Hacer aterrizar de forma vertical un cohete orbital es una idea más antigua que la propia era espacial. Sin embargo, no sería hasta 2015 cuando la humanidad logró llevar a cabo esta hazaña tecnológica con el objetivo de abaratar los costes de acceso al espacio (que se consiga finalmente es un asunto todavía pendiente). El ganador de esta carrera sería la empresa Blue Origin del multimillonario Jeff Bezos, la cual consiguió el 23 de noviembre de 2015 hacer aterrizar verticalmente el cohete New Shepard tras una misión suborbital —la segunda de este lanzador— en la que había superado los cien kilómetros de altura, la subjetiva frontera del espacio.

La empresa SpaceX, propiedad del no menos millonario Elon Musk, lograría hacer lo propio casi un mes después, el 22 de diciembre, cuando una primera etapa de un Falcon 9 FT descendió suavemente sobre una rampa de Cabo Cañaveral tras seguir otra trayectoria suborbital mucho más compleja que la del New Shepard. Recientemente SpaceX ha repetido la maniobra de aterrizaje, pero en esta ocasión sobre una plataforma situada en medio del océano. Pero para llegar a este punto SpaceX ha necesitado llevar a cabo doce misiones espaciales durante los últimos tres años. ¿Por qué ha sido tan complicado?

Corría 2011 cuando SpaceX desveló sus planes de reutilización del cohete Falcon 9. Hasta entonces la empresa de Musk se había caracterizado por seguir un diseño lo más sencillo y práctico posible, tanto que el Falcon 9 llegó a recibir en algunos círculos el apodo del ‘Zenit norteamericano’. El Falcon 9 tenía solo dos etapas para simplificar al máximo su construcción y las dos serían únicamente a base de kerolox (queroseno y oxígeno líquido), a pesar de que hubiese sido más eficiente introducir una segunda etapa criogénica (hidrógeno y oxígeno líquidos).

De esta forma se reducían sobremanera los costes fijos de mantenimiento y se simplificaban las instalaciones de tierra y las operaciones de lanzamiento. Al carecer de un motor de kerolox potente, SpaceX decidió tirarse al monte y construir uno propio —el Merlin— que, además, serviría tanto para la primera como para la segunda con ligeras modificaciones. ¿Que no era suficientemente potente y usaba una tecnología un tanto simple (ciclo abierto)? No importaba. Si había que agrupar nueve motores Merlin para hacer despegar el Falcon 9 pues se agrupaban y punto. Una solución de diseño con la que podría haber estado de acuerdo Valentín Glushkó.

Por eso los planes de Musk para reutilizar el Falcon 9 llamaron tanto la atención. Porque ahora el diseño del Falcon 9 se tendría que complicar mucho más para hacer frente a esta nueva exigencia. Tras separarse de la segunda fase, la primera etapa giraría 180º y encendería tres motores Merlin para reducir su velocidad y ‘dar marcha atrás’. Posteriormente aterrizaría en Cabo Cañaveral o Vandenberg sobre cuatro patas desplegables usando un único motor. Por si esto fuera poco, en un principio SpaceX pensó en reutilizar las dos etapas del Falcon 9. Sorprendentemente, la segunda etapa también debía regresar a la costa tras una misión espacial a la órbita baja, aunque para ello tendría que estar dotada de un escudo térmico con el fin de sobrevivir a la reentrada atmosférica a alta velocidad.

Vídeo del concepto original (2011) de reutilización de las dos etapas del Falcon 9:

Los planes de SpaceX fueron recibidos con escepticismo, pero ese mismo año comenzó la construcción del prototipo de cohete de aterrizaje vertical Grasshopper para desarrollar las tecnologías asociadas con la reutilización del Falcon 9. El Grasshopper, con un único motor Merlin 1D, llevó a cabo ocho vuelos entre el 21 de septiembre de 2012 y el 7 de septiembre de 2013, alcanzando una altura máxima de 350 metros. En 2012 SpaceX dio un giro importante a sus planes cuando decidió introducir una nueva versión del Falcon 9 denominada Falcon 9 v1.1 (oficialmente conocida simplemente como Falcon 9 Upgraded). A pesar de su nombre, el F9 v1.1 presentaba numerosas diferencias con el Falcon 9 1.0 (o Falcon 9 Block 1) y era un nuevo lanzador a todos los efectos. Más largo y pesado, y dotado de motores Merlin 1D situados en una nueva configuración circular (octaweb), el v1.1 sería capaz de situar en órbita baja 13,15 toneladas en vez de las 9,9 toneladas del v1.0.

En realidad, la capacidad de carga del nuevo cohete se limitaría a 10,45 toneladas en órbita baja con el fin de destinar el resto del combustible para reutilizar la primera etapa. Para entonces SpaceX había renunciado a recuperar la segunda etapa, un paso más que lógico dadas las enormes dificultades técnicas de esta maniobra. Pero a pesar de disponer de un nuevo lanzador más potente había un pequeño problema, y es que la primera etapa del v1.1 no podía llevar el combustible necesario para volver a la costa tras una misión a la órbita geoestacionaria (desde Cabo Cañaveral) o si se lanzaba una carga útil muy pesada desde Vandenberg (el margen preciso de combustible es uno de los muchos secretos que guarda de SpaceX).

La solución de SpaceX fue simple: si el cohete no va a la montaña, pues que la montaña vaya al cohete. En este caso, la montaña era la rampa de aterrizaje, así que se decidió introducir una barcaza modificada que sirviera de plataforma de descenso para las primeras etapas. Localizadas a 300 kilómetros del punto de lanzamiento, las barcazas permitirían reducir drásticamente la cantidad de combustible requerido para el aterrizaje, aunque a cambio de introducir una serie de dificultades añadidas.

Efectivamente, la precisión requerida para lograr el aterrizaje sobre una barcaza sería mucho mayor que el necesario para un descenso en tierra, a lo que había que sumar el hecho de que la plataforma estaría en pleno movimiento por culpa del viento y las olas. En cualquier caso, la empresa de Musk terminaría por comprar y reformar dos barcazas a las que denominó ASDS (Autonomous Spaceport Drone Ship). Dotadas de sistemas de propulsión propio y con un control específico para reducir el vaivén debido al oleaje, las ASDS son en realidad auténticos buques más que simples ‘barcazas’. Una de ellas sería bautizada como Just read the instructions, mientras que la otra, introducida un tiempo después, se conocería como Of course I still love you, ambos nombres de naves espaciales que aparecen en la serie de novelas de La Cultura de Iain M. Banks.

El 29 de septiembre de 2013 SpaceX lanzó el primer Falcon 9 v1.1 desde la rampa SLC-4E de la Base Aérea de Vandenberg con el satélite canadiense Cassiope a bordo. Aunque en su momento pasó inadvertido, principalmente debido al secretismo con el que SpaceX llevó la operación, durante esta misión tuvo lugar el primer ensayo de recuperación de un Falcon 9. La etapa, sin tren de aterrizaje, probó las maniobra evasivas tras la separación de la segunda fase —para evitar resultar dañada por el escape de esta— usando un sistema de propulsión mediante nitrógeno gaseoso. A continuación giró 180º mediante el mismo sistema y encendió tres de los nueve motores Merlin. A poca altura sobre el Pacífico se produjo la ignición del motor central para simular un aterrizaje suave. Lamentablemente, la etapa comenzó a girar incontroladamente y resultó destruida debido a la elevada velocidad con la que impactó contra la superficie del océano. A pesar del fracaso, era la primera vez que alguien intentaba aterrizar suavemente un cohete lanzado en una misión orbital.

Mientras, el Grasshopper original sería sustituido por el Grasshopper 2 o Falcon-9R Dev-1, dotado de tres motores Merlin 1D. Entre el 17 de abril y el 22 de agosto de 2014 este prototipo llevaría a cabo cinco vuelos desde las instalaciones de SpaceX en McGregor (Texas), resultando destruido durante la última misión. No obstante, durante el vuelo vertical del 1 de mayo de 2014 logró alcanzar un kilómetro de altura, en su momento toda una hazaña para este tipo de cohetes. SpaceX anunció entonces que sería sustituido por el Grasshopper 3, un vehículo que probaría el descenso de la primera etapa en vuelos suborbitales supersónicos con alturas máximas de 91 kilómetros. Poco después la empresa cancelaría el desarrollo de este prototipo al considerar que no era necesario.

Habría que esperar al 18 de abril de 2014 para ver la segunda prueba de recuperación de una primera etapa. Esta vez se trataba del lanzamiento de la nave de carga Dragon SpX-3(CRS-3). Los lanzamientos de naves Dragon se convertirían a partir de ese momento en las principales oportunidades para ensayar la tecnología de aterrizaje vertical, ya que en estas misiones el Falcon 9 lleva combustible de sobra para poner la Dragon en órbita y aterrizar sobre la barcaza en alta mar. En esta ocasión la primera etapa incorporaba un tren de aterrizaje plegable y, por primera vez, logró descender suavemente sobre el océano antes de hundirse. Esta maniobra se repetiría el 14 de julio de 2014 durante el lanzamiento de la misión Orbcomm 1.

Vídeo del primer descenso controlado del Falcon 9 v1.1 de la misión Dragon CRS-3 en el océano (la calidad es mala, pero es el primer amerizaje suave de una primera etapa de SpaceX):

Vídeos del aterrizaje controlado sobre el océano el 14 de julio de 2014 durante la misión Orbcomm 1:

SpaceX comenzaba a dominar la técnica de retorno de la primera etapa. El 21 de septiembre de 2014 realizó el tercer amerizaje controlado durante el lanzamiento de la Dragon SpX-4, aunque el cohete de esta misión no estaba provisto de tren de aterrizaje.

Vídeo en infrarrojo de las maniobras de retorno de la etapa del Falcon 9 durante la misión Dragon SpX-4 (CRS-4):

La tecnología parecía estar madura para intentar una recuperación en altamar usando una de las dos barcazas ASDS. Pero había un problema y es que el control de posición del sistema de nitrógeno gaseoso y los motores Merlin solamente ofrecían una precisión en la zona de aterrizaje del orden de 10 kilómetros, claramente insuficiente para garantizar un descenso sobre la pequeña barcaza. Había que introducir un sistema de control aerodinámico más preciso y eso es lo que hizo SpaceX. La primera etapa fue dotada de cuatro aletas de control con un diseño en rejilla, lo que permitía controlar el vehículo a velocidades tanto hipersónicas como subsónicas. Este tipo de rejillas de control son comunes en misiles, pero en los vehículos espaciales se emplean con menos frecuencia. Curiosamente, varios diseños soviéticos han hecho uso de este sistema, como por ejemplo la primera etapa del cohete gigante lunar N1 o el sistema de escape de emergencia (SAS) de las naves Soyuz.

Simulación del descenso de una primera etapa del Falcon 9 sobre una barcaza ASDS:

El primer intento de posar una etapa sobre una de las barcazas tuvo lugar el 10 de enero de 2015 en la misión Dragon SpX-5 (CRS-5). Las maniobras propulsivas de regreso se llevaron a cabo tal y como estaba planeado y las aletas aerodinámicas controlaron el vehículo con éxito. Sin embargo, durante la fase de descenso final un fallo del sistema hidráulico que controla las aletas provocó que la etapa se estrellase a alta velocidad contra la barcaza Just read the instructions. Afortunadamente, y a pesar de lo aparatoso de la explosión, la barcaza no sufrió daños de consideración.

La siguiente prueba se produciría el 11 de febrero de 2015 durante la puesta en órbita del satélite DSCOVR de la NASA. No se pudo usar la barcaza ASDS por culpa del fuerte oleaje en el océano Atlántico, pero se decidió que la primera etapa aterrizase de todas formas para probar las mejoras del sistema de control aerodinámico que había fallado en la misión anterior. En esta ocasión todo salió perfectamente y la etapa realizó un amerizaje controlado.

Todo estaba listo para intentar lograr la primera recuperación exitosa. El 14 de abril de 2015 SpaceX lo intentaría durante el lanzamiento de la Dragon SpX-6. La etapa, equipada con las cuatro aletas estabilizadoras, aterrizó suavemente casi en el centro de la barcaza Just read the instructions, pero debido a un exceso de velocidad finalmente cayó de lado sobre la barcaza y resultó destruida.

Descenso de la primera etapa en la misión SpX-6 (CRS-6):

Y es que hacer aterrizar un cohete de 42 metros de alto —equivalente a la altura de un edificio de 14 pisos (!!)— no es tarea fácil. La primera etapa se separa a una velocidad del orden de los 3 kilómetros por segundo (Mach 10) y a unos 160 kilómetros de altura (los datos precisos son secretos y además dependen de cada misión). La etapa usa entonces los propulsores de nitrógeno para alejarse de la segunda etapa y girar 180º. Tres motores Merlin se encienden durante 30 segundos unos cuatro minutos y medio tras el despegue para reducir la velocidad de la etapa y acortar su recorrido horizontal.

A 70 kilómetros de altura se efectúa el segundo impulso de frenado por parte de los tres motores con una duración de 25 segundos. Justo en este momento se despliegan las superficies de control aerodinámicas y se activa el sistema de guiado (cuyos detalles también son secretos). El tercer encendido —únicamente del motor central— tiene lugar a apenas un kilómetro de altura. Poco antes del aterrizaje se despliegan las cuatro patas del tren de aterrizaje mediante un sistema a base de helio, derivado del empleado para presurizar los tanques de propelentes.

La siguiente misión parecía que sería definitiva. La barcaza Of course I still Love You estaba preparada para recuperar la etapa del lanzador que pondría en órbita la Dragon SpX-7. Lamentablemente, el Falcon 9 v1.1 y su carga útil resultaron destruidos durante el lanzamiento por culpa de un fallo catastrófico de la estructura de la segunda fase antes de la separación. SpaceX decidiría entonces cambiar de estrategia y optó por conseguir primero un aterrizaje en tierra firme antes de seguir intentándolo en el mar. El 21 de diciembre de 2015 despegaba desde Cabo Cañaveral el primer Falcon 9 FT (Full Thrust) o v1.2 en la misión Orbcomm-2, una versión mejorada del v1.1 capaz de permitir la recuperación de la primera etapa en cualquier tipo de misión.

El nuevo Falcon 9 FT, con motores Merlin 1D+ mejorados y una mayor capacidad de combustible tiene una capacidad teórica en órbita baja que se cree ronda las veinte toneladas, pero SpaceX lo oferta con las mismas características que el v1.1 para aprovechar el excedente de combustible en las maniobras de recuperación. Esta vez fue la definitiva: la etapa del nuevo F9 FT logró regresar a la costa y aterrizar suavemente sobre la explanada LZ-1 (Landing Zone 1), en realidad la antigua rampa de lanzamiento LC-13 que se usaba en las misiones del viejo Atlas-Agena.

Vídeo del primer aterrizaje exitoso del Falcon 9 en diciembre de 2015:

Quitando el ligero chamuscado debido a los gases de escape y la reentrada atmosférica a baja velocidad, la etapa regresó en buen estado y posteriormente fue trasladada al hangar de SpaceX que se halla cerca de la rampa 39A del Centro Espacial Kennedy, usada anteriormente para lanzamientos del transbordador espacial. Luego se llevaría a la rampa SLC-40 de Cabo Cañaveral para someterla a una prueba de encendido de los motores. El tiempo de ignición duró unos solo dos segundos y se detectaron ligeras fluctuaciones de empuje en uno de los motores Merlin exteriores. Los análisis demostraron que el culpable de esta anomalía era un objeto extraño que se había introducido en el motor.

Ahora había que aprobar la asignatura pendiente: el aterrizaje sobre una barcaza. El 17 de enero de 2016 se intentó recuperar la primera etapa del último Falcon 9 v1.1, que en esta misión despegó desde Vandenberg con el satélite Jason 3 a bordo. Lo cierto es que todo salió como era debido, pero finalmente la etapa resultó destruida. La culpa la tuvo el incorrecto despliegue de una de las cuatro patas, que no quedó fijada durante la apertura. Como consecuencia, una vez más, el cohete cayó de lado y explotó sobre la barcaza Just read the instructions.

Pero la empresa de Musk no estaba dispuesta a rendirse. El 3 de marzo de 2016 se lanzó un Falcon 9 FT desde Cabo Cañaveral con el satélite SES 9. La primera etapa se estrelló contra la barcaza Of course I still Love You a unos 150 km/h. Aunque no hay imágenes del aterrizaje, se cree que en este aterrizaje se usaron tres motores durante la maniobra final de frenado para ahorrar combustible, lo que requiere un encendido a una altura muy baja. Aparentemente, uno de los motores no proporcionó el empuje adecuado y no pudo frenar la etapa como se esperaba. Sea como sea, SpaceX consideraba que las posibilidades de éxito en esta misión eran muy bajas.

Pero el que la sigue la consigue y finalmente el 8 de abril de 2016 SpaceX logró que la primera etapa del Falcon 9 FT de la misión Dragon SpX-8 (CRS-8) aterrizase suavemente sobre la barcaza ASDS Of course I still love you. Elon Musk ha declarado que intentará reutilizarla en una misión espacial a lo largo de este año. Como vemos, a SpaceX le ha costado mucho recuperar de forma satisfactoria una primera etapa del Falcon 9, pero lo ha conseguido. Ahora viene lo complicado, que no es otra cosa que demostrar que, efectivamente, este sistema permitirá reducir los costes de acceso al espacio, el Santo Grial de la astronáutica.

Vídeo del primer aterrizaje exitoso de la primera etapa de un Falcon 9 en la barcaza ASDS: