Falcon 1

Il Falcon 1 fu il primo lanciatore di Space Exploration Technologies, l'azienda che Elon Musk fondò nel 2002 con la fortuna ottenuta dalla vendita di Zip2 e PayPal. L'idea di partenza non era costruire il razzo più capace possibile, ma il più piccolo che restasse comunque utile: un veicolo orbitale a due stadi in grado di collocare poche centinaia di chilogrammi in orbita bassa, concepito esplicitamente come prodotto minimo funzionante per non esaurire il capitale prima di volare. Questa disciplina di portata —partire dal basso e crescere in seguito— è la decisione che distingue il Falcon 1 dalla lunga lista di lanciatori privati rimasti sulla carta.

Lo sviluppo fu finanziato con capitale privato. Wikipedia colloca il costo totale del programma tra novanta e cento milioni di dollari, e Musk dichiarò dopo il quarto volo di aver investito circa cento milioni del proprio denaro nel razzo. Gli unici precedenti di lanciatori orbitali sviluppati con capitale privato erano il Conestoga del 1982 e il Pegasus, che volò per la prima volta nel 1990 ma decolla da un aereo vettore. Che lo sviluppo fosse privato non significa che lo fosse il cliente: i primi due lanci furono acquistati dal Dipartimento della Difesa statunitense nell'ambito di un programma che valutava nuovi lanciatori per uso di DARPA.

Il Falcon 1 aveva inoltre una seconda funzione, meno visibile e alla fine più importante: fungere da banco di prova in volo per i componenti e i concetti strutturali che sarebbero poi stati riutilizzati nel Falcon 9. Il motore Merlin 1C, che debuttò nel terzo volo del Falcon 1, fu lo stesso che volò sui primi cinque Falcon 9, e l'architettura dei serbatoi, l'avionica e la sequenza di conto alla rovescia furono ereditate quasi per intero. Senza i cinque voli di Omelek —tre dei quali falliti— non esisterebbe la famiglia Falcon così come la conosciamo oggi.

Il Falcon 1 era un lanciatore a due stadi che bruciava ossigeno liquido e cherosene di grado missilistico (RP-1) in entrambi. Secondo la guida utente ufficiale di SpaceX, era alto circa ventuno metri contando i due stadi con l'ogiva e l'interstadio, con un diametro del corpo di 1,7 metri e un'ogiva leggermente più stretta, di 1,54 metri. Astronautix riporta una massa lorda di 27.670 kg.

La struttura primaria del primo stadio era in lega di alluminio di grado spaziale, con un'architettura monoscocca a spessore variabile, un paratia comune tra i serbatoi di ossigeno liquido e cherosene, e stabilizzata per pressione di volo. SpaceX la descriveva come un punto intermedio deliberato tra un design interamente stabilizzato per pressione, come quello dell'Atlas II, e un design isogrid più pesante, come quello del Delta II: la prima opzione è più efficiente in termini di massa ma costringe a manipolare il razzo pressurizzato, mentre la seconda semplifica la movimentazione a terra a costo del peso. Wikipedia precisa che il materiale era una lega di alluminio 2219 saldata per attrito e agitazione (friction stir welding), e che lo stadio poteva essere trasportato non pressurizzato e acquisiva rigidità quando veniva pressurizzato per il volo. La guida utente indica la massa a vuoto di questo primo stadio in 3.000 lb —circa 1.361 kg— e il propellente utilizzabile in 47.380 lb, ossia circa 21.491 kg.

Un unico motore Merlin lo spingeva. I primi due voli utilizzarono il Merlin 1A, raffreddato per ablazione; dal terzo in poi volò il Merlin 1C, a raffreddamento rigenerativo, alimentato da turbopompa in ciclo a generatore di gas. La guida utente gli attribuisce 78.000 lbf di spinta al livello del mare —circa 347 kN— e un impulso specifico nel vuoto di 300 s, con un tempo nominale di combustione di 169 secondi e spegnimento per esaurimento del propellente. Il controllo in beccheggio e imbardata avveniva tramite vettorizzazione idraulica dell'ugello, e il controllo in rollio con lo scarico della turbopompa. La pressurizzazione dei serbatoi era affidata a elio caldo immagazzinato in serbatoi di inconel rivestiti in materiale composito forniti da Arde Corporation, lo stesso modello impiegato sul Delta IV di Boeing.

Il secondo stadio era molto più semplice: un unico motore Kestrel alimentato a pressione, senza turbopompa, con capacità di riaccensione —una prestazione tutt'altro che banale, dimostrata in orbita dal quarto volo—. La guida utente indica la sua spinta nel vuoto in 6,9 klbf, circa 31 kN, con un impulso specifico nel vuoto di 317 s e un tempo nominale di combustione di 418 secondi, terminato non per esaurimento ma al raggiungimento di una velocità predeterminata. Il controllo d'assetto in beccheggio e imbardata avveniva con attuatori elettromeccanici sull'ugello, mentre il rollio era controllato con propulsori a gas freddo; lo stesso elio caldo serviva per pressurizzare, per i propulsori d'assetto e per assestare il propellente prima di una riaccensione in assenza di gravità. Il motore incorporava uno scambiatore di calore in titanio che trasferiva il calore residuo all'elio, e accenditori a torcia ridondanti per garantire il riavvio. L'ugello era in niobio, scelta che si rivelò provvidenziale nel secondo volo. La separazione degli stadi avveniva tramite bulloni esplosivi a innesco ridondante e un sistema pneumatico di spinta.

Il sistema di guida, navigazione e controllo si basava su un computer di volo irrobustito di classe PC/104 con un processore Pentium 586 (Geode), un'unità di misura inerziale e un ricevitore GPS che forniva aggiornamenti di navigazione. Il pacchetto includeva telemetria in banda S, trasmissione video in banda S, un transponder in banda C, controllo della pressione dei serbatoi e la distribuzione dell'energia. Come sistema standard di separazione del carico utile, SpaceX offriva una fascetta marmon da 38 pollici (0,9652 m); la separazione era non esplosiva, tramite molle, con velocità angolari residue inferiori a un grado al secondo, e al carico poteva essere impressa una rotazione di stabilizzazione di circa 6 rpm su richiesta del cliente.

La guida utente pubblicava le curve di prestazione del Falcon 1 e del previsto Falcon 1e per orbite di 185, 300, 500 e 700 km in funzione dell'inclinazione, sia in profilo diretto sia con due accensioni. Le schede di confronto forniscono cifre concrete: Gunter's Space Page attribuisce al Falcon 1 operativo 470 kg in orbita bassa e 290 kg in orbita bassa equatoriale, e 420 kg alla versione di sviluppo; Astronautix indica 420 kg per un'orbita a 200 km con 9,1 gradi di inclinazione e 150 kg per un'orbita eliosincrona a 700 km. Wikipedia registra l'evoluzione del compromesso commerciale: il piano iniziale parlava di circa 600 kg in orbita bassa e la capacità finì per essere ridotta a circa 420 kg.

Per l'accuratezza di inserimento, e in assenza di statistiche di volo reali, SpaceX si impegnava nel documento a un errore massimo di un decimo di grado in inclinazione, cinque chilometri in perigeo e quindici in apogeo. Dieci secondi dopo la separazione del carico, se l'analisi lo richiedeva, il secondo stadio eseguiva una manovra di elusione della collisione con i propulsori a gas freddo inclinati di venti gradi in avanti per evitare che il getto colpisse il satellite.

Il prezzo seguì una traiettoria discendente in prestazioni e ascendente in denaro. Nel 2005 il Falcon 1 veniva pubblicizzato a 5,9 milioni di dollari; tra il 2006 e il 2007 il prezzo operativo citato era di 6,7 milioni; al momento del quarto volo, nel 2008, SpaceX lo fissava a 7,9 milioni e vantava di essere più di tre volte più economico di qualsiasi concorrente statunitense. Alla fine del 2009 l'azienda pubblicò 7 milioni per il Falcon 1 e 8,5 milioni per il Falcon 1e, con sconti per contratti su più lanci. Il prezzo includeva l'uso della base di lancio, l'integrazione standard del carico e l'assicurazione di responsabilità verso terzi.

Il sito di lancio originale doveva essere il complesso SLC-3W della base aerea di Vandenberg, in California, ma fu abbandonato nella fase delle accensioni statiche per conflitti persistenti di calendario con le rampe adiacenti: l'Aeronautica non voleva il volo di un razzo non collaudato prima che l'ultimo Titan IV decollasse dal vicino SLC-4E. Quel blocco spinse SpaceX a costruire una propria struttura in un luogo improbabile: l'isola di Omelek, una striscia di circa sette acri nell'atollo di Kwajalein, nelle Isole Marshall, a circa 2.500 miglia a sudovest delle Hawaii, all'interno del poligono di prova Ronald Reagan dell'Esercito degli Stati Uniti.

L'isola ospitava un hangar con l'impianto di lavorazione dei carichi utili, con camera bianca di classe 100.000 secondo la linea di base del documento ufficiale, un'area uffici per il cliente e la rampa vera e propria. SpaceX vantava nella guida utente una campagna di lancio di diciotto giorni e un conto alla rovescia breve, argomenti di disponibilità rispetto ai campi di lancio tradizionali. La posizione equatoriale —i cinque voli furono effettuati verso est con inclinazioni intorno ai nove gradi— era ideale per orbite a bassa inclinazione, e disastrosa dal punto di vista logistico: ogni razzo e ogni carico dovevano essere trasportati all'altro capo del Pacifico. L'aria salina dell'isola, inoltre, avrebbe finito per avere un ruolo diretto nel primo fallimento.

Si arrivò a considerare il complesso SLC-40 di Cape Canaveral —quello che in seguito avrebbe occupato il Falcon 9— per i lanci a bassa inclinazione, ma non fu mai reso operativo per il Falcon 1 prima del ritiro del veicolo. Tutti e cinque i voli partirono da Omelek.

La prima campagna subì ritardi ripetuti. Un tentativo del dicembre 2005 fu interrotto quando una valvola difettosa provocò il vuoto nel serbatoio del combustibile del primo stadio e le pareti collassarono verso l'interno, danneggiando la struttura; fu necessario sostituire l'intero stadio. Il decollo avvenne il 24 marzo 2006 alle 22:30 UTC —la mattina del 25 in ora locale di Omelek— con il FalconSAT-2 dell'Accademia dell'Aeronautica statunitense, un satellite di circa 20 kg destinato a misurare fenomeni di plasma spaziale, commissionato tramite DARPA.

Il volo durò meno di un minuto. Il video mostra un rollio percettibile fin dal decollo; al secondo 26 il razzo beccheggiò bruscamente e ai 41 secondi impattò contro una barriera corallina morta a circa 250 piedi dalla rampa. La causa fu una perdita in una linea del combustibile e il conseguente incendio nella zona del motore. SpaceX attribuì inizialmente il guasto a un dado serrato male, ma una revisione successiva di DARPA concluse che il dado era serrato correttamente —il filo di frenatura era ancora al suo posto— e che aveva ceduto per corrosione provocata dal salino dell'atollo. Il FalconSAT-2 si separò dal razzo e cadde sull'isola, sfondando il tetto dell'officina di SpaceX; le relazioni sul suo stato variano tra danno lieve e grave.

La risposta fu strutturale più che puntuale: la minuteria in alluminio fu sostituita con acciaio inossidabile e i controlli informatici precedenti al decollo furono moltiplicati per trenta. La lezione di questo volo non fu tanto il dado quanto l'ambiente: un razzo che vive esposto al mare richiede una politica dei materiali diversa.

Il secondo volo accumulò quasi un anno di ritardi per problemi con il secondo stadio e per la disponibilità del campo di lancio —un test di un Minuteman III il cui rientro cadeva su Kwajalein costrinse a spostare la data—. Il 19 marzo il tentativo fu interrotto a un minuto e due secondi dal decollo per un guasto del computer di sicurezza, che interpretò come perdita di trasmissione un ritardo hardware di pochi millisecondi. Il 21 marzo, dopo un'interruzione all'ultimo secondo con il motore già acceso, il razzo decollò alle 01:10 UTC con un carico DemoSat per DARPA e la NASA.

Il primo stadio funzionò bene. Il problema si manifestò nella separazione: la carenatura interstadio all'estremità superiore del primo stadio sfiorò l'ugello del motore del secondo mentre questo usciva dall'interstadio, perché il primo stadio ruotava molto più rapidamente del previsto —circa 2,5 gradi al secondo contro un massimo atteso di 0,5—. Musk osservò che lo sfioramento non sembrava aver causato danni e che era stata scelta proprio per scenari come questo una gonna in niobio anziché in carbonio-carbonio. Ma l'urto scompensò la risposta del controllo vettoriale. Verso T+4:20 comparve un'oscillazione conica che andò crescendo; a T+5:01 il veicolo iniziò a ruotare e si perse la telemetria utile. Il motore del secondo stadio si spense a T+7:30 per un problema di controllo del rollio: lo sciabordio dell'ossigeno liquido nel suo serbatoio alimentava l'oscillazione, e il sistema di controllo vettoriale, sovracompensando per l'impatto sull'ugello, non riuscì a smorzarla. Il razzo raggiunse i 289 km di altitudine e i 5,1 km/s, contro i 7,5 km/s richiesti dall'orbita, e arrivò a rilasciare l'anello simulatore di massa.

SpaceX presentò il volo come un successo parziale —affermò di aver convalidato in volo oltre il 95% dei sistemi del Falcon 1— e propose due correzioni: deflettori nel serbatoio di ossigeno del secondo stadio per frenare lo sciabordio, con un aggiustamento della logica di controllo, e uno spegnimento del Merlin avviato a un livello di spinta molto più basso, anche a costo del riutilizzo del motore. Il primo stadio non fu recuperato perché il dispositivo GPS di tracciamento non funzionò.

Il terzo volo debuttava con il Merlin 1C a raffreddamento rigenerativo, il motore destinato al Falcon 9, e portava il carico più prezioso fino ad allora: il satellite militare Trailblazer, i nanosatelliti NanoSail-D e PRESat della NASA —di circa 4 kg ciascuno, in formato cubesat da tre unità— e una capsula di resti cremati di Celestis a bordo della quale viaggiavano le ceneri dell'astronauta Gordon Cooper e dell'attore James Doohan.

Il conto alla rovescia fu accidentato. Un tentativo precedente fu ritardato dal caricamento lento dell'elio, che lasciò il veicolo in uno stato prematuro di lancio esponendo combustibile e ossidante all'elio criogenico; quello successivo fu interrotto mezzo secondo prima del decollo per la lettura errata di un sensore. Con venticinque minuti di finestra rimanenti, il Falcon 1 decollò da Omelek alle 03:35 UTC. Il primo stadio volò, secondo le parole di Musk, in modo impeccabile: attraversò la barriera del suono e la massima pressione dinamica senza inconvenienti, e il debutto del Merlin 1C si concluse con successo.

Il guasto avvenne nella separazione, circa due minuti e mezzo dopo il decollo. Il Merlin 1C completò la sua combustione, ma la spinta impiegò più tempo del previsto a decadere: il propellente residuo nel motore evaporò e continuò a produrre una spinta transitoria, così che il primo stadio ricontattò il secondo proprio mentre si separavano, lasciando lo stadio superiore fuori controllo. SpaceX interruppe bruscamente il segnale della telecamera di bordo pochi secondi prima dell'evento. Nessuno dei carichi raggiunse l'orbita.

Ciò che colpisce della diagnosi è la sua modestia: il riepilogo di missione di SpaceX concluse che il volo 4 poteva procedere senza alcun miglioramento tecnologico, perché bastava allungare l'intervallo tra lo spegnimento del motore del primo stadio e l'ordine di separazione. Un razzo perso per cinque secondi di calendario interno. Anni dopo, Musk si sarebbe assunto pubblicamente la responsabilità dei tre fallimenti e avrebbe riconosciuto di aver svolto il ruolo di ingegnere capo non per scelta ma perché non riusciva ad assumere nessuno più disposto ad accettare l'incarico.

Il quarto Falcon 1 fu assemblato in sei settimane con i pezzi disponibili, ed era letteralmente l'ultima cartuccia: Musk ha spiegato di essere rimasto senza denaro, con Tesla e SolarCity che assorbivano capitale, un round di finanziamento fallito quell'estate e la recessione ormai alle porte. Per guadagnare tempo fu noleggiato un Boeing C-17 Globemaster III che portò il razzo a Kwajalein; durante il volo la ripressurizzazione superò quanto previsto dal manuale dell'aereo e il razzo implose parzialmente, tanto che fu necessario ripararlo d'urgenza sul momento.

Decollò da Omelek il 28 settembre 2008 alle 23:15 UTC, quindici minuti dopo l'apertura di una finestra di cinque ore. Il Merlin 1C raggiunse i suoi 78.000 lbf di spinta e il veicolo volò verso est. Il primo stadio completò la sua combustione dopo due minuti e mezzo e si separò cinque secondi dopo —il momento esatto in cui era morto il volo precedente—, questa volta senza inconvenienti; il secondo stadio accese il Kestrel e le due metà dell'ogiva si sganciarono mezzo minuto più tardi. Il Kestrel bruciò per circa sette minuti e si spense nove minuti e trentuno secondi dopo il decollo, con il razzo già in orbita. Dopo un periodo di deriva, il motore si riaccese per circolarizzare, dimostrando in volo la capacità di riaccensione dello stadio superiore.

Il carico era un simulatore di massa esagonale in lega di alluminio di circa 165 kg (364 libbre) e alto un metro e mezzo, costruito da SpaceX per questa missione, battezzato Ratsat per l'adesivo che qualcuno gli applicò. Rimase unito al secondo stadio. I parametri orbitali pubblicati differiscono a seconda della fonte: il comunicato stampa di SpaceX parlò di un'orbita ellittica di 500 per 700 km con 9,2 gradi di inclinazione, «esattamente quella cercata»; Spaceflight Now, con dati di tracciamento militare, indicò un'orbita iniziale di 205 per 404 miglia e un'inclinazione di 9,3 gradi, e una circolarizzazione finale appena sotto le 400 miglia; Wikipedia riporta un'orbita iniziale di 330 per 650 km e una finale di 621 per 643 km con 9,35 gradi, mentre Astronautix cataloga 622 per 643 km con 9,3 gradi. La discrepanza resta registrata nella scheda.

Con questo volo il Falcon 1 divenne il primo lanciatore a propellente liquido sviluppato e finanziato con capitale privato a raggiungere l'orbita terrestre. Musk lo riassunse senza enfasi epica: più sollievo che euforia dopo sei anni di lavoro. Il primo stadio, che in teoria doveva scendere con un paracadute per il recupero in mare, non sopravvisse al rientro; il team lo sapeva già in anticipo, perché non c'era stato tempo per migliorarne la protezione termica.

Il quinto e ultimo volo fu l'unico a portare un carico commerciale reale. RazakSAT era un satellite malese di osservazione terrestre di circa 180 kg costruito da ATSB, esagonale e alto poco più di un metro, con una fotocamera ad apertura media capace di 2,5 metri di risoluzione in pancromatico e circa 5 metri a colori. Era tra i primi contratti di SpaceX e avrebbe dovuto volare sul quarto Falcon 1, ma Musk decise di non rischiare il satellite di un cliente prima di completare con successo un volo di prova.

Anche questa campagna ebbe il proprio ritardo: meno di una settimana prima della data di aprile 2009 fu rilevato un problema di compatibilità tra il satellite e il lanciatore —livelli di vibrazione previsti che potevano interessare il carico— e il volo fu rinviato di alcune settimane. La nuova finestra si aprì il 13 luglio. Il decollo avvenne alle 03:35 UTC del 14 luglio 2009 (la notte del 13 in ora della costa orientale degli Stati Uniti), con oltre quattro ore di ritardo per un problema nel sistema dell'elio e per rovesci sull'isola.

Il profilo fu nominale: superamento della velocità del suono in meno di un minuto, spegnimento e separazione del primo stadio verso i due minuti e mezzo, accensione del Kestrel, sgancio dell'ogiva superato il terzo minuto e primo spegnimento del secondo stadio a nove minuti e mezzo. Dopo una deriva balistica, il Kestrel si riaccese per circolarizzare e RazakSAT si separò circa un'ora dopo il decollo. Astronautix cataloga l'orbita risultante in 665 per 690 km con 9 gradi di inclinazione. Musk descrisse l'inserimento come un colpo centrato nel bersaglio.

L'orbita bassa equatoriale era la ragion d'essere della missione: permetteva a RazakSAT di sorvolare la Malesia fino a una dozzina di volte al giorno, ben oltre quanto ottiene un satellite di osservazione in orbita eliosincrona, per applicazioni di agricoltura, monitoraggio ambientale, silvicoltura, cartografia, trasporti e pianificazione urbana. Lo stadio superiore di quel volo rimase in orbita bassa per anni.

Ancor prima del primo successo, SpaceX pubblicava già le prestazioni di una versione migliorata. Il Falcon 1e sarebbe dovuto entrare in servizio nel secondo trimestre del 2010 con un primo stadio allungato —90 piedi contro i 70 del complesso originale, secondo la tabella comparativa della guida utente—, rinforzato per sopportare carichi assiali maggiori e dotato di un Merlin 1C sfruttato a piena capacità, con 125 klbf di spinta al livello del mare, dell'ordine di 556 kN, e un impulso specifico nel vuoto di 304 s. La massa a vuoto dello stadio saliva a 5.680 lb e il propellente utilizzabile a 87.000 lb. L'ogiva cresceva fino a 1,7 metri e cambiava materiale: rivestimento in materiale composito invece di lamiera e correntini in alluminio, con due portelli d'accesso di serie. Il secondo stadio era comune a quello del Falcon 1.

Il guadagno era sostanziale: Gunter's Space Page attribuisce al Falcon 1e 1.010 kg in orbita bassa, contro i 470 kg del Falcon 1, cioè poco più del doppio. Il prezzo annunciato alla fine del 2009 fu di 8,5 milioni di dollari, sebbene Wikipedia riporti anche una proiezione di circa 1.000 kg per undici milioni.

Non volò mai. L'introduzione fu prima rinviata al 2012 per la priorità data al Falcon 9, e infine SpaceX ritirò il veicolo dal mercato adducendo una domanda insufficiente. I carichi contrattati per il Falcon 1 e il Falcon 1e finirono per essere riassegnati: nel 2012 l'azienda annunciò che sarebbero volati come carichi secondari sul Falcon 9.

Dopo il volo di RazakSAT non ce ne furono altri. I lanci previsti furono rinviati, poi cancellati e il veicolo fu ritirato dal servizio, con una spiegazione della stessa azienda tanto scarna quanto rivelatrice: non erano riusciti a fare del Falcon 1 un business. Il piccolo lanciatore fu ritirato nel 2009 a favore del Falcon 9 v1.0, e il mercato dei piccoli satelliti che intendeva aprire avrebbe impiegato quasi un decennio per riempirsi con altri veicoli.

Sarebbe un errore misurare il Falcon 1 dal suo bilancio commerciale. Cinque voli, due successi, un unico carico pagante e nessun profitto; eppure è il veicolo che insegnò a SpaceX a costruire razzi. Da esso nacquero il Merlin nella sua versione rigenerativa, l'architettura dei serbatoi in alluminio saldati per attrito e agitazione, il sistema di ritenuta prima del decollo che verifica il motore a piena potenza con il razzo ancora ancorato, l'avionica basata su hardware commerciale, la pratica di progettare e collaudare quasi tutto internamente invece di subappaltare, e una cultura di indagine sui guasti rapida e pubblica. I tre fallimenti consecutivi e il quarto volo salvato con l'ultimo denaro disponibile costituiscono l'episodio fondativo dell'azienda, e spiegano perché il Falcon 9 arrivò sulla rampa con una parte importante del suo design già collaudata in volo.

Lasciò anche un dato che l'industria impiegò tempo ad assimilare: un'azienda privata, con meno di cento milioni di dollari e sei anni, poteva mettere qualcosa in orbita. Fino al 2008 questa era stata, nelle parole dello stesso Musk, una cosa da nazioni, non da aziende.