Falcon 1

El Falcon 1 fue el primer lanzador de Space Exploration Technologies, la empresa que Elon Musk fundó en 2002 con la fortuna obtenida al vender Zip2 y PayPal. La idea de partida no era construir el cohete más capaz posible, sino el más pequeño que siguiera siendo útil: un vehículo orbital de dos etapas capaz de colocar unos cientos de kilogramos en órbita baja, concebido explícitamente como producto mínimo viable para no agotar el capital antes de volar. Esa disciplina de alcance —empezar por abajo y crecer después— es la decisión que separa al Falcon 1 de la larga lista de lanzadores privados que se quedaron en el papel.

El desarrollo se financió con capital privado. Wikipedia sitúa el coste total del programa entre noventa y cien millones de dólares, y Musk declaró tras el cuarto vuelo haber invertido alrededor de cien millones de su propio dinero en el cohete. Los únicos precedentes de lanzadores orbitales desarrollados con dinero privado eran el Conestoga de 1982 y el Pegasus, que voló por primera vez en 1990 pero despega desde un avión nodriza. Que el desarrollo fuera privado no significa que el cliente lo fuera: los dos primeros lanzamientos los compró el Departamento de Defensa estadounidense dentro de un programa que evaluaba lanzadores nuevos para uso de DARPA.

El Falcon 1 tenía además una segunda función, menos visible y a la postre más importante: servir de banco de pruebas en vuelo para los componentes y los conceptos estructurales que después se reutilizarían en el Falcon 9. El motor Merlin 1C que estrenó el tercer vuelo del Falcon 1 fue el mismo que voló en los cinco primeros Falcon 9, y la arquitectura de tanques, la aviónica y la secuencia de cuenta atrás se heredaron casi enteras. Sin los cinco vuelos de Omelek —tres de ellos fallidos— no existiría la familia Falcon tal y como se conoce hoy.

El Falcon 1 era un lanzador de dos etapas que quemaba oxígeno líquido y queroseno de grado cohete (RP-1) en ambas. Según la guía de usuario oficial de SpaceX, medía unos veintiún metros de altura contando las dos etapas con la cofia y el interetapas, con un diámetro de cuerpo de 1,7 metros y una cofia algo más estrecha, de 1,54 metros. Astronautix da una masa bruta de 27.670 kg.

La estructura primaria de la primera etapa era de aleación de aluminio de grado espacial en una arquitectura monocasco graduada, con mamparo común entre los tanques de oxígeno líquido y queroseno, y estabilizada por presión de vuelo. SpaceX la describía como un punto intermedio deliberado entre un diseño enteramente estabilizado por presión, como el del Atlas II, y un diseño isogrid más pesado, como el del Delta II: la primera opción es más eficiente en masa pero obliga a manipular el cohete presurizado, y la segunda simplifica el manejo en tierra a costa de peso. Wikipedia precisa que el material era aleación de aluminio 2219 soldada por fricción-agitación, y que la etapa podía transportarse sin presurizar y ganaba rigidez al presurizarse para el vuelo. La guía de usuario cifra la masa en seco de esa primera etapa en 3.000 lb —unos 1.361 kg— y su propelente utilizable en 47.380 lb, alrededor de 21.491 kg.

Un único motor Merlin la impulsaba. Los dos primeros vuelos usaron el Merlin 1A, refrigerado por ablación; del tercero en adelante voló el Merlin 1C, de refrigeración regenerativa, alimentado por turbobomba en ciclo de generador de gas. La guía de usuario le atribuye 78.000 lbf de empuje a nivel del mar —unos 347 kN— y un impulso específico en vacío de 300 s, con un tiempo nominal de combustión de 169 segundos y apagado por agotamiento de propelente. El control en cabeceo y guiñada se hacía por vectorización hidráulica de la tobera, y el control en balanceo con el escape de la turbobomba. La presurización de los tanques corría a cargo de helio caliente almacenado en depósitos de inconel sobreenvueltos en material compuesto suministrados por Arde Corporation, el mismo modelo empleado en el Delta IV de Boeing.

La segunda etapa era mucho más simple: un único motor Kestrel alimentado por presión, sin turbobomba, con capacidad de reencendido —una prestación nada trivial que el cuarto vuelo demostró en órbita—. La guía de usuario cifra su empuje en vacío en 6,9 klbf, en torno a 31 kN, con un impulso específico en vacío de 317 s y un tiempo nominal de combustión de 418 segundos, terminado no por agotamiento sino al alcanzar una velocidad predeterminada. El control de actitud en cabeceo y guiñada se hacía con actuadores electromecánicos sobre la tobera y el balanceo con propulsores de gas frío; el mismo helio caliente servía para presurizar, para los propulsores de actitud y para asentar el propelente antes de un reencendido en ingravidez. El motor incorporaba un intercambiador de calor de titanio que transfería el calor residual al helio, y encendedores de antorcha redundantes para asegurar el rearranque. La tobera era de niobio, elección que resultó providencial en el segundo vuelo. La separación de etapas se producía mediante pernos explosivos de iniciación redundante y un sistema neumático de empuje.

El sistema de guiado, navegación y control se apoyaba en un ordenador de vuelo endurecido de clase PC/104 con un procesador Pentium 586 (Geode), una unidad de medición inercial y un receptor GPS que le proporcionaba actualizaciones de navegación. El conjunto incluía telemetría en banda S, bajada de vídeo en banda S, un transpondedor en banda C, control de presión de tanques y la distribución de energía. Como sistema estándar de separación de la carga útil, SpaceX ofrecía una abrazadera marmon de 38 pulgadas (0,9652 m); la separación era no explosiva, mediante muelles, con velocidades angulares residuales inferiores a un grado por segundo, y podía dotarse a la carga de un giro de estabilización de unas 6 rpm si el cliente lo pedía.

La guía de usuario publicaba las curvas de rendimiento del Falcon 1 y del previsto Falcon 1e para órbitas de 185, 300, 500 y 700 km en función de la inclinación, tanto en perfil directo como con dos encendidos. Las fichas de contraste dan cifras concretas: Gunter's Space Page atribuye al Falcon 1 operativo 470 kg a órbita baja y 290 kg a órbita baja ecuatorial, y 420 kg a la versión de desarrollo; Astronautix da 420 kg a una órbita de 200 km con 9,1 grados de inclinación y 150 kg a una órbita heliosíncrona de 700 km. Wikipedia recoge la evolución del compromiso comercial: el plan inicial hablaba de unos 600 kg a órbita baja y la capacidad acabó rebajándose a unos 420 kg.

Para la exactitud de inserción, y a falta de estadística de vuelo real, SpaceX se comprometía en el documento a un error máximo de una décima de grado en inclinación, cinco kilómetros en perigeo y quince en apogeo. Diez segundos después de separar la carga, si el análisis lo requería, la segunda etapa ejecutaba una maniobra de evitación de colisión con los propulsores de gas frío inclinados veinte grados hacia delante para no impactar el chorro contra el satélite.

El precio siguió una trayectoria descendente en prestación y ascendente en dinero. En 2005 el Falcon 1 se anunciaba por 5,9 millones de dólares; entre 2006 y 2007 el precio operativo citado era de 6,7 millones; en el momento del cuarto vuelo, en 2008, SpaceX lo situaba en 7,9 millones y presumía de ser más de tres veces más barato que cualquier competidor estadounidense. A finales de 2009 la empresa publicó 7 millones para el Falcon 1 y 8,5 millones para el Falcon 1e, con descuentos por contratos de varios lanzamientos. El precio incluía el uso del campo de tiro, la integración estándar de la carga y el seguro de responsabilidad frente a terceros.

El sitio de lanzamiento original iba a ser el complejo SLC-3W de la base aérea de Vandenberg, en California, pero se abandonó en la fase de encendidos estáticos por conflictos persistentes de calendario con las rampas contiguas: la Fuerza Aérea no quería el vuelo de un cohete sin probar antes de que el último Titan IV despegara del SLC-4E cercano. Ese bloqueo empujó a SpaceX a construir su propia instalación en un lugar improbable: la isla Omelek, una franja de unas siete acres en el atolón de Kwajalein, en las Islas Marshall, a unas 2.500 millas al suroeste de Hawái, dentro del campo de pruebas Ronald Reagan del Ejército de Estados Unidos.

La isla albergaba un hangar con la instalación de procesamiento de cargas útiles, con sala limpia de clase 100.000 según la línea base del documento oficial, un área de oficinas para el cliente y la rampa propiamente dicha. SpaceX presumía en la guía de usuario de una campaña de lanzamiento de dieciocho días y una cuenta atrás corta, argumentos de disponibilidad frente a los campos de tiro tradicionales. La ubicación ecuatorial —los cinco vuelos se hicieron hacia el este con inclinaciones en torno a nueve grados— era ideal para órbitas de baja inclinación, y desastrosa en logística: cada cohete y cada carga había que llevarlos al otro extremo del Pacífico. El aire salino de la isla, además, acabaría teniendo un papel directo en el primer fracaso.

Se llegó a considerar el complejo SLC-40 de Cabo Cañaveral —el que después ocuparía el Falcon 9— para lanzamientos de baja inclinación, pero nunca se habilitó para el Falcon 1 antes de la retirada del vehículo. Los cinco vuelos partieron de Omelek.

La primera campaña se retrasó repetidamente. Un intento de diciembre de 2005 se abortó cuando una válvula defectuosa provocó vacío en el tanque de combustible de la primera etapa y las paredes se hundieron hacia dentro, dañando la estructura; hubo que sustituir la etapa entera. El despegue llegó el 24 de marzo de 2006 a las 22:30 UTC —la mañana del 25 en hora local de Omelek— con el FalconSAT-2 de la Academia de la Fuerza Aérea estadounidense, un satélite de unos 20 kg destinado a medir fenómenos de plasma espacial, contratado a través de DARPA.

El vuelo duró menos de un minuto. El vídeo muestra un balanceo perceptible desde el mismo despegue; en el segundo 26 el cohete cabeceó bruscamente y a los 41 segundos impactó contra un arrecife muerto a unos 250 pies de la rampa. La causa fue una fuga en una línea de combustible y el incendio subsiguiente en la zona del motor. SpaceX atribuyó inicialmente el fallo a una tuerca mal apretada, pero una revisión posterior de DARPA concluyó que la tuerca estaba correctamente apretada —el alambre de frenado seguía en su sitio— y que había cedido por corrosión provocada por el salitre del atolón. El FalconSAT-2 se separó del cohete y cayó sobre la isla, atravesando el techo del taller de SpaceX; los informes sobre su estado varían entre daño leve y grave.

La respuesta fue estructural más que puntual: se sustituyó herrajería de aluminio por acero inoxidable y se multiplicaron por treinta las comprobaciones informáticas previas al despegue. La lección de este vuelo no fue tanto la tuerca como el entorno: un cohete que vive expuesto al mar exige una política de materiales distinta.

El segundo vuelo acumuló casi un año de retrasos por problemas con la segunda etapa y por disponibilidad del campo de tiro —una prueba de un Minuteman III cuyo reentrada caía sobre Kwajalein obligó a mover la fecha—. El 19 de marzo el intento se abortó a un minuto y dos segundos del despegue por un fallo del ordenador de seguridad, que interpretó como pérdida de transmisión un retardo de hardware de unos milisegundos. El 21 de marzo, tras un aborto en el último segundo con el motor ya encendido, el cohete despegó a las 01:10 UTC con una carga DemoSat para DARPA y la NASA.

La primera etapa funcionó bien. El problema apareció en la separación: el carenado interetapas del extremo superior de la primera etapa rozó la tobera del motor de la segunda cuando esta salía del interetapas, porque la primera etapa giraba mucho más rápido de lo previsto —unos 2,5 grados por segundo frente a un máximo esperado de 0,5—. Musk señaló que el roce no parecía haber causado daño y que precisamente por escenarios así se había elegido una falda de niobio en lugar de carbono-carbono. Pero el golpe descalibró la respuesta del control vectorial. Hacia T+4:20 apareció una oscilación cónica que fue creciendo; a T+5:01 el vehículo empezó a rodar y se perdió la telemetría útil. El motor de la segunda etapa se apagó en T+7:30 por un problema de control de balanceo: el chapoteo del oxígeno líquido en su tanque alimentaba la oscilación, y el sistema de control vectorial, sobrecompensando por el impacto en la tobera, no consiguió amortiguarla. El cohete alcanzó 289 km de altitud y 5,1 km/s, frente a los 7,5 km/s que exigía la órbita, y llegó a desplegar el anillo simulador de masa.

SpaceX presentó el vuelo como un éxito parcial —afirmó haber validado en vuelo más del 95 % de los sistemas del Falcon 1— y planteó dos correcciones: deflectores en el tanque de oxígeno de la segunda etapa para frenar el chapoteo, con ajuste de la lógica de control, y un apagado del Merlin iniciado a un nivel de empuje mucho más bajo, aun a costa de la reutilización del motor. La primera etapa no se recuperó porque el dispositivo GPS de seguimiento no funcionó.

El tercer vuelo estrenaba el Merlin 1C de refrigeración regenerativa, el motor destinado al Falcon 9, y llevaba la carga más valiosa hasta entonces: el satélite militar Trailblazer, los nanosatélites NanoSail-D y PRESat de la NASA —de unos 4 kg cada uno, en formato cubesat de tres unidades— y una cápsula de restos incinerados de Celestis en la que viajaban las cenizas del astronauta Gordon Cooper y del actor James Doohan.

La cuenta atrás fue accidentada. Un intento previo se retrasó por la carga lenta de helio, que dejó el vehículo en un estado prematuro de lanzamiento al exponer combustible y oxidante al helio criogénico; el siguiente se abortó medio segundo antes del despegue por la lectura errónea de un sensor. Con veinticinco minutos de ventana restantes, el Falcon 1 despegó de Omelek a las 03:35 UTC. La primera etapa voló, en palabras de Musk, de forma impecable: atravesó la barrera del sonido y la presión dinámica máxima sin incidencias, y el estreno del Merlin 1C se saldó con nota.

El fallo llegó en la separación, unos dos minutos y medio después del despegue. El Merlin 1C completó su combustión, pero el empuje tardó más de lo previsto en decaer: el propelente residual en el motor se evaporó y siguió produciendo un empuje transitorio, de modo que la primera etapa recontactó con la segunda justo cuando ambas se separaban, dejando la etapa superior descontrolada. SpaceX cortó abruptamente la señal de la cámara de a bordo segundos antes del evento. Ninguna de las cargas alcanzó la órbita.

Lo llamativo del diagnóstico es su modestia: el resumen de misión de SpaceX concluyó que el vuelo 4 podía seguir adelante sin ninguna mejora tecnológica, porque bastaba con alargar el intervalo entre el apagado del motor de la primera etapa y la orden de separación. Un cohete perdido por cinco segundos de calendario interno. Años después, Musk asumiría públicamente la responsabilidad de los tres fracasos y reconocería que ejercía de ingeniero jefe no por elección sino porque no conseguía contratar a nadie mejor dispuesto a aceptar el puesto.

El cuarto Falcon 1 se ensambló en seis semanas con las piezas disponibles, y era literalmente la última bala: Musk ha explicado que se había quedado sin dinero, con Tesla y SolarCity absorbiendo capital, una ronda de financiación fallida ese verano y la recesión ya encima. Para ganar tiempo se fletó un Boeing C-17 Globemaster III que llevó el cohete a Kwajalein; durante el vuelo la represurización superó lo que el equipo esperaba según el manual del avión y el cohete implosionó parcialmente, de modo que hubo que repararlo de urgencia sobre la marcha.

Despegó de Omelek el 28 de septiembre de 2008 a las 23:15 UTC, quince minutos después de abrirse una ventana de cinco horas. El Merlin 1C alcanzó sus 78.000 lbf de empuje y el vehículo voló hacia el este. La primera etapa completó su combustión a los dos minutos y medio y se separó cinco segundos después —el momento exacto en que había muerto el vuelo anterior—, esta vez sin incidencias; la segunda etapa encendió el Kestrel y las dos mitades de la cofia se soltaron medio minuto más tarde. El Kestrel ardió cerca de siete minutos y se apagó nueve minutos y treinta y un segundos después del despegue, con el cohete ya en órbita. Tras un periodo de deriva, el motor volvió a encenderse para circularizar, demostrando en vuelo la capacidad de reencendido de la etapa superior.

La carga era un simulador de masa hexagonal de aleación de aluminio de unos 165 kg (364 libras) y metro y medio de altura, construido por SpaceX para esta misión, bautizado Ratsat por la pegatina que alguien le colocó. Se mantuvo unido a la segunda etapa. Los parámetros orbitales publicados difieren según la fuente: la nota de prensa de SpaceX habló de una órbita elíptica de 500 por 700 km con 9,2 grados de inclinación, «exactamente la buscada»; Spaceflight Now, con datos de seguimiento militar, dio una órbita inicial de 205 por 404 millas y una inclinación de 9,3 grados, y una circularización final justo por debajo de las 400 millas; Wikipedia recoge una órbita inicial de 330 por 650 km y una final de 621 por 643 km con 9,35 grados, y Astronautix cataloga 622 por 643 km con 9,3 grados. La discrepancia queda registrada en la ficha.

Con este vuelo el Falcon 1 se convirtió en el primer lanzador de propelente líquido desarrollado y financiado con capital privado que alcanzaba la órbita terrestre. Musk lo resumió sin épica: más alivio que euforia después de seis años de trabajo. La primera etapa, que en teoría debía descender en paracaídas para su recuperación en el mar, no sobrevivió a la reentrada; el equipo lo sabía de antemano, porque no había habido tiempo de mejorar su protección térmica.

El quinto y último vuelo fue el único que llevó una carga comercial real. RazakSAT era un satélite de observación terrestre malayo de unos 180 kg construido por ATSB, hexagonal y de poco más de un metro de altura, con una cámara de apertura media capaz de 2,5 metros de resolución en pancromático y unos 5 metros en color. Estaba entre los primeros contratos de SpaceX y debía haber volado en el cuarto Falcon 1, pero Musk decidió no arriesgar el satélite de un cliente antes de completar un vuelo de prueba con éxito.

La campaña tuvo su propio retraso: menos de una semana antes de la fecha de abril de 2009 se detectó una preocupación de compatibilidad entre el satélite y el lanzador —niveles de vibración previstos que podían afectar a la carga— y el vuelo se aplazó unas semanas. La nueva ventana se abrió el 13 de julio. El despegue se produjo a las 03:35 UTC del 14 de julio de 2009 (la noche del 13 en hora del este de Estados Unidos), con más de cuatro horas de retraso por un problema en el sistema de helio y por chubascos sobre la isla.

El perfil fue nominal: paso por la velocidad del sonido en menos de un minuto, apagado y separación de la primera etapa hacia los dos minutos y medio, encendido del Kestrel, suelta de la cofia pasado el minuto tres y primer apagado de la segunda etapa a los nueve minutos y medio. Tras una deriva balística, el Kestrel volvió a encenderse para circularizar y RazakSAT se separó cerca de una hora después del despegue. Astronautix cataloga la órbita resultante en 665 por 690 km con 9 grados de inclinación. Musk describió la inserción como un tiro en la diana.

La órbita ecuatorial baja era la razón de ser de la misión: permitía a RazakSAT sobrevolar Malasia hasta una docena de veces al día, muy por encima de lo que consigue un satélite de observación en órbita heliosíncrona, para aplicaciones de agricultura, vigilancia ambiental, silvicultura, cartografía, transporte y planificación urbana. La etapa superior de aquel vuelo seguía en órbita baja años después.

Antes incluso del primer éxito, SpaceX ya publicaba las prestaciones de una versión mejorada. El Falcon 1e debía entrar en servicio en el segundo trimestre de 2010 con una primera etapa alargada —90 pies frente a los 70 del conjunto original, según la tabla comparativa de la guía de usuario—, reforzada para soportar cargas axiales mayores y provista de un Merlin 1C explotado a plena capacidad, con 125 klbf de empuje a nivel del mar, del orden de 556 kN, y un impulso específico en vacío de 304 s. La masa en seco de la etapa subía a 5.680 lb y el propelente utilizable a 87.000 lb. La cofia crecía hasta 1,7 metros y cambiaba de material: ogiva de material compuesto en lugar de piel y larguerillos de aluminio, con dos puertas de acceso de serie. La segunda etapa era común con la del Falcon 1.

La ganancia era sustancial: Gunter's Space Page atribuye al Falcon 1e 1.010 kg a órbita baja, frente a los 470 kg del Falcon 1, es decir, algo más del doble. El precio anunciado a finales de 2009 fue de 8,5 millones de dólares, aunque Wikipedia recoge también una proyección de unos 1.000 kg por once millones.

Nunca voló. La introducción se pospuso primero a 2012 por la prioridad del Falcon 9, y finalmente SpaceX retiró el vehículo del mercado alegando demanda insuficiente. Las cargas contratadas para el Falcon 1 y el Falcon 1e acabaron reasignadas: en 2012 la empresa anunció que volarían como cargas secundarias en el Falcon 9.

Tras el vuelo de RazakSAT no hubo más. Los lanzamientos previstos se aplazaron, después se cancelaron y el vehículo se dio de baja, con una explicación de la propia empresa tan escueta como reveladora: no consiguieron hacer del Falcon 1 un negocio. El pequeño lanzador quedó retirado en 2009 en favor del Falcon 9 v1.0, y el mercado de satélites pequeños que pretendía abrir tardaría casi una década en llenarse con otros vehículos.

Sería un error medir el Falcon 1 por su balance comercial. Cinco vuelos, dos éxitos, una única carga de pago y ningún beneficio; y sin embargo es el vehículo que enseñó a SpaceX a construir cohetes. De él salieron el Merlin en su versión regenerativa, la arquitectura de tanques de aluminio soldados por fricción-agitación, el sistema de retención antes del despegue que verifica el motor a plena potencia con el cohete todavía sujeto, la aviónica basada en hardware comercial, la práctica de diseñar y ensayar casi todo en casa en lugar de subcontratar, y una cultura de investigación de fallos rápida y pública. Los tres fracasos consecutivos y el cuarto vuelo salvado con el último dinero disponible forman el episodio fundacional de la empresa, y explican por qué el Falcon 9 llegó a la rampa con una parte importante de su diseño ya probada en vuelo.

También dejó un dato que la industria tardó en asimilar: una empresa privada, con menos de cien millones de dólares y seis años, podía poner algo en órbita. Hasta 2008 eso había sido, en palabras del propio Musk, cosa de países y no de compañías.