Pour les articles homonymes, voir Falcon.

Falcon 9
Lanceur moyen/Lourd
Décollage du (V1.1 FT) 8 (B5).
Données générales
Pays d’origine	États-Unis
Constructeur	SpaceX
Lancements (échecs)	580 (3) au 31 decembre 2025
Lancements réussis	579
Hauteur	53 m (V1.0) 68,7 m (V1.1) 70,1 m (V1.1 FT)
Diamètre	3,6 m
Masse au décollage	336 t (V1.0) 511 t (V1.1) 538 t (V1.1 FT)
Étage(s)	2
Poussée au décollage	7,6 MN (V1.1 FT)
Base(s) de lancement	Cape Canaveral (Floride) Centre spatial Kennedy (Floride) Vandenberg (Californie)
Charge utile
Orbite basse	8,5-9 t (V1.0) 13,15 t (V1.1) 22,8 t (V1.1 FT et B5)
Transfert géostationnaire (GTO)	3,4 t (V1.0) 4,85 t (V1.1) 8,3 t (V1.1 FT et B5)
Motorisation
Ergols	LOX + RP-1
Propulseurs d'appoint	0
1er étage	9 Merlin 1D
2e étage	1 Merlin 1D
modifier

Le Falcon 9 est un lanceur spatial moyen/lourd partiellement réutilisable développé par la société américaine SpaceX dont la dernière version peut placer une charge utile de 22,8 tonnes en orbite basse ou de 8,3 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Le premier lancement a eu lieu le 4 juin 2010.

L'objectif de SpaceX avec le Falcon 9 est de proposer à ses clients un lanceur abordable, avec un prix au kg de charge utile plus faible que ses concurrents. Pour ce faire, l'entreprise mise sur des coûts de fabrication modérés, et sur la récupération et la réutilisation des premiers étages de ses lanceurs.

Le lanceur Falcon 9 se compose de deux étages propulsés par dix moteurs Merlin 1D (neuf sur le premier étage et un sur le second) brûlant un mélange d'oxygène liquide et de RP-1. SpaceX a par ailleurs développé une version Heavy (en français : « Lanceur super lourd ») du lanceur pouvant placer jusqu'à 63,8 tonnes en orbite basse.

Le Falcon 9 est le premier lanceur de cette puissance développé par un opérateur privé. Tous ses composants (avionique, moteur) ont été conçus spécifiquement par SpaceX, selon la stratégie dite d'intégration verticale.

Elon Musk, fondateur de SpaceX et principal actionnaire, crée sa société avec l'objectif de faciliter l'accès à l'espace en s'attaquant à sa principale limitation: le coût de lancement.

En 2004, Musk annonce devant le Sénat américain qu'il souhaite réduire le coût d'accès à l'orbite en développant des lanceurs réutilisables qui mettent en œuvre des technologies éprouvées combinées à d'autres plus modernes.

SpaceX, pour abaisser les coûts de fabrication, mise sur deux choix qui le démarquent de ses concurrents :

• La société opte pour un dispositif industriel intégré verticalement en concevant et fabriquant en interne 70 % des composants de son lanceur sur un site unique à Hawthorne (Californie) alors que ses principaux concurrents confient notamment le développement de la propulsion aux sociétés de motoristes.
• Le lanceur est désoptimisé, c'est-à-dire que pour limiter les coûts, le constructeur opte pour des techniques simples quitte à dégrader les performances (sur enrichissement en kérosène pour réduire l'échauffement des moteurs, conception des étages identiques)^[1]. Toutefois au fur et à mesure du développement du lanceur, SpaceX doit faire marche arrière sur certaines des solutions techniques simplificatrices retenues initialement et opter pour des approches plus conventionnelles.

En 2005, SpaceX annonce qu'elle va proposer une gamme de lanceurs composée du lanceur léger Falcon 1 et du lanceur moyen Falcon 5. En septembre 2005, la société ajoute à sa gamme le Falcon 9 doté d'un premier étage nettement plus puissant propulsé par neuf moteurs Merlin au lieu de cinq sur le Falcon 5. Le premier vol est annoncé pour le deuxième trimestre 2007.

Le Falcon 9 doit dans un premier temps être propulsé par des moteurs Merlin 1B, mais ce modèle est rapidement abandonné au profit du Merlin 1C, plus évolué et plus puissant, qui atteint 556 kN de poussée contre 378 kN pour le Merlin 1B.

Fin 2005, le Falcon 5 disparaît du catalogue SpaceX^[2].

En septembre 2006, dans le cadre du programme COTS destiné à assurer le remplacement partiel de la navette spatiale américaine, la NASA sélectionne deux sociétés, dont SpaceX, pour le ravitaillement en cargo de la Station spatiale internationale.

La réponse à l'appel d'offres propose l'utilisation du lanceur Falcon 9 pour mettre en orbite le cargo spatial Dragon également développé par SpaceX. La NASA passe contrat avec la société en décembre 2008 pour un montant de 1,6 milliard $.

Le contrat initial prévoit 12 lancements de Dragon jusqu'en 2015. Les clauses du contrat stipulent que SpaceX doit effectuer trois vols de qualification de leur vaisseau avec des difficultés croissantes avant de pouvoir mener une mission vers la Station Spatiale Internationale.

Début 2007, SpaceX annonce avoir terminé l'assemblage du premier réservoir du lanceur^[3]. En novembre 2008, les neuf moteurs sont testés avec succès pendant une durée équivalente à celle d'un lancement (178 secondes)^[4] et en octobre 2009, un premier étage destiné au vol effectue un test réussi sur le banc d'essais de SpaceX situé à McGregor dans le Texas. Le second étage est testé pour la première fois en novembre 2009

Le lanceur complet (premier et second étage assemblés) est convoyé vers son site de lancement en février 2010. Le 13 mars 2010, SpaceX procède à un essai statique de 3,5 secondes du lanceur assemblé sur son pas de tir.

Après deux interruptions dans le compte à rebours dont un allumage du premier étage avorté, le premier lancement d'une fusée Falcon 9 a eu lieu le 4 juin 2010 depuis la base de lancement de Cap Canaveral.

La charge utile du lanceur était une maquette du cargo spatial Dragon, nommée Dragon Spacecraft Qualification Unit. Malgré un roulis important non prévu, le second étage solidaire de sa charge utile s'est placé sur une orbite circulaire de 250 km avec une inclinaison de 34,5° correspondant presque parfaitement à l'objectif fixé (moins de 1 % de différence).

La qualification pour le programme COTS, qui constitue la majorité du carnet de commande du lanceur, est un enjeu majeur pour SpaceX. Afin de qualifier le lanceur et le vaisseau Dragon pour le ravitaillement de la Station spatiale internationale, trois vols de difficulté croissante doivent être réalisés avec succès.

Après plusieurs reports, le premier vol de qualification a lieu le 8 décembre 2010. Le lanceur Falcon 9 a placé le cargo spatial SpaceX Dragon sur une orbite circulaire de 288 km avec une inclinaison de 34,53 degrés. Les communications ont été testées et des manœuvres de changement d'orbite et de contrôle d'orientation ont été effectuées par le vaisseau à l'aide de ses moteurs. Après près de 3 heures passées en orbite, la capsule effectue une rentrée atmosphérique et est récupérée après son amerrissage dans l'océan Pacifique. SpaceX devient ainsi la première société privée capable de lancer et de récupérer une capsule spatiale.

Le deuxième et dernier vol de qualification a lieu le 22 mai 2012. Le troisième vol de qualification initialement prévu est annulé après que la NASA ait validé la proposition de SpaceX de fusionner les objectifs des deux missions. Ce vol doit donc démontrer à la fois la capacité du vaisseau cargo Dragon à manœuvrer en toute sécurité à proximité de la station spatiale et effectuer un premier test d’amarrage.

Le lanceur Falcon 9 met en orbite une capsule Dragon contenant 521 kilos de fret à destination de la Station spatiale internationale. Le 25 mai, après trois jours de trajets et de tests, la capsule est amarrée à la station spatiale et le vaisseau est déchargé. Six jours plus tard, le vaisseau qui a été chargé avec 625 kg de matériel est désamarré et entame sa rentrée atmosphérique. Il amerrit le 31 mai à environ 900 km de la côte californienne et est récupéré avec succès. Ce vol conclut la phase de certification de l'ensemble Falcon 9/Dragon pour le programme COTS^[5].

À la suite des vols de qualification, le lanceur effectue son premier vol opérationnel (CRS-1) destiné à ravitailler la Station spatiale internationale le 8 octobre 2012. Le lanceur emporte une capsule Dragon contenant 905 kilos de fret à destination de la Station spatiale internationale. 90 secondes après le décollage, un des neuf moteurs du premier étage est victime d'une défaillance: les investigations postérieures réalisées par une commission mixte de SpaceX et de la NASA montreront qu'une brèche s'est ouverte dans la chambre de combustion et qu'un jet de gaz brulant en est sorti et a sectionné le conduit de l'alimentation principale en ergol déclenchant un incendie. L'ordinateur de vol a alors arrêté le moteur et le lanceur a poursuivi son vol en utilisant ses 8 autres moteurs^[6],[7]. L'orbite visée est atteinte mais SpaceX ne procède pas au réallumage du second étage qui aurait permis de placer la charge secondaire, le minisatellite de démonstration Orbcomm-G2, sur son orbite de destination. Le minisatellite sera détruit en rentrant dans l'atmosphère quatre jours plus tard^[8]. Mais la mission principale se déroule sans accroc, la capsule Dragon après avoir manœuvré est amarrée à la station spatiale le 10 octobre 2012 et est déchargée. Le 28 octobre, le vaisseau est détaché de la station et après sa rentrée atmosphérique effectue un amerrissage dans l'océan Pacifique. Les équipes de SpaceX et de la NASA parviennent à récupérer le vaisseau et son contenu sans difficultés^[9].

La version V1.1 du lanceur introduit de profonds changements dans la configuration du lanceur avec notamment de nouveaux moteurs Merlin 1D. Le premier vol de cette version a lieu le 29 septembre 2013. Le lancement est un succès, mais deux objectifs secondaires du vol ne sont pas atteints^[10],[11]. Le 3 décembre 2013, le deuxième vol du lanceur dans sa version 1.1 emporte un satellite de télécommunications vers l'orbite géostationnaire. Cette fois le moteur du second étage est remis à feu pour l'insertion du satellite sur une orbite elliptique haute sans rencontrer de problème^[12].

Lors du lancement de la mission de ravitaillement de la station spatiale internationale CRS-7 le 28 juin 2015, le lanceur est détruit après 139 secondes de vol. Une surpression dans le réservoir d'oxygène liquide du second étage fait exploser celui-ci alors que le premier étage fonctionnait normalement. Ce dernier continue à fonctionner durant plusieurs secondes avant de s'auto-détruire. Le capsule Dragon est éjectée par l'explosion du second étage mais ne disposant pas des instructions permettant de déployer ses parachutes dans ce contexte elle est détruite en percutant à grande vitesse l'océan. Le vaisseau cargo contenait 1,8 tonnes de ravitaillement ainsi qu'un adaptateur dans la partie non pressurisée qui devait permettre l'amarrage des futurs vaisseaux privés à la station spatiale^[13],[14].

Mi juillet, Elon Musk annonce les résultats préliminaires des investigations effectuées après l'accident pour déterminer l'origine de la défaillance. L'origine de celle-ci serait liée à l'une des bouteilles d'hélium sous pression situées à l'intérieur du réservoir d'oxygène. De manière conventionnelle sur un lanceur, ce gaz est progressivement libéré dans le réservoir lorsque le moteur de l'étage fonctionne pour maintenir sous pression le réservoir au fur et à mesure que l'oxygène est brulé. L'hélium remplit deux objectifs : préserver l'intégrité de la structure du réservoir et refouler l'oxygène restant vers le moteur. La bouteille est maintenue en position par des poutrelles en acier fixées par ailleurs à la paroi du réservoir. Une de ces poutrelles aurait cédé alors que le lanceur accélérait à plus de 3 g. La bouteille libérée aurait largué accidentellement de l'hélium mettant en surpression le réservoir, provoquant son éventrement puis la défaillance du lanceur.

Le lanceur revolera avec succès le 22 décembre 2015 après six mois d'enquête et la transition vers une nouvelle version du lanceur : La V1.1 Full Thrust.

Le vol du 22 décembre 2015 inaugure une nouvelle version plus puissante du lanceur baptisée Full Thrust (FT). C'est également le premier lancement qui verra la récupération réussie du premier étage du lanceur sur la LZ 1 à Cap Canaveral.

Au cours des huit mois qui suivent (de janvier à aout 2016) le Falcon 9 FT volera à sept reprises avec succès pour des vols commerciaux (satellites de télécommunications en orbite géostationnaire, satellite d'observation de la Terre en orbite héliosynchrone Jason 3).

Le 1^er septembre 2016, un essai de mise à feu des moteurs du lanceur Falcon 9 FT B1028, dont le lancement est planifié deux jours plus tard, est préparé sur le pas de tir du complexe de lancement SLC-40. Pour ce test effectué avant chaque lancement, le lanceur est placé en position de tir, les réservoirs de ses deux étages sont remplis et la charge utile est fixée au sommet du lanceur. Cette procédure permet de tester l'ensemble dans sa configuration au décollage ce qui raccourcit la phase de lancement proprement dite. À 13 h 7 TU, alors que le plein d'ergols est en cours, une anomalie déclenche l'explosion du lanceur. Le lanceur ainsi que le satellite de télécommunications israélien Amos-6 de 5,4 tonnes et d'une valeur de 200 millions de dollars, sont détruits, plaçant son opérateur Spacecom dans une situation financière délicate. Le complexe de lancement est en partie endommagé et est mis hors d'état de fonctionner^[15].

La situation est également délicate pour la société SpaceX qui a un carnet de commandes très volumineux et qui souffre déjà de retards importants par rapport au calendrier de lancement sur lequel il s'est engagé envers ses clients. Iridium qui a confié le lancement de sa constellation de satellites à SpaceX (une soixantaine de satellites lancés par grappe de 10 sur une période de 12 mois), est particulièrement touché. Comme dans tous les cas de perte du lanceur, l'incident doit être compris et l'anomalie éventuelle doit être corrigée avant toute reprise des vols. Malgré les difficultés auxquelles se heurte l'enquête, les dirigeants de SpaceX annoncent, quelques semaines après la destruction du lanceur, qu'une reprise est envisageable dès novembre. Le complexe de tir est en partie détruit et ne sera pas remis en état tout de suite mais SpaceX s'apprête à inaugurer en novembre un second pas de tir en Floride, le LC-39A^[16].

La recherche de l'origine de l'anomalie se révèle difficile malgré la présence de nombreux capteurs qui transmettaient des données sur le comportement du lanceur durant le plein d'ergols. Comme en juin 2015, on découvre que l'explosion a pris sa source dans le réservoir d'oxygène du deuxième étage. L'hypothèse la plus probable est qu'une sphère remplie d'hélium, gaz chargé de pressuriser les ergols, a été victime d'une rupture de sa structure. La biellette tenant le réservoir d'hélium à l'origine de la perte du lanceur en juin 2015 est, a priori, mise hors de cause^[17].

Une explication avancée, qui reste à confirmer, est que la rupture aurait pu être provoquée par un différentiel de température trop important entre l'hélium injecté dans le réservoir COPV (en anglais : Composite-Overwrapped Pressure Vessel) et l'oxygène liquide en cours de remplissage et qui était en train de submerger celui-ci. Le COPV est un réservoir de forme cylindrique haut de 1,5 mètre et d'un diamètre de 60 cm. qui doit résister à des contraintes structurelles et thermiques particulièrement importantes (pression interne de 350 bars et différentiels de température importants avec une température externe de quelques dizaines de kelvin liée au choix de SpaceX d'utiliser de l'oxygène liquide surrefroidi). SpaceX a choisi de réaliser la structure du réservoir en composite carbone bobiné pour gagner du poids. La face interne est recouverte d'une mince couche métallique pour maintenir l'étanchéité. Le recours pour cet usage à une structure à base de composite carbone au comportement mal maitrisé dans les conditions imposées par les procédures de SpaceX (remplissage rapide sans refroidissement au préalable de la structure) constitue un choix inédit pour un lanceur qui pourrait être à l'origine de la défaillance^[18]

Initialement prévu le 16 décembre 2016, le premier lancement depuis l'explosion est reporté dans le courant du mois de janvier 2017, annonce la société d'Elon Musk. En cause, l'autorisation manquante de l'Administration fédérale de l'aviation (FAA) qui gère également la réglementation en matière de lancements spatiaux commerciaux. Avant de donner son feu vert à la reprise de l'activité de SpaceX, la FAA attend les conclusions de l'enquête que mènent SpaceX, la Nasa et l'U.S. Air Force. Ce report des opérations de vol, s'il n'est pas inquiétant, ne fait pas les affaires d'Inmarsat et HellasSat. Les deux sociétés ont décidé de renoncer à utiliser le Falcon 9 de SpaceX pour la mise en orbite du satellite Inmarsat S-band qui embarque la charge utile Hellas-Sat 3, et d'activer une option de lancement auprès d'Arianespace : le satellite a été mis en orbite par le lanceur lourd Ariane 5 depuis le Centre spatial guyanais, le 28 juin 2017^[19],[20].

Lors des deux premiers tirs du lanceur en 2010, une rentrée atmosphérique du premier étage suivie de son amerrissage sous parachutes sont tentés mais se soldent par des échecs. SpaceX abandonne alors cette méthode et se focalise sur la récupération propulsive en concevant le modèle 1.1 du lanceur. Son premier vol a lieu lors du sixième tir du lanceur en septembre 2013. Lors de ce vol, le premier test d'amerrissage contrôlé est effectué, avec pour objectif de tester les phases de rentrée atmosphérique, freinage et amerrissage à vitesse réduite d'un premier étage équipé pour sa récupération. Durant ce premier test, le propulseur unique impliqué dans la phase de freinage ne parvient pas à stabiliser le lanceur. Mais lors du second et du troisième test effectués en avril et en juillet 2014, SpaceX parvient à effectuer deux amerrissages en douceur du premier étage muni de jambes d'atterrissage déployables. Ces étages ne survivent cependant pas à leur basculement dans l'océan et ne peuvent être récupérés.

Une première tentative d'atterrissage sur une barge océanique autonome a eu lieu le 10 janvier 2015 dans le cadre de la mission de ravitaillement de la station spatiale internationale CRS-5 mais un manque de liquide hydraulique actionnant les ailerons des stabilisateurs cellulaires durant les dernières secondes de l'atterrissage provoque l'échec de la manœuvre.

Une nouvelle tentative est effectuée le 11 février. Le lanceur, emportant 50 % de liquide hydraulique supplémentaire, s'envole avec succès. Le premier étage se sépare après presque 3 minutes de vol et démarre son retour autonome. Cependant, le mauvais temps (vagues de 10 mètres) dans la zone de récupération n'a pas permis de déployer la plateforme d'atterrissage. Le premier étage a donc « amerri en douceur » à l'endroit prévu.

Lors de la troisième tentative effectuée le 14 avril 2015 à l'occasion de la mission de ravitaillement de la station spatiale internationale CRS-6, le premier étage parvient à se poser sur la plateforme mais une trop grande vitesse latérale et horizontale, due à une vanne défaillante, brise deux des quatre jambes d'atterrissage et le fait basculer sur la barge avant d'exploser.

La première récupération réussie du premier étage a eu lieu le 21 décembre 2015 et met en œuvre la première utilisation de la version Full Thrust du lanceur. Le lanceur place en orbite onze satellites de télécommunications de la société Orbcomm. Le premier étage effectue pour la première fois un atterrissage réussi à Cap Canaveral^[21],[22]. Alors que lors des essais précédents, l'atterrissage avait eu lieu sur une plateforme au large de la Floride, l'étage revient se poser cette fois sur un ancien pas de tir reconverti et rebaptisé Landing Zone 1, tout proche du site de lancement. L'examen soigneux du lanceur récupéré se fait en position horizontale dans un bâtiment construit à proximité du pas de tir 39-A au centre spatial Kennedy. Le 15 janvier 2016, le lanceur est positionné verticalement sur le pas de tir 40 de Cap Canaveral pour un court essai des moteurs.

Le 8 avril 2016, SpaceX réussit enfin l'appontage du premier étage de son lanceur sur une barge océanique autonome baptisée Of course I still love you. Ces exploits seront répétés régulièrement lors des lancements qui suivront.

Le 30 mars 2017 à l'occasion de la mission SES-10, SpaceX réutilise pour la première fois un premier étage ayant précédemment servi à mettre en orbite le vaisseau Dragon lors de la mission CRS-8^[23],[24]. Le premier étage est de nouveau récupéré sur la barge autonome Of course I still love you'.

• La version réutilisable de la Falcon 9
• 
  Le prototype Grasshopper.
• 
  Train d'atterrissage replié le long du premier étage.
• 
  Gros plan du lanceur montrant les panneaux cellulaires déployables utilisés pour stabiliser l'étage lors de son retour.
• 
  Le premier étage du 20^e lancement après son atterrissage réussi le 21 décembre 2015.
• 
  Le premier étage du 23^e lancement après son appontage réussi sur la barge océanique autonome le 8 avril 2016.

Falcon 9 comparée à^{[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31]}

			Charge utile
Lanceur	Masse	Hauteur	Orbite basse	Orbite GTO
Falcon 9 FT	549 t	70 m	23 t (sans récupération)	8,3 t (sans récupération)
Longue Marche 5	867 t	57 m	23 t	13 t
Ariane 5 ECA	777 t	53 m	21 t	10,5 t
Atlas V 551	587 t	62 m	18,5 t	8,7 t
Delta IV Heavy	733 t	71 m	29 t	14,2 t
Proton-M/Briz-M	713 t	58,2 m	22 t	6 t
H-IIB	531 t	56,6 m	19 t	8 t

L'industrie spatiale émet des doutes sur le modèle économique de la réutilisation des lanceurs. La navette spatiale avait déjà échoué à réduire les coûts par la réutilisation de la navette elle-même (plusieurs mois de remise en état entre les lancements) et des boosters latéraux du premier étage qui étaient récupérés dans l'eau salée (très corrosive pour les moteurs) après leur amerrissage.

Peu après le succès d'atterrissage du lanceur Falcon 9, ses concurrents critiquaient ce choix stratégique^[32]. Les éléments soulevant des questions sont :

• la perte de rendement due à la nécessité de garder des réserves de carburant pour l'atterrissage ;
• la réduction des économies d'échelle liée à la baisse du volume de production de lanceurs neufs ;
• les coûts de remise en état du lanceur ;
• la commercialisation plus difficile de lanceurs usagés (fiabilité à déterminer).

Le Falcon 9 est un lanceur de capacité moyenne dont trois versions (V1.0, V1.1 et Full Thrust) de puissance croissante sont mises en service respectivement en 2010, 2013 et 2015. La réutilisation du premier étage est mise au point en parallèle avec une première récupération réussie en décembre 2015. Le lanceur est conçu pour que sa fiabilité soit compatible avec les exigences de la NASA en matière de lancements d'équipage.

La fusée dans sa version initiale (1.0) avec sa charge utile est haute de 55 mètres, a un diamètre de 3,6 mètres (hors coiffe) et pèse 333 tonnes. Tous les composants (avionique, moteurs, étages, jupe inter étages, coiffe) ont été conçus spécifiquement par SpaceX alors que les sociétés œuvrant dans le secteur ne construisent généralement pas les moteurs^[33].

Le lanceur comprend deux étages propulsés par des moteurs Merlin brûlant un mélange d'oxygène liquide et de RP-1 (une variante du kérosène). Ces deux ergols constituent le mélange le plus utilisé par les moteurs développés récemment. Moins performant que le mélange oxygène/hydrogène il est finalement moins pénalisant pour un premier étage car il nécessite des réservoirs moins volumineux et il est plus facile à mettre en œuvre. Son choix pour un second étage est par contre sans doute moins optimal. Le premier étage de la fusée est propulsé par 9 moteurs Merlin 1C qui développent en tout 448,9 t de poussée non modulable. La poussée des moteurs du premier étage est orientée grâce à un système de vérins qui déplace certains des moteurs montés sur cardan. L'énergie nécessaire est produite par le kérosène sous pression ce qui, selon le constructeur, simplifie l'architecture du lanceur en supprimant le système hydraulique utilisé traditionnellement^[10]. La baie de propulsion avec ses moteurs représentent une masse de 7,7 tonnes soit plus de la moitié de la masse à vide du premier étage^[34].

Le second étage, qui est une version raccourcie du premier étage, est propulsé par un seul moteur Merlin-C dans une version optimisée pour le fonctionnement dans le vide : la tuyère comporte une rallonge en alliage de niobium évacuant la chaleur par rayonnement. Le moteur délivre une poussée dans le vide de 44,5 tonnes modulable de 60 à 100 % pour une impulsion spécifique de 342 s^[35]. Le moteur est monté sur cardan pour orienter la poussée en lacet et tangage tandis que le déplacement en roulis est réalisé par le biais de la sortie du générateur de gaz. Le temps de fonctionnement nominal sur le Falcon 9 est de 354 secondes^{[10],[35],[36],[37]}.

Les réservoirs des deux étages sont réalisés en alliage aluminium-lithium (en). La jupe de liaison entre les deux étages, réalisée en matériau composite aluminium-carbone, est longue de 8 mètres pour accueillir la tuyère très allongée du moteur du second étage. Sur sa paroi intérieure se trouvent quatre conteneurs dans lesquels sont logés les parachutes qui doivent permettre la récupération du premier étage^[38]. Les réservoirs des deux étages sont mis sous pression par de l'hélium réchauffé. La coiffe a un diamètre de 5,2 mètres et est haute de 13,9 mètres : son diamètre intérieur maximum de 4,6 mètres se maintient sur une hauteur de 6,6 mètres.

L'avionique est commune avec celle du lanceur Falcon 1 également développé par SpaceX. Elle bénéficie d'une triple redondance (ordinateurs de vol et systèmes inertiels) et fait appel à un récepteur GPS pour déterminer le positionnement de l'engin. Les données télémétriques et vidéo sont transmises en bande S par chaque étage individuellement. Le lanceur est, selon son constructeur, capable de remplir sa mission même après l'extinction d'un des neuf moteurs du premier étage. À cet effet des vannes permettent de couper l'alimentation de chaque moteur individuellement ; une cloison en kevlar et nextel (en) protège chaque propulseur de l'explosion éventuelle d'un autre moteur. Selon son constructeur le Falcon 9 1.0 peut placer une charge utile de 10,45 tonnes en orbite basse (200 km) et de 4,5 tonnes en orbite de transfert géostationnaire^[2],[10].

La société SpaceX communique de manière souvent vague (masse à vide non communiquée) et éventuellement contradictoire (incohérence entre impulsion spécifique et performances) sur les caractéristiques de ses lanceurs ; par ailleurs celles-ci sont souvent modifiées au cours de développement, contrairement à ce qui se fait traditionnellement dans cette industrie^[2].

• Composants du lanceur Falcon 1'.0
• 
  Le moteur Merlin 1C est utilisé pour la propulsion du premier et du second étage.
• 
  La jupe de liaison inter étages est réalisée en fibre de carbone.
• 
  Le second étage avec la tuyère de son moteur à grand allongement.

Les premiers lancements de Falcon 9 utilisent une version du lanceur (baptisée par la suite V1.0) dont les performances, longtemps non précisées, sont sensiblement inférieures à celles annoncées initialement. Pour atteindre les performances, SpaceX a développé une nouvelle version du lanceur dite V 1.1 utilisant des moteurs Merlin nettement plus puissants. Le Merlin 1D développe 65 t de poussée au niveau de la mer contre 35 t pour la version précédente. Ce gain est obtenu en augmentant de 50 % la pression dans la chambre de combustion qui passe à 97 bars. Les 9 moteurs du premier étage ne sont plus organisés en 3 rangées de 3 mais forment un cercle de 8 moteurs, le neuvième se situant au centre. Le premier étage est fortement rallongé pour contenir plus de carburant passant de 29 à 41,5 mètres. La masse du lanceur passe de 318 tonnes à 480 tonnes^[39]. La version 1.1 peut placer en orbite basse une charge utile de 13,15 tonnes contre 10,45 tonnes pour la version 1.0 et 5,3 tonnes en orbite géostationnaire contre 4,8 tonnes pour la version 1.0. La version précédente était uniquement utilisée pour lancer le cargo SpaceX Dragon qui ne nécessitait pas de coiffe. La nouvelle version peut placer des satellites en orbite sous une coiffe dont les dimensions (13,1 m de hauteur 5,2 mètres de diamètre) permettent de répondre aux besoins du marché. Le premier vol de cette version a eu lieu le 29 septembre 2013 et est un succès. 14 exemplaires de cette version sont lancées, le dernier a lieu le 17 janvier 2016^{[10],[11],[40]}.

La Falcon 9 v1.1 FT (FT pour Full Thrust, en français : « pleine poussée ») est une version plus puissante de la v1.1. Comme sa désignation l'indique, il s'agit de tirer le maximum du lanceur dont l'architecture est à peu près figée pour permettre le lancement de satellites circulant en orbite géostationnaire tout en conservant suffisamment d'ergols pour permettre la récupération du premier étage et ainsi réduire le coût du lancement, conformément aux objectifs visés par le constructeur. La poussée des moteurs des premier et deuxième étages est accrue, la structure du premier étage est modifiée et le deuxième étage est allongé. La structure de poussée du premier étage est modifiée tandis que l’inter-étage (structure entre les deux étages) est rallongé et renforcé. Le système d'atterrissage utilisé pour la récupération est amélioré : le train d'atterrissage et les panneaux cellulaires qui assurent la stabilité pendant le retour sont modifiés. L'ensemble de ces modifications permettent de faire passer la masse satellisable en orbite de transfert géostationnaire de 4,85 à 5,5 tonnes dans la version réutilisable. Dans la version non réutilisable le lanceur peut placer 22,8 tonnes en orbite basse et 8,3 tonnes en orbite géostationnaire. Le premier vol a lieu le 22 décembre 2015^[41].

La Falcon 9 v1.1 FT utilise une version nettement plus puissante des moteurs-fusées Merlin. Le Merlin 1D+ développe une poussée au sol de 845 kN soit un accroissement de 24 % par rapport à la version propulsant la version 1.1. Le Merlin 1DV+ utilisé par le second étage fournit une poussée dans le vide de 935 kN soit une augmentation de 17 %. Pour ne pas allonger la taille du premier étage ce qui réduirait sa rigidité compte tenu du rapport entre sa longueur et son diamètre (41,5 / 3,6 mètres), les ingénieurs de SpaceX ont choisi d'augmenter la densité des ergols. Des installations permettant d'abaisser la température des ergols sont installés sur tous les sites de lancement de SpaceX. La température de l'oxygène liquide est abaissée à −207 °C (10 °C au-dessus du point triple de l'oxygène) en traversant un bain d'azote dans lequel un vide partiel a été effectué, ce qui permet d'accroître la densité de 8 %. Celle du kérosène est abaissée à seulement −7 °C pour éviter d'augmenter la viscosité (le kérosène gèle à −37 °C). La densité est ainsi accrue dans une fourchette de 2,5 à 4 %. Du fait des gains de densité différents il a fallu revoir la taille respective des réservoirs d'oxygène et de kérosène. Le taille du réservoir d'oxygène a été raccourcie tandis que celle du réservoir de kérosène a été allongée. Le deuxième étage, qui ne présente pas les mêmes contraintes concernant ses dimensions a par contre été rallongé de 50 centimètres : la taille du réservoir de kérosène a été allongée sans toucher à celle du réservoir d'oxygène^[27].

Le Bloc 4 est une version comprise entre la F9 FT et le Bloc 5, les COPVs sont modifiés et leur procédure de remplissage est ralentie afin d'éviter un incident similaire à celui survenu lors de l'explosion sur le pas de tir s'étant produite lors de la mise à feu statique en vue du lancement du satellite Amos-6.

La version Bloc 5 est la version finale du lanceur qui ne devrait plus évoluer à l'exception de quelques modifications mineures. Les modifications apportées sont destinées à permettre dix réutilisations sans entretien majeur et, éventuellement, jusqu'à cent réutilisations avec révision et entretien majeur tous les dix vols. La turbopompe des moteurs Merlin est modifiée pour éliminer des fissures observées sur les aubes des roues de la turbine. Les panneaux cellulaires qui stabilisent le premier étage (panneaux qui étaient remplacés après chaque utilisation de celui-ci) sont modifiés de manière que leur remplacement ne soit plus nécessaire (le titane remplace l'aluminium). Certains éléments, tels que les vannes, sont modifiés de manière à permettre leur utilisation dans une plage de conditions élargie. La protection thermique à la base du premier étage est renforcée, la poussée des moteurs du premier étage est augmentée de 8 % et celle du moteur du second étage de 5 %, le train d'atterrissage se replie après la récupération au lieu d'être démonté manuellement. L'armature supportant les moteurs est désormais boulonnée au premier étage et non plus soudée, ceci afin de faciliter la révision et l'entretien des moteurs. L'inter-étages qui relie les deux étages, qui n'est plus peint, est de couleur noire. Le premier lancement de cette version s'est déroulé avec succès le 11 mai 2018.

• 
  Nouvelle disposition des moteurs en cercle sur le V1.1 (à gauche V1.0).
• 
  Le moteur Merlin 1D de la version V1.1 est nettement plus puissant.

L'abaissement des coûts de lancement des fusées Falcon doit passer en grande partie par la réutilisation après usage des lanceurs. La technique utilisée sur les Falcon 1 et les premières Falcon 9 reposait sur l'utilisation de parachutes et la récupération en mer des étages. Mais toutes les tentatives de récupération effectuées après les lancements sont des échecs car les étages ne survivent pas à la séparation avec le reste du lanceur et aux contraintes thermiques subies à grande vitesse. Fin 2011, SpaceX annonce le choix d'une nouvelle technique de récupération qui doit être appliquée initialement au premier étage. Celui-ci, muni d'un train d'atterrissage déployable, doit revenir sur le site du lancement en effectuant un vol en partie propulsé et en atterrissant verticalement^[42]. Ce scénario suppose que l'étage conserve une partie du carburant pour le retour au sol. Un prototype, baptisé Grasshopper est développé et effectue un premier test en avril 2013 à basse altitude et faible vitesse^[43].

Plusieurs techniques sont mises en œuvre pour récupérer le premier étage. Le retour sur Terre du lanceur nécessite l'utilisation de la propulsion à la fois pour annuler la vitesse acquise et ramener l'étage sur la base de lancement. Le premier étage est largué à une altitude et une vitesse plus faible que dans la version consommable du lanceur (2 km/s ou Mach 6 contre 3,4 km/s ou Mach 10) pour conserver les ergols nécessaires. Le système de contrôle d'attitude a été modifié pour permettre une stabilisation de l'étage durant sa descente. Le corps de l'étage est également modifié par l'ajout d'un train d'atterrissage et de panneaux cellulaires orientables utilisés pour stabiliser aérodynamiquement le premier étage durant sa descente. Un système de guidage est utilisé pour le calcul de la trajectoire de retour et l'atterrissage de précision.

Trois des neuf propulseurs sont utilisés pour ramener l'étage sur Terre et disposent à cette fin d'une capacité de ré-allumage (c'est-à-dire qu'ils emportent une quantité de produits hypergoliques (triéthylaluminium et triéthylborane) suffisante pour permettre plusieurs allumages successifs. Sur les 411 tonnes d'ergols emportés, environ 50 tonnes ne sont pas consommés au moment du largage de l'étage, mais sont utilisés pour le retour sur Terre. Quatre panneaux cellulaires situés à la périphérie de la partie supérieure de l'étage sont déployés dans l'espace et contribuent à stabiliser le vol lors de son retour sur Terre (avec l'orientation des moteurs, lorsque ceux-ci fonctionnent). Efficaces à la fois en régime supersonique et subsonique, ces panneaux sont orientés chacun de manière indépendante sur deux axes (rotation et inclinaison) via des commandes définies par le système de guidage de l'étage. La force nécessaire est fournie par un système hydraulique qui utilise un fluide stocké sous pression dans un réservoir et qui actionne les actuateurs puis est largué. L'étage dispose de son propre système de contrôle d'attitude utilisant des propulseurs à gaz froid. Ceux-ci sont utilisés pour le largage des propulseurs et pour orienter l'étage lors de son vol de retour sur Terre en vue de sa récupération. Enfin l'étage dispose d'un train d'atterrissage d'une masse de 2 100 kg comportant 4 pieds fixés à la base et réalisé avec une structure en nid d'abeilles d'aluminium et en fibre de carbone. Les pieds sont repliés le long du corps de l'étage durant le vol et un carénage atténue leur traînée aérodynamique. Ils sont déployés 10 secondes avant l'atterrissage grâce à un système pneumatique utilisant de l'hélium sous pression. Une fois déployé, le train d'atterrissage a une envergure de 18 mètres et permet de supporter la décélération subie par l'étage quasiment vidé de ses ergols lorsqu'il touche le sol^[27].

Après la séparation du premier étage, les moteurs de contrôle d'attitude sont utilisés pour modifier l'orientation de l'étage afin que la poussée des moteurs ralentisse celui-ci. Environ deux minutes après la séparation trois des moteurs sont mis à feu durant environ 30 secondes pour ramener l'étage vers son point de départ, et le protéger des chaleurs excessives causées par les frottements de l'air pendant la rentrée atmosphérique. Deux minutes plus tard, après déploiement des panneaux cellulaires de stabilisation, les moteurs sont rallumés de nouveau pour ralentir l'étage. Enfin environ 30 secondes avant l'atterrissage un seul de ses moteurs est mis à feu et sa poussée est fortement modulée de manière à poser verticalement et à vitesse nulle l'étage. Six secondes avant le contact avec le sol, le train d'atterrissage est déployé^[44].

SpaceX dispose pour la Falcon 9 d'installations de lancement sur la base de Cap Canaveral et le Centre spatial Kennedy en Floride, ainsi que sur la base de lancement de Vandenberg en Californie.

En Floride, le Falcon 9 est lancé depuis le pas de tir 40 (SLC-40) de la base de Cap Canaveral utilisé autrefois par les fusées Titan III et IV. Les installations de SpaceX comportent, en plus du pas de tir, un hangar dans lequel le lanceur est assemblé avec sa charge utile, une tour d'accès pour les équipages de Crew Dragon et le chargement en cargo des vaisseaux de ravitaillement de la Station Spatiale Internationale et des réservoirs dispersés à distance du pas de tir.

Une zone d'atterrissage située à l'est des installations de lancement et permettant le retour des premiers étage de Falcon 9 est entrée en service en 2026, en remplacement des Landing Zone 1 et 2 utilisées de 2015 à 2025

Pour lancer le Falcon 9 et le lanceur lourd Falcon Heavy, SpaceX loue le complexe de lancement LC-39A du centre spatial Kennedy utilisé autrefois par la Navette spatiale américaine et la Saturn V. Entre 2015 et 2016 le pas de tir est réaménagé et un bâtiment d'assemblage similaire à celui du SLC-40 est construit au pied de la rampe de lancement. Le premier lancement d'une Falcon 9 depuis ce pas de tir a eu lieu le 19 février 2017 et le premier lancement d'une Falcon Heavy, le 6 février 2018.

C'est dans un premier temps depuis ce pas de tir uniquement que furent lancés les vaisseaux Crew Dragon. A cet effet la tour fixe qui jouxte le pas de tir a été modifiée pour y installer une passerelle permettant à l'équipage de s'installer dans le vaisseau.

En Californie, SpaceX utilise le pas de tir 4E de la base de lancement de Vandenberg en Californie. Ce pas de tir a été utilisé pour les lancements des lanceurs Atlas puis par le lanceur Titan IV. SpaceX loue cette installation depuis juillet 2011 et des travaux d'adaptation du pas de tir ont été effectués jusqu'en 2012. Le premier tir depuis Vandenberg a eu lieu le 29 septembre 2013.

En 2015, une zone d'atterrissage (LZ-4) et construite sur la zone de lancement, à proximité du pas de tir.

Le lanceur et ses moteurs sont fabriqués dans l'usine de la société située à Hawthorne en Californie près de l'aéroport de Los Angeles. SpaceX y dispose d'une surface couverte de 5,1 hectares permettant d'assembler en parallèle trois lanceurs Falcon 9 ainsi que deux douzaines de moteurs Merlin et trois lanceurs Falcon 1^[10]. Le lanceur est transféré par route jusqu'à son site de lancement (Floride ou Californie) où il est assemblé avec sa charge utile puis transféré vers son pas de tir.

Au décollage, les moteurs sont allumés et le lanceur est retenu par les quatre pattes de la table de lancement pour vérifier que la poussée est nominale. Si les données fournies sont correctes, les fixations sont libérées et les pattes basculent en arrière pour s'écarter de la trajectoire des moteurs tandis que le lanceur s'élève lentement. Si une extinction des moteurs a été demandée, le système permet de relancer très rapidement le compte à rebours à h-15 minutes comme cela a été démontré au cours du premier lancement. Max Q (pression aérodynamique maximale) est atteint 76 secondes après le décollage et les contraintes aérodynamiques sont levées au bout de 115 secondes.

La séparation entre les deux étages n'est pas assistée par des fusées mais par des poussoirs pneumatiques comme sur le Falcon 1. Elle se déroule en trois temps: extinction des moteurs du premier étage, séparation et démarrage du moteur du second étage. Le moteur du second étage a une poussée modulable (60 % à 100 %) et peut être rallumé deux fois pour répondre à des besoins particuliers de trajectoire. La coiffe est éjectée à t+199,2 secondes.

Pour une injection en orbite de transfert géostationnaire le second étage est éteint une première fois à t+457,9 secondes puis rallumé entre t+1488,6 et t+1544,6 secondes. Avant la séparation de la charge utile l'orientation du lanceur peut être fixe ou celui-ci peut être mis en rotation à la vitesse de 5 tours par seconde^[10]. Initialement les deux étages devaient pouvoir être réutilisés après un lancement, mais la récupération du second étage a cependant été abandonnée en raison des coûts et de la complexité d'une rentrée atmosphérique à vitesse orbitale.

Une fois la séparation avec le second étage effectuée, le premier étage peut si la récupération est prévue adopter deux profils de retour :

• Retour sur une barge positionnée en pleine mer.

• Retour sur une zone d'atterrissage à terre, à proximité du site de lancement

Dans le premier cas, l'étage garde sa trajectoire parabolique après la séparation et oriente ses moteurs vers la zone de retour à l'aide de son Reaction Control System. Arrivé dans les premières couches denses de l'Atmosphère, 3 des 9 moteurs sont rallumés pour un allumage dit de rentrée (en anglais : entry burn) qui permet de freiner l'étage et d'éviter la surchauffe du bouclier thermique à la base du véhicule. Après une vingtaine de seconde, les moteurs sont coupés et l'étage se dirige de manière autonome vers la barge au moyen de quatre ailettes (grid fins en anglais) positionnées en partie haute du véhicule et qui utilisent le flux d'air pour influer sur l'attitude du véhicule. Enfin, à environ 1 km d'altitude, un seul moteur est rallumé pour le guidage final et le freinage de l'étage jusqu'à l'atterrissage. Dans les derniers instant quatre pieds sont déployés à la base du véhicules pour assurer la stabilité de l'étage une fois posé sur la barge.

Dans le second cas, quelques secondes après la séparation, le premier étage va effectuer un demi-tour par rapport à sa trajectoire initiale et trois moteurs vont être rallumés afin d'annuler, voir d'inverser sa vitesse horizontale. Ceci à pour effet de changer la trajectoire parabolique de l'étage jusqu'à ce que le point de chute soit situé sur la cote et non à plusieurs centaines de kilomètres au large, comme dans le cas d'un retour sur barge. Une fois cette manœuvre effectuée, le déroulé du retour du premier étage sur sa zone d'atterrissage est similaire au premier cas décrit ci-dessus à savoir : guidage par RCS, allumage de rentrée, guidage par ailettes et enfin allumage d'atterrissage et déploiement des quatre pieds.

SpaceX a développé une version lourde de son lanceur Falcon 9 dénommée Falcon Heavy. Cette dernière se compose de trois premiers étage de Falcon 9 attachés entre eux et qui portent le nombre de moteurs à 27. La capacité du lanceur dans sa version non récupérable est de 63,8 tonnes en orbite basse^[45] et de 26,7 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Après un essai statique le 24 janvier 2018, son premier lancement s'effectue le 6 février 2018.

Les cinq premiers lancements utilisent le modèle 1.0 du lanceur qui est ensuite remplacé par le modèle 1.1. À partir du 20^e lancement le modèle 1.1 est amélioré avec une poussée supérieure de 30 %, il est renommé Full Thrust (en français : « pleine poussée »), abrégé en FT. Le 54^e lancement voit l'introduction de la dernière version de la Falcon 9, le Bloc 5 abrégé en B5. Ce modèle est le seul à voler depuis le 58^e lancement.
Les tentatives de récupération du premier étage (dernière colonne) se font d'abord via parachutes, ensuite sur l'océan, puis sur des barges océaniques autonomes et enfin au sol. Ces deux dernières méthodes sont toujours pratiquées selon les profils des lancements.
Les numéros de série du premier étage (troisième colonne) sont mentionnés par quatre chiffres lors de leur première utilisation. Lorsque ces quatre chiffres sont suivis d'un tiret et d'un ou de plusieurs autre(s) chiffre(s) placé(s) après ce tiret, ce(s) dernier(s) chiffre(s) correspond(ent) au nombre de réutilisations de cet étage (si par exemple le nombre « 1049 » est utilisé pour représenter la première utilisation de l'étage, « 1049-10 » correspondra à la dixième utilisation dudit étage).