali per ridurre i costi di produzione.[18]
Sviluppo delle tecnologie di riutilizzo
All'inizio SpaceX aveva sperato di rendere riutilizzabili tutti gli stadi del lanciatore.[30] Mentre non si stanno facendo sforzi per rendere riutilizzabile il secondo stadio, SpaceX ha dimostrato la possibilità di recuperare il primo stadio del Falcon 9 sia sulla terra ferma che sul mare. Questo approccio si può adattare visto che i booster laterali si separeranno prima rispetto al primo stadio del Falcon 9, facilitando la traiettoria di recupero. Dalla fine del 2013 il primo stadio del Falcon 9 è stato equipaggiato con l'attrezzatura necessaria per il recupero.[25]
SpaceX ha affermato che il carico verso l'orbita di trasferimento geostazionaria diminuisce se si vogliono recuperare i booster e il primo stadio, ma di conseguenza diminuisce anche il prezzo del lanciatore: con il primo stadio e i booster riutilizzabili il carico massimo sarebbe di 7 tonnellate, mentre col recupero dei soli booster salirebbe approssimativamente a 14 tonnellate.[31]
Prezzi del lanciatore e finanziamenti allo sviluppo
«Long term plans call for development of a heavy lift product and even a super-heavy, if there is customer demand. We expect that each size increase would result in a meaningful decrease in cost per pound to orbit. [...] Ultimately, I believe $500 per pound or less is very achievable.»
(IT)
«I piani a lungo termine devono prevedere un lanciatore di classe "Heavy" o anche "Superheavy" se i clienti lo richiedono. Ci aspettiamo che a ogni aumento della dimensione corrisponda una diminuzione significativa del costo per libbra in orbita. [...] Nel lungo termine credo che 500 dollari per libbra o meno sia facilmente raggiungibile.»
I $500 dollari per libbra ($1.100/kg) al giorno d'oggi sono il 35% del costo più basso per libbra verso l'orbita terrestre bassa (LEO) del lanciatore più economico: lo Zenit, un lanciatore medio che può trasportare 14 t verso la LEO.[33] Nel settembre 2016 i prezzi del Falcon Heavy si attestano intorno ai $1600 al chilogrammo ($750/libbra), verso l'orbita terrestre bassa, ammettendo che il vettore trasporti il massimo carico possibile e sia quindi completamente a perdere.[34]
Nel 2011, la SpaceX annunciò che il costo per raggiungere l'orbita terrestre bassa sarebbe potuto scendere sotto i $450/kg se si fosse mantenuta una frequenza di lanci costante, e se si fosse riusciti a lanciare 10 Falcon 9 e dieci Falcon Heavy all'anno.[8]
Lo sviluppo del Falcon 9 è interamente finanziato da capitale privato, non è stato fornito nessun capitale pubblico.[35] Nel 2016 i prezzi previsti da SpaceX sono i più bassi del settore,[36] e se la SpaceX riuscisse nel suo programma di sviluppo di un vettore riutilizzabile potrebbe nascere una nuova Era spaziale.[35][37]
Da questo lancio i propulsori ausiliari laterali e il nucleo centrale sono realizzati in Block5[39]. Tutti atterrano con successo, ma il nucleo centrale finisce per ribaltarsi sulla chiatta oceanica a causa dell'alto moto ondoso.[40]
^(EN) Red Dragon (PDF), 31 ottobre 2011, p. 4. URL consultato il 7 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 22 marzo 2021).
^(EN) n 5.2 HEAVY LIFT TO LOW-EARTH ORBIT AND BEYOND (PDF), in SEEKING A HUMAN SPACEFLIGHT PROGRAM WORTHY OF A GREAT NATION, 2009, p. 65. URL consultato il 7 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 13 dicembre 2011).
^(EN) spacexcmsadmin, Falcon Heavy, su spacex.com, 16 novembre 2012. URL consultato l'8 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 6 aprile 2017).
^(EN) Saturn C-3, su astronautix.com. URL consultato l'8 settembre 2016.
^(EN) Emily Shanklin, Falcon Heavy Octaweb, su spacex.com, 13 aprile 2013. URL consultato l'8 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 7 giugno 2015).
^ab(EN) Emily Shanklin, Falcon Heavy Landing Legs, su spacex.com, 13 aprile 2013. URL consultato l'8 settembre 2016 (archiviato dall'url originale l'11 giugno 2015).
^(EN) Amy Svitak, Falcon 9 Performance: Mid-size GEO?, su aviationweek.com, 8 marzo 2014. URL consultato l'8 settembre 2016 (archiviato dall'url originale l'11 gennaio 2018).
«"[...]Falcon Heavy will do satellites up to 7 tonnes with full reusability of the all three boost stages"[...]He also said Falcon Heavy could double its payload performance to GTO “if, for example, we went expendable on the center core.”»
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