Falcon 1

Le Falcon 1 fut le premier lanceur de Space Exploration Technologies, l'entreprise qu'Elon Musk fonda en 2002 avec la fortune tirée de la vente de Zip2 et de PayPal. L'idée de départ n'était pas de construire la fusée la plus capable possible, mais la plus petite qui reste utile : un véhicule orbital à deux étages capable de placer quelques centaines de kilogrammes en orbite basse, conçu explicitement comme un produit minimum viable pour ne pas épuiser le capital avant de voler. Cette discipline de portée — commencer petit puis grandir ensuite — est la décision qui distingue le Falcon 1 de la longue liste de lanceurs privés restés à l'état de projet sur le papier.

Le développement a été financé par des capitaux privés. Wikipédia situe le coût total du programme entre quatre-vingt-dix et cent millions de dollars, et Musk a déclaré après le quatrième vol avoir investi environ cent millions de son propre argent dans la fusée. Les seuls précédents de lanceurs orbitaux développés avec des fonds privés étaient le Conestoga de 1982 et le Pegasus, qui a volé pour la première fois en 1990 mais décolle depuis un avion porteur. Que le développement ait été privé ne signifie pas que le client l'était : les deux premiers lancements ont été achetés par le département de la Défense des États-Unis dans le cadre d'un programme évaluant de nouveaux lanceurs pour l'usage de la DARPA.

Le Falcon 1 avait en outre une seconde fonction, moins visible mais finalement plus importante : servir de banc d'essai en vol pour les composants et les concepts structurels qui seraient ensuite réutilisés sur le Falcon 9. Le moteur Merlin 1C qui a fait ses débuts lors du troisième vol du Falcon 1 était le même que celui qui a volé sur les cinq premiers Falcon 9, et l'architecture des réservoirs, l'avionique et la séquence de compte à rebours ont été héritées presque intégralement. Sans les cinq vols d'Omelek — dont trois échecs — la famille Falcon telle qu'on la connaît aujourd'hui n'existerait pas.

Le Falcon 1 était un lanceur à deux étages brûlant de l'oxygène liquide et du kérosène de qualité fusée (RP-1) dans les deux. Selon le guide utilisateur officiel de SpaceX, il mesurait environ vingt-et-un mètres de hauteur en comptant les deux étages avec la coiffe et l'interétage, avec un diamètre de corps de 1,7 mètre et une coiffe un peu plus étroite, de 1,54 mètre. Astronautix donne une masse brute de 27 670 kg.

La structure primaire du premier étage était en alliage d'aluminium de qualité spatiale, dans une architecture monocoque graduée, avec cloison commune entre les réservoirs d'oxygène liquide et de kérosène, stabilisée par la pression de vol. SpaceX la décrivait comme un compromis délibéré entre une conception entièrement stabilisée par pression, comme celle de l'Atlas II, et une conception isogrid plus lourde, comme celle du Delta II : la première option est plus efficace en masse mais oblige à manipuler la fusée sous pression, tandis que la seconde simplifie la manutention au sol au prix du poids. Wikipédia précise que le matériau était un alliage d'aluminium 2219 soudé par friction-malaxage, et que l'étage pouvait être transporté non pressurisé et gagnait en rigidité une fois pressurisé pour le vol. Le guide utilisateur chiffre la masse à sec de ce premier étage à 3 000 lb — environ 1 361 kg — et son ergol utilisable à 47 380 lb, soit environ 21 491 kg.

Un unique moteur Merlin le propulsait. Les deux premiers vols utilisaient le Merlin 1A, refroidi par ablation ; à partir du troisième, c'est le Merlin 1C, à refroidissement régénératif, alimenté par turbopompe selon un cycle à générateur de gaz, qui a volé. Le guide utilisateur lui attribue 78 000 lbf de poussée au niveau de la mer — environ 347 kN — et une impulsion spécifique dans le vide de 300 s, avec une durée nominale de combustion de 169 secondes et une extinction par épuisement de l'ergol. Le contrôle en tangage et en lacet se faisait par vectorisation hydraulique de la tuyère, et le contrôle en roulis par l'échappement de la turbopompe. La pressurisation des réservoirs était assurée par de l'hélium chaud stocké dans des réservoirs en inconel surbobinés de matériau composite fournis par Arde Corporation, le même modèle que celui utilisé sur le Delta IV de Boeing.

Le second étage était bien plus simple : un unique moteur Kestrel alimenté par pression, sans turbopompe, avec une capacité de rallumage — une prestation loin d'être triviale, que le quatrième vol a démontrée en orbite. Le guide utilisateur chiffre sa poussée dans le vide à 6,9 klbf, environ 31 kN, avec une impulsion spécifique dans le vide de 317 s et une durée nominale de combustion de 418 secondes, terminée non par épuisement mais à l'atteinte d'une vitesse prédéterminée. Le contrôle d'attitude en tangage et en lacet se faisait avec des actionneurs électromécaniques sur la tuyère, et le roulis avec des propulseurs à gaz froid ; le même hélium chaud servait à pressuriser, à alimenter les propulseurs d'attitude et à tasser l'ergol avant un rallumage en apesanteur. Le moteur intégrait un échangeur de chaleur en titane qui transférait la chaleur résiduelle à l'hélium, et des allumeurs à torche redondants pour assurer le redémarrage. La tuyère était en niobium, un choix qui s'est révélé providentiel lors du deuxième vol. La séparation des étages se faisait au moyen de boulons explosifs à amorçage redondant et d'un système pneumatique de poussée.

Le système de guidage, navigation et contrôle s'appuyait sur un ordinateur de vol durci de classe PC/104 avec un processeur Pentium 586 (Geode), une centrale à inertie et un récepteur GPS qui lui fournissait des mises à jour de navigation. L'ensemble comprenait une télémétrie en bande S, une transmission vidéo en bande S, un transpondeur en bande C, le contrôle de la pression des réservoirs et la distribution d'énergie. Comme système standard de séparation de la charge utile, SpaceX proposait un collier Marmon de 38 pouces (0,9652 m) ; la séparation était non explosive, par ressorts, avec des vitesses angulaires résiduelles inférieures à un degré par seconde, et pouvait doter la charge utile d'une rotation de stabilisation d'environ 6 tr/min si le client le demandait.

Le guide utilisateur publiait les courbes de performance du Falcon 1 et du Falcon 1e alors prévu pour des orbites de 185, 300, 500 et 700 km en fonction de l'inclinaison, aussi bien en profil direct qu'avec deux allumages. Les fiches de comparaison donnent des chiffres concrets : Gunter's Space Page attribue au Falcon 1 opérationnel 470 kg en orbite basse et 290 kg en orbite basse équatoriale, et 420 kg à la version de développement ; Astronautix donne 420 kg pour une orbite de 200 km à 9,1 degrés d'inclinaison et 150 kg pour une orbite héliosynchrone de 700 km. Wikipédia retrace l'évolution de l'engagement commercial : le plan initial parlait d'environ 600 kg en orbite basse, capacité finalement ramenée à environ 420 kg.

Pour la précision d'insertion, et faute de statistiques de vol réelles, SpaceX s'engageait dans le document sur une erreur maximale d'un dixième de degré en inclinaison, cinq kilomètres au périgée et quinze à l'apogée. Dix secondes après la séparation de la charge utile, si l'analyse l'exigeait, le second étage exécutait une manœuvre d'évitement de collision avec les propulseurs à gaz froid inclinés de vingt degrés vers l'avant afin que le jet n'impacte pas le satellite.

Le prix a suivi une trajectoire descendante en performance et ascendante en montant. En 2005, le Falcon 1 était annoncé à 5,9 millions de dollars ; entre 2006 et 2007, le prix opérationnel cité était de 6,7 millions ; au moment du quatrième vol, en 2008, SpaceX le situait à 7,9 millions et se targuait d'être plus de trois fois moins cher que n'importe quel concurrent américain. Fin 2009, l'entreprise a publié 7 millions pour le Falcon 1 et 8,5 millions pour le Falcon 1e, avec des remises pour les contrats portant sur plusieurs lancements. Le prix incluait l'usage du champ de tir, l'intégration standard de la charge utile et l'assurance responsabilité civile envers les tiers.

Le site de lancement initial devait être le complexe SLC-3W de la base aérienne de Vandenberg, en Californie, mais il fut abandonné au stade des essais statiques en raison de conflits de calendrier persistants avec les rampes voisines : l'Armée de l'air ne voulait pas du vol d'une fusée non testée avant que le dernier Titan IV ne décolle du SLC-4E tout proche. Ce blocage a poussé SpaceX à construire sa propre installation dans un lieu improbable : l'île d'Omelek, une bande d'environ sept acres sur l'atoll de Kwajalein, dans les îles Marshall, à environ 2 500 milles au sud-ouest d'Hawaï, au sein du champ de tir Ronald Reagan de l'armée américaine.

L'île abritait un hangar avec l'installation de traitement des charges utiles, doté d'une salle blanche de classe 100 000 selon la description de référence du document officiel, un espace de bureaux pour le client et la rampe proprement dite. SpaceX se targuait, dans le guide utilisateur, d'une campagne de lancement de dix-huit jours et d'un compte à rebours court, arguments de disponibilité face aux champs de tir traditionnels. L'emplacement équatorial — les cinq vols se sont faits vers l'est avec des inclinaisons d'environ neuf degrés — était idéal pour les orbites à faible inclinaison, et désastreux sur le plan logistique : chaque fusée et chaque charge utile devaient être acheminées à l'autre bout du Pacifique. L'air salin de l'île allait d'ailleurs jouer un rôle direct dans le premier échec.

Le complexe SLC-40 de Cap Canaveral — celui qu'occuperait ensuite le Falcon 9 — a bien été envisagé pour les lancements à faible inclinaison, mais il n'a jamais été aménagé pour le Falcon 1 avant le retrait du véhicule. Les cinq vols sont partis d'Omelek.

La première campagne a été retardée à plusieurs reprises. Une tentative de décembre 2005 fut interrompue lorsqu'une vanne défectueuse provoqua un vide dans le réservoir de carburant du premier étage et que les parois s'affaissèrent vers l'intérieur, endommageant la structure ; il fallut remplacer l'étage entier. Le décollage eut finalement lieu le 24 mars 2006 à 22h30 UTC — le matin du 25 en heure locale d'Omelek — avec le FalconSAT-2 de l'Académie de l'Armée de l'air américaine, un satellite d'environ 20 kg destiné à mesurer des phénomènes de plasma spatial, sous contrat via la DARPA.

Le vol dura moins d'une minute. La vidéo montre un roulis perceptible dès le décollage ; à la 26e seconde, la fusée piqua brutalement du nez et, à 41 secondes, percuta un récif mort à environ 250 pieds de la rampe. La cause était une fuite dans une conduite de carburant et l'incendie qui s'ensuivit dans la zone moteur. SpaceX attribua d'abord la défaillance à un écrou mal serré, mais un examen ultérieur de la DARPA conclut que l'écrou était correctement serré — le fil-frein était encore en place — et qu'il avait cédé sous l'effet de la corrosion provoquée par le sel marin de l'atoll. Le FalconSAT-2 se sépara de la fusée et retomba sur l'île, traversant le toit de l'atelier de SpaceX ; les rapports sur son état varient entre dommages légers et graves.

La réponse fut structurelle plutôt que ponctuelle : la boulonnerie en aluminium fut remplacée par de l'acier inoxydable et les vérifications informatiques précédant le décollage furent multipliées par trente. La leçon de ce vol ne tenait pas tant à l'écrou qu'à l'environnement : une fusée exposée en permanence à la mer exige une politique des matériaux différente.

Le deuxième vol accumula près d'un an de retards, dus à des problèmes sur le second étage et à la disponibilité du champ de tir — un essai de missile Minuteman III dont la rentrée retombait sur Kwajalein obligea à décaler la date. Le 19 mars, la tentative fut interrompue à une minute et deux secondes du décollage à cause d'une défaillance de l'ordinateur de sécurité, qui interpréta comme une perte de transmission un retard matériel de quelques millisecondes. Le 21 mars, après une interruption à la dernière seconde alors que le moteur était déjà allumé, la fusée décolla à 01h10 UTC avec une charge utile DemoSat pour la DARPA et la NASA.

Le premier étage fonctionna bien. Le problème apparut à la séparation : le carénage interétage à l'extrémité supérieure du premier étage frotta contre la tuyère du moteur du second étage lorsque celui-ci sortait de l'interétage, car le premier étage tournait bien plus vite que prévu — environ 2,5 degrés par seconde contre un maximum attendu de 0,5. Musk fit remarquer que le frottement ne semblait pas avoir causé de dommage et que c'était précisément pour des scénarios de ce genre qu'une jupe en niobium avait été choisie plutôt qu'en carbone-carbone. Mais le choc dérégla la réponse du contrôle vectoriel. Vers T+4:20, une oscillation conique apparut et s'amplifia ; à T+5:01, le véhicule commença à rouler et la télémétrie utile fut perdue. Le moteur du second étage s'éteignit à T+7:30 en raison d'un problème de contrôle en roulis : le ballottement de l'oxygène liquide dans son réservoir alimentait l'oscillation, et le système de contrôle vectoriel, en surcompensant le choc subi par la tuyère, ne parvint pas à l'amortir. La fusée atteignit 289 km d'altitude et 5,1 km/s, contre les 7,5 km/s exigés pour l'orbite, et parvint tout de même à déployer l'anneau simulateur de masse.

SpaceX présenta ce vol comme un succès partiel — affirmant avoir validé en vol plus de 95 % des systèmes du Falcon 1 — et proposa deux corrections : des déflecteurs dans le réservoir d'oxygène du second étage pour freiner le ballottement, avec un ajustement de la logique de contrôle, et une extinction du Merlin déclenchée à un niveau de poussée bien plus bas, même au prix de la réutilisation du moteur. Le premier étage ne fut pas récupéré car le dispositif GPS de suivi ne fonctionna pas.

Le troisième vol inaugurait le Merlin 1C à refroidissement régénératif, le moteur destiné au Falcon 9, et emportait la charge la plus précieuse jusqu'alors : le satellite militaire Trailblazer, les nanosatellites NanoSail-D et PRESat de la NASA — environ 4 kg chacun, au format cubesat trois unités — et une capsule de cendres funéraires de Celestis transportant les restes de l'astronaute Gordon Cooper et de l'acteur James Doohan.

Le compte à rebours fut mouvementé. Une tentative précédente avait été retardée par un remplissage lent de l'hélium, qui plaça le véhicule dans un état de lancement prématuré en exposant le carburant et le comburant à l'hélium cryogénique ; la suivante fut interrompue une demi-seconde avant le décollage à cause de la lecture erronée d'un capteur. Avec vingt-cinq minutes restantes dans la fenêtre, le Falcon 1 décolla d'Omelek à 03h35 UTC. Le premier étage vola, selon les mots de Musk, de façon impeccable : il franchit le mur du son et la pression dynamique maximale sans incident, et les débuts du Merlin 1C furent une réussite.

L'échec survint à la séparation, environ deux minutes et demie après le décollage. Le Merlin 1C acheva sa combustion, mais la poussée mit plus de temps que prévu à retomber : l'ergol résiduel dans le moteur s'évapora et continua à produire une poussée transitoire, si bien que le premier étage recontacta le second juste au moment de leur séparation, laissant l'étage supérieur incontrôlé. SpaceX coupa brusquement le signal de la caméra embarquée quelques secondes avant l'événement. Aucune des charges utiles n'atteignit l'orbite.

Ce qui frappe dans le diagnostic, c'est sa modestie : le résumé de mission de SpaceX conclut que le vol 4 pouvait avoir lieu sans aucune amélioration technologique, car il suffisait d'allonger l'intervalle entre l'extinction du moteur du premier étage et l'ordre de séparation. Une fusée perdue pour cinq secondes de délai interne. Des années plus tard, Musk assumerait publiquement la responsabilité des trois échecs et reconnaîtrait avoir exercé le rôle d'ingénieur en chef non par choix, mais parce qu'il ne parvenait pas à recruter quelqu'un de mieux disposé à accepter le poste.

Le quatrième Falcon 1 fut assemblé en six semaines avec les pièces disponibles, et c'était littéralement la dernière cartouche : Musk a expliqué qu'il n'avait plus d'argent, Tesla et SolarCity absorbant du capital, une levée de fonds ayant échoué cet été-là et la récession étant déjà là. Pour gagner du temps, un Boeing C-17 Globemaster III fut affrété pour transporter la fusée jusqu'à Kwajalein ; pendant le vol, la représsurisation dépassa ce que l'équipe attendait selon le manuel de l'avion et la fusée implosa partiellement, ce qui obligea à la réparer en urgence sur place.

Elle décolla d'Omelek le 28 septembre 2008 à 23h15 UTC, quinze minutes après l'ouverture d'une fenêtre de cinq heures. Le Merlin 1C atteignit ses 78 000 lbf de poussée et le véhicule vola vers l'est. Le premier étage acheva sa combustion au bout de deux minutes et demie et se sépara cinq secondes plus tard — le moment exact où le vol précédent avait échoué —, cette fois sans incident ; le second étage alluma le Kestrel et les deux moitiés de la coiffe se détachèrent une demi-minute plus tard. Le Kestrel brûla près de sept minutes et s'éteignit neuf minutes trente et une secondes après le décollage, la fusée étant déjà en orbite. Après une période de dérive, le moteur se ralluma pour circulariser, démontrant en vol la capacité de rallumage de l'étage supérieur.

La charge utile était un simulateur de masse hexagonal en alliage d'aluminium d'environ 165 kg (364 livres) et d'un mètre cinquante de hauteur, construit par SpaceX pour cette mission et baptisé Ratsat à cause d'un autocollant que quelqu'un y avait collé. Il resta fixé au second étage. Les paramètres orbitaux publiés diffèrent selon la source : le communiqué de presse de SpaceX parlait d'une orbite elliptique de 500 par 700 km à 9,2 degrés d'inclinaison, « exactement celle recherchée » ; Spaceflight Now, à partir de données de suivi militaire, donnait une orbite initiale de 205 par 404 milles et une inclinaison de 9,3 degrés, avec une circularisation finale juste en dessous de 400 milles ; Wikipédia rapporte une orbite initiale de 330 par 650 km et une orbite finale de 621 par 643 km à 9,35 degrés, et Astronautix indique 622 par 643 km à 9,3 degrés. Cet écart est consigné ici.

Avec ce vol, le Falcon 1 devint le premier lanceur à propergol liquide développé et financé par des capitaux privés à atteindre l'orbite terrestre. Musk l'a résumé sans emphase : plus de soulagement que d'euphorie après six années de travail. Le premier étage, qui devait en théorie redescendre en parachute pour être récupéré en mer, ne survécut pas à la rentrée ; l'équipe le savait d'avance, faute d'avoir eu le temps d'améliorer sa protection thermique.

Le cinquième et dernier vol fut le seul à emporter une charge commerciale réelle. RazakSAT était un satellite malaisien d'observation de la Terre d'environ 180 kg construit par ATSB, hexagonal et d'un peu plus d'un mètre de hauteur, doté d'une caméra à ouverture moyenne capable de 2,5 mètres de résolution en panchromatique et d'environ 5 mètres en couleur. Il figurait parmi les premiers contrats de SpaceX et aurait dû voler sur le quatrième Falcon 1, mais Musk avait décidé de ne pas risquer le satellite d'un client avant d'avoir mené à bien un vol d'essai réussi.

La campagne connut son propre retard : moins d'une semaine avant la date d'avril 2009, une préoccupation de compatibilité entre le satellite et le lanceur fut détectée — des niveaux de vibration prévus susceptibles d'affecter la charge utile — et le vol fut repoussé de quelques semaines. La nouvelle fenêtre s'ouvrit le 13 juillet. Le décollage eut lieu à 03h35 UTC le 14 juillet 2009 (la nuit du 13 en heure de l'Est américain), avec plus de quatre heures de retard dues à un problème sur le système d'hélium et à des averses au-dessus de l'île.

Le profil fut nominal : passage du mur du son en moins d'une minute, extinction et séparation du premier étage vers deux minutes et demie, allumage du Kestrel, largage de la coiffe après la troisième minute et première extinction du second étage à neuf minutes et demie. Après une phase de dérive balistique, le Kestrel se ralluma pour circulariser et RazakSAT se sépara environ une heure après le décollage. Astronautix indique une orbite résultante de 665 par 690 km à 9 degrés d'inclinaison. Musk a décrit l'insertion comme un tir en plein dans le mille.

L'orbite équatoriale basse était la raison d'être de la mission : elle permettait à RazakSAT de survoler la Malaisie jusqu'à une douzaine de fois par jour, bien plus que ce qu'obtient un satellite d'observation en orbite héliosynchrone, pour des applications agricoles, de surveillance environnementale, sylvicoles, cartographiques, de transport et de planification urbaine. L'étage supérieur de ce vol restait en orbite basse des années plus tard.

Avant même le premier succès, SpaceX publiait déjà les performances d'une version améliorée. Le Falcon 1e devait entrer en service au deuxième trimestre 2010 avec un premier étage allongé — 90 pieds contre 70 pour l'ensemble d'origine, selon le tableau comparatif du guide utilisateur —, renforcé pour supporter des charges axiales plus élevées et doté d'un Merlin 1C exploité à pleine capacité, avec 125 klbf de poussée au niveau de la mer, de l'ordre de 556 kN, et une impulsion spécifique dans le vide de 304 s. La masse à sec de l'étage passait à 5 680 lb et l'ergol utilisable à 87 000 lb. La coiffe passait à 1,7 mètre et changeait de matériau : une ogive en matériau composite au lieu d'un revêtement et de lisses en aluminium, avec deux portes d'accès de série. Le second étage restait commun avec celui du Falcon 1.

Le gain était substantiel : Gunter's Space Page attribue au Falcon 1e 1 010 kg en orbite basse, contre 470 kg pour le Falcon 1, soit un peu plus du double. Le prix annoncé fin 2009 était de 8,5 millions de dollars, bien que Wikipédia rapporte aussi une projection d'environ 1 000 kg pour onze millions.

Il n'a jamais volé. Son introduction fut d'abord repoussée à 2012 en raison de la priorité donnée au Falcon 9, puis SpaceX retira finalement le véhicule du marché, invoquant une demande insuffisante. Les charges contractées pour le Falcon 1 et le Falcon 1e furent finalement réaffectées : en 2012, l'entreprise annonça qu'elles voleraient comme charges secondaires sur le Falcon 9.

Après le vol de RazakSAT, il n'y en eut plus d'autre. Les lancements prévus furent reportés, puis annulés, et le véhicule fut retiré du service, avec une explication de l'entreprise elle-même aussi sobre que révélatrice : elle n'était pas parvenue à faire du Falcon 1 une activité rentable. Le petit lanceur fut retiré en 2009 au profit du Falcon 9 v1.0, et le marché des petits satellites qu'il visait à ouvrir mettrait près d'une décennie à se remplir avec d'autres véhicules.

Ce serait une erreur de juger le Falcon 1 à son bilan commercial. Cinq vols, deux succès, une seule charge payante et aucun bénéfice ; et pourtant c'est le véhicule qui a appris à SpaceX à construire des fusées. Il en est sorti le Merlin dans sa version régénérative, l'architecture de réservoirs en aluminium soudés par friction-malaxage, le système de retenue avant décollage qui vérifie le moteur à pleine puissance pendant que la fusée est encore fixée, l'avionique bâtie sur du matériel commercial, la pratique de concevoir et de tester presque tout en interne plutôt que de sous-traiter, et une culture d'enquête sur les échecs rapide et publique. Les trois échecs consécutifs et le quatrième vol sauvé avec les derniers fonds disponibles constituent l'épisode fondateur de l'entreprise, et expliquent pourquoi le Falcon 9 est arrivé sur la rampe de lancement avec une part importante de sa conception déjà éprouvée en vol.

Il a aussi laissé un constat que l'industrie a mis du temps à assimiler : une entreprise privée, avec moins de cent millions de dollars et six ans, pouvait mettre quelque chose en orbite. Jusqu'en 2008, cela avait été, selon les mots mêmes de Musk, l'affaire des pays et non des entreprises.