ファルコン9ロケット第1段着陸試験

最初の推進再突入、降下、および海面着水試験は、2013年9月29日にファルコン9ロケット6号機（バージョンv1.1の初打ち上げ）で行われた。3分間のブーストフェーズとCASSIOPEおよびナノサットペイロードを搭載した第2段の分離後、ロケットの第1段は逆向きに再配置され、9基のMerlin 1Dエンジンのうち3基が高高度で再点火され、減速と制御された降下軌道で海面への着陸が開始された。試験の最初のフェーズは「うまくいき、第1段は安全に再突入した」^{[ 19 ]} 。しかし、大気圏降下中の空力により第1段が回転し始め、回転速度が第1段姿勢制御システム（ACS）の能力を超えて、回転を無効化することができた。燃料タンク内の燃料はタンクの外側に「遠心分離」され、低高度減速操作に関与していたエンジンが停止した。SpaceXは海から第1段の残骸の一部を回収することができた。^{[ 1 ] [ 19 ]}同社は、2013年3月の発表で予測していたように、この飛行で第1段を回収できるとは予想していなかった^{[ 20 ]}。また、最初の数回の動力降下試験でも回収できるとは予想していなかった^{[ 7 ] 。}

この最初の実験降下は、ステージが海に落下したにもかかわらず、重要なテストマイルストーンを達成し、エンジニアリングデータを収集したため、成功とみなされました。^{[ 20 ]} SpaceX はこの飛行で多くの新技術をテストし、それらの結果をグラスホッパー実証機で得られた進歩と組み合わせることで、同社は「パズルのすべてのピースが揃った」と信じていました。^{[ 8 ] [ 20 ] [ 21 ]}

第1段の制御降下ハードウェアとソフトウェアの2回目のテストは2014年4月8日に行われ^{[ 9 ]}、液体ロケットエンジンの軌道第1段による初の制御された海洋軟着陸に成功した^{[ 22 ] [ 23 ]} 。第1段には初めて着陸脚が備えられ、着陸時に着陸をシミュレートするために展開され、最初のテスト飛行で発生した空力誘起回転を制御するために、より強力な窒素ガス制御スラスタが使用された。第1段は設計どおり、回転することなく垂直速度ゼロで水面に接近することに成功した^{[ 10 ] [ 24 ] 。}

2回目の試験中、第1段は高度80キロメートル（260,000フィート）^{[ 25 ]}でマッハ10（10,200 km/h、6,320 mph）^{[ 24 ]}の速度で飛行しており、その後、9基のメインエンジンのうち3基が点火され、初期減速と降下軌道への投入が行われた。^{[ 3 ]}「第1段は良好な再突入燃焼を実行し、降下中に安定することができた。…大西洋への着水は良好だった！…飛行コンピュータは水面に到達してから8秒間テレメトリーデータを送信し続け、第1段が水平になった後にのみ送信を停止した。」^{[ 26 ]}    

第2回目の第1段制御降下試験飛行における主な変更点には、再突入噴射と着陸噴射の両方の変更、および姿勢制御システム（ACS）機能の強化が含まれていた。^{[ 27 ]}

SpaceXは、テスト手順の複雑さと実行する必要のある手順の多さから、飛行テスト後のステージ回収の可能性は低いと予測していた。^{[ 10 ]}同社は、飛行テスト全体を「実験」と表現することに細心の注意を払った。^{[ 28 ]} 4月25日にナショナル・プレス・クラブで行われた記者会見で、イーロン・マスクは、第1ステージは海上にソフトタッチしたが、荒れた海のためステージが破壊されたと述べた。^{[ 29 ] [ 30 ]}

回収された第1段の3回目の試験飛行は、2014年7月14日にファルコン9の10回目の飛行で行われた。前回の試験ではフロリダ沿岸から数百キロメートル離れた目標着陸地点に到達したが、今回の飛行では、海岸線にずっと近く、ケープカナベラルの元の打ち上げ場所により近い海上着陸を試みるブーストバック軌道を目指した。3回目の制御降下試験飛行の後、SpaceXは将来、「浮体式発射台または打ち上げ場所に戻ってロケットを必要な改修なしで再飛行させる」能力に自信を示した。^{[ 31 ]}

第1段の打ち上げと第2段のペイロードの軌道投入後、SpaceXは使用済み第1段の飛行試験を成功裏に実施した。第1段は上層大気圏で極超音速から減速し、再突入、着陸噴射、着陸脚の展開を成功させ、海面に着水した。第1段は、着水時またはその後の「転倒とボディスラム」で船体の完全性が損なわれたため、分析のために回収されなかった。^{[ 32 ]}着陸後の分析結果によると、高さ46メートル（150フィート）の第1段は、着陸後、計画通り水平に海面に落下し、船体の完全性が失われた。^{[ 31 ]} 

回収された第1段の4回目の試験飛行は、計画された海上着陸で、2014年9月21日に打ち上げられたファルコン9の13回目の飛行で行われた。 ^{[ 33 ]}第1段は、海面への模擬着陸を模擬した、ゼロ高度でゼロ速度に近づくプロファイルで飛行した。^{[ 18 ]}スペースXは、以前のテストで14階建ての高さの第1段が海への転倒イベントに耐えられないことが確認されていたため、第1段を回収しようとはしなかった。ブースターは液体酸素がなくなった。^{[ 34 ]}

1か月後、制御降下試験の詳細な熱画像赤外線センサーデータとビデオが公開された。このデータは、火星大気圏突入への新しいアプローチを開発するための逆噴射減速技術の研究の一環として、NASAがSpaceXと共同で収集したものである。推進技術における重要な問題は、突入および減速の超音速逆噴射段階における降下機の流体流れの問題と姿勢制御に対処することである。第1段の夜間飛行試験のすべての段階は、IRデータが見えない雲の下で行われた最終着陸噴射を除いて、正常に画像化された。^{[ 18 ]}研究チームは、火星の突入および降下条件をモデル化した「火星に関連する逆噴射領域を通過する動力飛行」であるファルコン9地球突入試験におけるSpaceXの「再突入噴射」の高度70～40キロメートル（43～25マイル）の範囲に特に関心を持っている。^{[ 17 ]} 

SpaceXは、6回目の制御降下試験飛行と2回目の^{[ 35 ]}ドローン船への着陸を2015年2月11日以降に行う予定だった。帰還したロケットを海上に着陸させることは、「潜在的に歴史的なロケット打ち上げと着陸」となるはずだった。なぜなら、そのような偉業は5年前には「前例のないもの」だったからである。^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

2014年に提出された規制書類によると、SpaceXの計画では、6回目の試験飛行は2015年1月下旬の打ち上げ試みで行われる予定だった。しかし、5回目の試験飛行の完了後、着陸失敗でドローン船にいくらかの損傷が生じたため、わずか数週間後に6回目の試験がまだ実行可能かどうかは不明だった。^{[ 38 ]}この問題は、船がジャクソンビルに戻ってから数日以内に解決され、1月15日までに、SpaceXは深宇宙気候観測ミッションのブースト段階に続いて第1段の着陸を試みる計画について明確にした。^{[ 37 ]}

しかし、SpaceXの声明によると、ドローン船は「3階建ての高さに達する波が甲板に打ち付ける」ような状況にあった。さらに、バージを一定の位置に維持する4つのスラスタのうち1つが故障し、位置保持が困難になった。これらの理由から、打ち上げ後の飛行試験ではバージは使用されず、代わりに水上へのソフトタッチが試みられた。^{[ 39 ]}

試験は成功し、ファルコン9の第1段は目標地点から10メートル以内の精度で「きれいに垂直に」海上に着陸した。^{[ 40 ]}

したがって、今回の試験は5回目の洋上着陸であり、ファルコン9ロケット第1段の制御降下試験としては全体で6回目となる。

フライト46と48はどちらも2回目の飛行中のブースターで、旧型のブロック3設計では2回の飛行しかできないため回収されませんでした。制御不能な降下ではなく、SpaceXはドローン船を損傷するリスクなしに高エネルギー着陸技術をテストするために、両方のブースターを水面に軟着陸させました。^{[ 41 ] [ 42 ]}フライト48では、ブースターは着陸に耐え、転倒後も無傷のままでした。計画外の回収が検討されましたが、試みる前にブースターが分解しました。^{[ 43 ]}

この5回目の制御降下試験飛行は、専門誌によって歴史的なコア帰還の試みとして期待されていた。^{[ 50 ]}この飛行では、2014年初頭にF9R Dev1プロトタイプ機で低高度・低速試験中にのみ試験されたグリッドフィン空力制御面が、軌道ミッションで初めて採用された。グリッドフィンの追加と、以前の試験飛行と同様にエンジンのジンバルによる制御権限の継続により、着陸精度は10m （33フィート）に向上すると予測され、目標座標から10km （6.2マイル）以内に着陸した以前の4回の試験飛行に比べて1000倍の改善となった。 ^{[ 51 ]}飛行前に、SpaceXは最初の試みでの成功の可能性は50％以下であると予測していた。^{[ 48 ]}    

この新しいハードウェアの最初の試験飛行は、2015年1月10日にNASAのCRS-5ミッションで行われた。制御降下飛行は、第2段分離イベント^{[ 50 ]}の後に打ち上げから約3分後に開始され、その時点で第1段は約80km （50マイル）の高さにあり、マッハ10（10,000 km/h、6,300 mph）の速度で移動していた。^{[ 52 ]}     

SpaceXのウェブキャストでは、降下中の第1段のブーストバック噴射と再突入噴射が行われ、その後、予想通り降下中のロケットが「地平線の下」に入り、ライブテレメトリー信号が途絶えたため、逆噴射着陸の試みがライブで放送されなかったことが示されました。その後まもなく、SpaceXは、ロケットは計画通りドローン船に到達したが、「激しく着陸した…船自体は無事だ。甲板上のサポート機器の一部を交換する必要があるだろう」という情報を公開しました。^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]}マスク氏は後に、ロケットの飛行制御面が衝突前に油圧作動油を使い果たしていたことを詳しく説明しました。^{[ 56 ]}マスク氏は、Twitterでジョン・カーマック氏と話しながら、衝突の写真を投稿しました。SpaceXは後に、 Vineで衝突のビデオを公開しました。^{[ 44 ]}

第1段の制御降下プロファイルの7回目の試験飛行は、2015年4月14日にファルコン9ロケット17号機で行われ、CRS-6を国際宇宙ステーションに輸送した。これはスペースXにとって、浮体プラットフォームへの着陸を試みるのは2回目だった。第1段には、ミッション後の試験を容易にするため、グリッドフィンと着陸脚が取り付けられた。

イーロン・マスク氏による初期の報告では、第1段がドローン船にハードランディングしたと示唆されていた。^{[ 57 ]}マスク氏は後に、二液式推進剤バルブが固着していたため、制御システムが着陸を成功させるのに十分な速さで反応できなかったと明らかにした。^{[ 58 ]} 4月15日、SpaceXは降下最終段階、着陸、転倒、そしてASDSのデッキ上で第1段が分解した結果としての爆燃のビデオを公開した。^{[ 59 ]}

ファルコン9の第1段を発射場近くの地上パッドに着陸させる最初の試みは、2015年12月21日の夕方、ファルコン9フルスラストバージョンの初飛行であるフライト20で行われた。着陸は成功し、第1段は回収された。 ^{[ 46 ] [ 60 ]}これは、ロケットの第1段が軌道打ち上げミッションを推進した後、地球に帰還し、制御された垂直着陸を達成した史上初の事例である。

SpaceXは、ケープカナベラル空軍基地に最近建設した着陸ゾーン1施設（旧発射複合施設13 ）への着陸を最終目標とする、8回目のブースター制御降下試験の実施を、米国の規制当局である連邦航空局（FAA）に申請した。^{[ 61 ]} FAAは、環境への被害は最小限であると評価した後、SpaceXにこの着陸を試みることを承認した。^{[ 62 ] [ 63 ]}さらに、NASAは、打ち上げと着陸の試みの間、打ち上げと着陸地点近くのNASAコーズウェイを閉鎖し、立ち入り禁止区域を大幅に拡大することを計画した。^{[ 64 ] [ 65 ]}地上着陸パッドへの着陸、または洋上のドローン船への着陸という2つの選択肢は、打ち上げ当日まで残されていた。最終的にブースターをケープカナベラルに戻すという決定は、着陸候補地の天候など、多くの要因に基づいて下された。

フライト20は2015年12月21日20時29分（米国東部標準時）（2015年12月22日01時29分UTC ）に離陸した。約9分45秒後、第1段は発射台に垂直に着陸した。^{[ 46 ] [ 60 ] [ 66 ]}

SpaceXはファルコン9の20回目の第1段を再び飛行させることはなかった。^{[ 67 ]}むしろ、ロケットは検査され、数マイル北の発射台に戻されて静止燃焼試験が行われた。高温燃焼試験の後、SpaceXは将来の着陸後のロケット設計の再飛行能力を評価するために、機体を詳細に評価した。

12月31日、SpaceXはステージに損傷は見つからず、再び点火する準備が整ったと発表した。^{[ 68 ] [ 69 ]} 2016年1月15日、SpaceXは回収したブースターの静止燃焼試験を実施し、外側エンジンの1つ（エンジン9）の推力に若干の変動があったことを除けば、全体的に良好な結果だったと報告した。イーロン・マスクは、これは破片の吸入によるものかもしれないと報告した。^{[ 70 ]}

このブースターは、2016年8月20日からカリフォルニア州ホーソーンにあるスペースX本社前に展示されている。

フライト21は、ファルコン9 v1.1の最後の打ち上げで、ジェイソン3ペイロードを搭載していました。一時は、これが第1段を地上に着陸させる最初の機会となる可能性がありましたが^{[ 71 ]} 、2015年6月のファルコン9フライト19の損失を受けて打ち上げの順序が変更されました。ジェイソン3は2016年1月17日に打ち上げに成功し、第1段は軟着陸に向けて減速することができましたが、着陸脚の1つのロックアウトコレットが正しくラッチされず、着陸後にロケットが倒れて爆発しました。^{[ 72 ] [ 73 ]}イーロン・マスクは、高湿度の打ち上げ条件によるコレットへの氷の付着がラッチの故障につながった可能性があると指摘しました。^{[ 74 ] [ 75 ]}

2016年3月4日、ファルコン9ロケット22号機は、^{重量5,271kg（11,620ポンド）のSES-9通信衛星[76][} 77 ]を打ち上げました。^{これは同ロケット史上}最大のペイロードであり、高エネルギーの静止トランスファ軌道（GTO）を目指していました。そのため、ファルコン9ロケットの第1段は分離後、弾道軌道を描き、空力的な損傷を軽減するために燃料をほとんど残さずに高速で大気圏に再突入しました。  

そのため、SpaceXはファルコン9ブースターを大西洋に停泊させた海上バージ「 Of Course I Still Love You」に着陸させることに成功することは期待していなかった。イーロン・マスクはツイートで着陸の試みが失敗したことを確認した。 ^{[ 78 ] [ 79 ]}

2016年4月8日、ファルコン9の23回目の飛行（フルスラストバージョンの3回目の飛行）で、第1段が大西洋上空でブーストバックと再突入マニューバを実施しながら、国際宇宙ステーションに向かう途中のスペースX CRS-8貨物を届けました。打ち上げから9分後、ブースターはフロリダ海岸から300km （190マイル）離れたドローン船「Of Course I Still Love You 」に垂直着陸し、スペースXの再利用開発プログラムにとって長年待ち望まれていたマイルストーンを達成しました。^{[ 45 ]}  

このステージ（シリアル番号B1021 ）は改修され、2017年3月にSES-10ミッションのために再び飛行し、再利用型ロケットの開発における新たなマイルストーンを打ち立てた。

2016年5月6日、ファルコン9の24回目の飛行で、第1段が事前のブーストバックなしで弾道条件下で再突入燃焼を行い、JCSAT-14衛星を静止遷移軌道（GTO）に投入した。大気圏への制御された降下後、ブースターはドローン船Of Course I Still Love Youに接近しながら短い着陸燃焼を行い、垂直着陸に成功した。この2回目の海上着陸は、分離時のブースターの速度が低地球軌道へのCRS-8打ち上げ時の6,650 km/h（4,130 mph）に対し約8,350 km/h（5,190 mph）であったため、前回よりも困難であった。^{[ 80 ]}飛行範囲の限界をテストする実験を続ける中で、SpaceXは以前の試みで見られた単一エンジンの燃焼ではなく、3つのエンジンを使用したより短い着陸燃焼を選択した。このアプローチでは、ステージをできるだけ長く自由落下させ、より急激に減速させることで、重力に逆らうために消費されるエネルギーを最小限に抑え、燃料消費量を削減します。^{[ 81 ]}イーロン・マスク氏は、この第1ステージは再び飛行しない可能性があり、代わりに将来の第1ステージロケットが良好であることを確認するための地上テストのライフリーダーとして使用される可能性があると述べました。^{[ 82 ]}    

2016年5月27日、ファルコン9の25回目の飛行でTHAICOM 8が超同期遷移軌道に投入されました。再突入速度が速かったにもかかわらず、第1段は再びSpaceXのドローン船に無事着陸しました。^{[ 83 ]}着陸により片方の脚の「クラッシュコア」が潰れ、ドローン船上に立った状態で第1段が大きく傾きました。^{[ 84 ]}

2016年6月15日、ファルコン9の26回目の飛行で、 Eutelsat 117W B ^{[ 85 ]}とABS 2A ^{[ 86 ]}衛星がGTOに正常に投入されました。第1段は再突入噴射を行い、グリッドフィンを正常に展開した後、バージへの着陸を試みました。着陸は、液体酸素燃料の枯渇により第1段エンジンの1つの推力が低下したため、最後の瞬間に失敗しました。これにより、第1段がドローンのデッキのすぐ上にあるときにエンジンが早期に停止し、着陸失敗となりました。^{[ 87 ] [ 88 ]}

2016年7月18日未明、CRS-9ミッション用のドラゴン宇宙船を搭載したファルコン9ロケット27号機が、ケープカナベラルの着陸ゾーン1に第1段を無事着陸させた。^{[ 89 ]}

2016年8月14日、ファルコン9ロケット28号機は、日本の通信衛星JCSAT-16を静止遷移軌道に投入することに成功した。第1段は大気圏に再突入し、大西洋にいたドローン船「Of Course I Still Love You」に垂直着陸した。 ^{[ 90 ]}