Các dòng tên lửa Falcon 9 và biến thể Falcon Heavy

Falcon 9 v1.0

Falcon 9 v1.0 làm nhiệm vụ CRS-2 tiếp tế cho ISS (ngày 1 tháng 3 năm 2013)

Là phiên bản đầu tiên, v1.0 được phát triển từ 2005-2010. Nó được phóng lần đầu vào ngày 6 tháng 4 năm 2010 và trong khoảng 2010-2013 thực hiện 5 chuyến bay thành công khác trước khi cho ngừng sử dụng.

Tầng 1 bao gồm 9 động cơ Merlin 1C bố trí theo khối vuông 3x3. Mỗi 1 động cơ có sức đẩy 556 kN tại mực nước biển, tổng sức đẩy khi tên lửa rời bệ phóng là 5.000 kN[5]. Tầng 2 gồm động cơ Merlin 1C thiết kế cho môi trường chân không với hệ số dãn nở là 117:1 và thời gian đốt (lí thuyết) là 345 giây. Hệ thống dùng van khí Ni-tơ để điều khiển đường bay[51].

SpaceX ban đầu hi vọng có thể tái sử dụng cả hai tầng tên lửa[52], nhưng việc bọc thêm lớp vỏ cách nhiệt và dùng dù cho việc hạ cánh không hiệu quả, do vậy họ phải từ bỏ phương án này. Thay vào đó, vào năm 2011, SpaceX bắt đầu tập trung nghiên cứu và thiết kế một mẫu Falcon 9 mới có thể tái sử dụng, chú trọng vào phần tầng 1.[46]

Falcon 9 v1.1

Bố trí động cơ của Falcon 9 v1.0 (trái) và v1.1Lần phóng đầu tiên của phiên bản v1.1 từ căn cứ Vandenberg (tháng 9 năm 2013)

Còn có tên khác là Block 2[53], phiên bản này nặng hơn 60% và có sức đẩy mạnh hơn 60% so với v1.0[47]. Thùng nhiên liệu của tầng 1 cũng dài hơn 60%, do vậy tên lửa dễ bị biến dạng hơn khi đang bay. Phiên bản v1.1 hoàn tất quá trình thử nghiệm vào tháng 7 năm 2013[54] và được phóng lần đầu tiên vào tháng 9 cùng năm.

Tầng 1 bao gồm 9 động cơ Merlin 1D, 8 động cơ làm thành hình bát giác đều bao quanh 1 động cơ ở trung tâm; gắn vào bộ khung kim loại mà SpaceX gọi là Octaweb, mục đích nhằm tinh giản quá trình sản xuất[55]. Tổng lực đầy khi cất cánh là 5.885 kN, tăng lên đến 6.672 kN khi ra khỏi bầu khí quyển[6]. Tên lửa nhờ đó có thể chở tới 13.150 kg hàng hóa. Số điểm liên kết giữa 2 tầng tên lửa giảm từ 12 xuống còn 3[47]. Hệ thống phần cứng và phần mềm điều khiển cũng được cải thiện và nâng cấp. Kể từ lần phóng đầu tiên, phần ống dẫn chất mồi lửa của động cơ tầng 2 được cách nhiệt để hỗ trợ cho việc tái khởi động trong chân không sau quá trình "trượt" lên quỹ đạo[36].

Chủ tịch SpaceX Gwynne Shotwell tiết lộ phiên bản v1.1 thật ra có sức chở thực hơn 30% so với biểu giá, phần nhiên liệu còn lại được dành cho quá trình hạ cánh[56]. Các lần phóng về sau, 4 càng hạ cánh bằng sợi carbon với chân chống bằng nhôm chỉ có thể mở ra được lắp đặt vào tầng 1 để thử nghiệm hạ cánh trên biển[57].

Falcon 9 Full Thrust

Nguyên mẫu Grasshopper (Châu chấu)Lần hạ cánh thành công đầu tiên của Falcon 9

Phiên bản thứ 3 là "Full Thrust" (còn được gọi là Block 3, Falcon 9 v1.2, Enhanced Falcon 9, Full-Performance Falcon 9,[58] và Falcon 9 Upgrade [59]) được phát triển trong giai đoạn 2014-2015 và hoàn thành nhiệm vụ đầu tiên vào tháng 12 năm 2015. Ban đầu được gọi là Falcon 9-R (R viết tắt cho Reusable-có thể tái sử dụng), phiên bản này là thành quả của Chương trình phát triển hệ thống phóng tái sử dụng của SpaceX[60], được trang bị các cải tiến công nghệ mới kế thừa từ nguyên mẫu Grasshopper (Châu chấu) và qua các cuộc thử nghiệm hạ cánh có kiểm soát của phiên bản v1.1[61]; sau khi tách khỏi tầng 2, tầng 1 sẽ thực hiện hạ cánh xuống một sà lan tự hành với các nhiệm vụ lên GTO[58].

Mục đích chinh của thiết kế mới là đạt được khả năng chở các vệ tinh viễn thông khối lượng lớn lên GTO mà vẫn có thể hạ cánh và tái sử dụng cho lần phóng sau[62]. Các thay đổi so với v1.1 bao gồm:

• Nhiên liệu LOX được làm lạnh xuống 66,5 K (−206,7 °C) và RP-1 xuống 266,5 K (−6,6 °C)[63] (làm tăng khối lượng riêng nên bình chứa được nhiều nhiên liệu hơn với thể tích giữ nguyên và tăng lưu lượng chảy xuống động cơ làm tăng lực đẩy).
• Lực đẩy của động cơ Merlin 1D tăng lên nhờ nhiên liệu được làm lạnh, nhờ đó khai thác được toàn bộ khả năng của động cơ[59].
• Nâng cấp cấu trúc tầng 1[59][64]
• Bình nhiên liệu tầng 2 dài hơn[59]
• Phần đỉnh tầng 1 nối với tầng 2 dài và chắc chắn hơn. Phần này chứa phễu xả động cơ tầng 2, hệ thống cánh và các van điều hướng[59][64].
• Thêm cơ cấu đẩy tầng 1 ra khỏi tầng 2 khi tách tầng[59].
• Thiết kế cánh điều hướng mới[59][64].
• Càng hạ cánh được nâng cấp[59][64].
• Khung gắn động cơ Octaweb có thay đổi nhỏ[59].
• Một số điều chỉnh làm giảm khối lượng tên lửa[65].
• Sau khi tên lửa chở vệ tinh Amos-6 bị nổ tung khi đang thử động cơ, các bình nén khí hê-li được gia cố lại để tránh bị rò rỉ khi Oxy lỏng áp suất cao hóa rắn tích tụ xung quanh trong quá trình nạp nhiên liệu[66].

Tên lửa mới cao hơn 1,2 m, chiều cao tổng cộng là 70 m tính đến đỉnh của nón mũi. Khả năng chở hàng nói chung được cải thiện 33%[59], cùng với đó là tỉ lệ lực đẩy/khối lượng động cơ tăng lên[67].

Phiên bản 2017 tích hợp thêm dù và động cơ cho đôi nón mũi để thử nghiệm thu hồi sau khi tách ra khỏi tên lửa, lần đầu tiên thành công ở nhiệm vụ SES-12 khi 1 trong 2 phần vỏ đáp xuống mặt biển nguyên vẹn[68].

Phần cánh điều hướng mới làm bằng titan (chịu nhiệt tốt hơn khi tái nhập bầu khí quyển, giúp việc điều khiển tên lửa ổn định hơn) thay thế cánh nhôm kể từ nhiệm vụ Iridium NEXT 11-20 ngày 25 tháng 6 năm 2017[69]. Qua kiểm tra sau nhiệm vụ, Elon Musk tuyên bố "cánh điều hướng mới bằng titan tốt hơn cả mong đợi. Có thể sử dụng chúng cho vô số lần phóng mà không cần bảo dưỡng".[70]

Block 4

Hệ thống cánh điều hướng làm bằng titan

Phiên bản được đưa vào sử dụng năm 2017[71], là phiên bản quá độ giữa Block 3 và Block 5, với lực đẩy được tăng thêm. 3 nhiệm vụ đầu là NROL-76, Inmarsat-5 F4 vào tháng 5 và Intelsat 35e vào tháng 7 năm 2017 chỉ có tầng 2 được nâng cấp lên phiên bản Block 4. Tên lửa hoàn toàn Block 4 đầu tiên được phóng vào ngày 14 tháng 8 năm 2017, thực hiện nhiệm vụ CRS-12.

Block 5

Phiên bản Block 5 của Falcon 9, với đặc điểm nổi bật là phần đỉnh của tầng 1 được sơn đen

SpaceX công bố phiên bản này vào năm 2017. Đây là phiên bản cuối cùng của dòng tên lửa Falcon 9, sau đó công ty sẽ tập trung phát triển tên lửa BFR có khả năng chở khách tới Sao Hỏa. Thay đổi lớn nhất so với Block 4 là lực đẩy động cơ tăng lên và các cải thiện về càng hạ cánh. Ngoài ra còn nhiều thay đổi nhỏ khác nhằm tinh giản quá trình thu hồi và tái sử dụng tầng 1. Mục đích chung của các thay đổi này làm tăng năng suất sản xuất lõi tên lửa và làm quá trình tái sử dụng hiệu quả hơn. Mục tiêu của SpaceX là tái sử dụng đến 10 lần tầng thứ nhất của Block 5 mà chỉ cần kiểm tra giữa các lần phóng, đến 100 lần nếu qua bảo dưỡng. Thời gian giữa các lần phóng sẽ rút xuống còn vài tuần, nếu cần thiết thì chỉ mất có 1 ngày. SpaceX dự định sẽ trình diễn khả năng tái sử dụng trong vòng 24 giờ muộn nhất là vào năm 2019.[72]

Thiết kế của Block 5 nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn của CCDev và an ninh hàng không vũ trụ quốc gia (National Security Space Launch) của chính phủ Hoa Kỳ. Các thay đổi bao gồm:

• Về khả năng tải:
  • Lực đẩy mỗi động cơ Merlin 1D tầng 1 tăng thêm 7-8% (từ 783 kN lên 845 kN), động cơ Merlin 1D thiết kế cho môi trường chân không của tầng 2 tăng thêm 5% (từ 934 kN lên 979 kN)[73]
  • Hệ thống điều khiển tối ưu hóa góc tấn khi hạ cánh, giảm nhiên liệu tiêu thụ trong quá trình này.[74]
• Về tăng độ bền cho quá trình tái sử dụng:
  • Lớp phủ cách nhiệt cho phần chân hạ cánh, đỉnh tầng một và phần rãnh dọc tên lửa nơi đi các dây và ống dẫn.[75]
  • Lá chắn nhiệt dưới chân tên lửa bảo vệ động cơ dùng được nhiều lần.[75]
• Về tăng tốc độ tái sử dụng:
  • Khung Octaweb được vít thay vì được hàn vào tên lửa.[72]
  • Chân hạ cánh có thể gập lại, thay vì phải tháo ra khi vận chuyển về nhà chứa.[72]

Block 5 được thiết kế đủ an toàn để chuyên chở phi hành gia. NASA sẽ cấp phép vận chuyển hành khách cho phiên bản này một khi hoàn thành tốt 7 nhiệm vụ liên tiếp. Chuyến bay thử không người đầu tiên với tàu Crew Dragon lên ISS đã được phóng vào tháng 3/2019

Block 5 được phóng thành công lần đầu vào 20:14 UTC ngày 11 tháng 5 năm 2018, đưa vệ tinh đầu tiên của Bangladesh là Bangabadhu-1 lên GTO nhằm phục vụ nhu cầu viễn thông của quốc gia này[76]. Phiên bản này cũng mang theo vệ tinh nặng nhất từng được phóng là Telstar 19 Vantage (Khoảng hơn 7 tấn) lên GTO và hạ cánh thành công tầng 1 xuống xà lan Of Course I Still Love You tháng 7/2018.