Falcon 1

O Falcon 1 foi o primeiro lançador da Space Exploration Technologies, a empresa que Elon Musk fundou em 2002 com a fortuna obtida com a venda da Zip2 e do PayPal. A ideia de partida não era construir o foguete mais capaz possível, mas o menor que continuasse sendo útil: um veículo orbital de dois estágios capaz de colocar algumas centenas de quilogramas em órbita baixa, concebido explicitamente como produto mínimo viável para não esgotar o capital antes de voar. Essa disciplina de escopo —começar por baixo e crescer depois— é a decisão que separa o Falcon 1 da longa lista de lançadores privados que ficaram no papel.

O desenvolvimento foi financiado com capital privado. A Wikipédia situa o custo total do programa entre noventa e cem milhões de dólares, e Musk declarou depois do quarto voo ter investido cerca de cem milhões do seu próprio dinheiro no foguete. Os únicos precedentes de lançadores orbitais desenvolvidos com dinheiro privado eram o Conestoga, de 1982, e o Pegasus, que voou pela primeira vez em 1990, mas decola a partir de um avião lançador. Que o desenvolvimento fosse privado não significa que o cliente também o fosse: os dois primeiros lançamentos foram comprados pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos dentro de um programa que avaliava novos lançadores para uso da DARPA.

O Falcon 1 tinha ainda uma segunda função, menos visível e, no fim, mais importante: servir de banco de provas em voo para os componentes e os conceitos estruturais que depois seriam reaproveitados no Falcon 9. O motor Merlin 1C que estreou no terceiro voo do Falcon 1 foi o mesmo que voou nos cinco primeiros Falcon 9, e a arquitetura de tanques, a aviônica e a sequência de contagem regressiva foram herdadas quase por inteiro. Sem os cinco voos de Omelek —três deles fracassados— não existiria a família Falcon tal como é conhecida hoje.

O Falcon 1 era um lançador de dois estágios que queimava oxigênio líquido e querosene de grau foguete (RP-1) em ambos. Segundo o guia do usuário oficial da SpaceX, media cerca de vinte e um metros de altura contando os dois estágios com a coifa e o interestágio, com um diâmetro de corpo de 1,7 metros e uma coifa um pouco mais estreita, de 1,54 metros. A Astronautix dá uma massa bruta de 27.670 kg.

A estrutura primária do primeiro estágio era de liga de alumínio de grau espacial numa arquitetura monocoque graduada, com anteparo comum entre os tanques de oxigênio líquido e querosene, e estabilizada por pressão de voo. A SpaceX a descrevia como um ponto intermediário deliberado entre um projeto inteiramente estabilizado por pressão, como o do Atlas II, e um projeto isogrid mais pesado, como o do Delta II: a primeira opção é mais eficiente em massa, mas obriga a manusear o foguete pressurizado, e a segunda simplifica o manuseio em solo à custa de peso. A Wikipédia precisa que o material era liga de alumínio 2219 soldada por fricção-agitação, e que o estágio podia ser transportado sem pressurizar e ganhava rigidez ao ser pressurizado para o voo. O guia do usuário cifra a massa seca desse primeiro estágio em 3.000 lb —cerca de 1.361 kg— e seu propelente utilizável em 47.380 lb, em torno de 21.491 kg.

Um único motor Merlin o impulsionava. Os dois primeiros voos usaram o Merlin 1A, refrigerado por ablação; do terceiro em diante voou o Merlin 1C, de refrigeração regenerativa, alimentado por turbobomba em ciclo de gerador de gás. O guia do usuário lhe atribui 78.000 lbf de empuxo ao nível do mar —cerca de 347 kN— e um impulso específico no vácuo de 300 s, com um tempo nominal de combustão de 169 segundos e desligamento por esgotamento de propelente. O controle em arfagem e guinada era feito por vetorização hidráulica do bocal, e o controle em rolamento com o escape da turbobomba. A pressurização dos tanques ficava a cargo de hélio quente armazenado em depósitos de inconel sobrebobinados em material compósito fornecidos pela Arde Corporation, o mesmo modelo empregado no Delta IV da Boeing.

O segundo estágio era muito mais simples: um único motor Kestrel alimentado por pressão, sem turbobomba, com capacidade de reacendimento —uma prestação nada trivial que o quarto voo demonstrou em órbita—. O guia do usuário cifra seu empuxo no vácuo em 6,9 klbf, em torno de 31 kN, com um impulso específico no vácuo de 317 s e um tempo nominal de combustão de 418 segundos, terminado não por esgotamento, mas ao alcançar uma velocidade predeterminada. O controle de atitude em arfagem e guinada era feito com atuadores eletromecânicos sobre o bocal e o rolamento com propulsores de gás frio; o mesmo hélio quente servia para pressurizar, para os propulsores de atitude e para assentar o propelente antes de um reacendimento em ausência de peso. O motor incorporava um trocador de calor de titânio que transferia o calor residual ao hélio, e ignitores de tocha redundantes para assegurar o rearranque. O bocal era de nióbio, escolha que se mostrou providencial no segundo voo. A separação de estágios ocorria por meio de parafusos explosivos de iniciação redundante e um sistema pneumático de empuxo.

O sistema de guiamento, navegação e controle se apoiava num computador de voo reforçado classe PC/104 com um processador Pentium 586 (Geode), uma unidade de medição inercial e um receptor GPS que lhe fornecia atualizações de navegação. O conjunto incluía telemetria em banda S, transmissão de vídeo em banda S, um transponder em banda C, controle de pressão dos tanques e a distribuição de energia. Como sistema padrão de separação da carga útil, a SpaceX oferecia uma braçadeira marmon de 38 polegadas (0,9652 m); a separação era não explosiva, por meio de molas, com velocidades angulares residuais inferiores a um grau por segundo, e podia dotar-se a carga de um giro de estabilização de cerca de 6 rpm caso o cliente solicitasse.

O guia do usuário publicava as curvas de desempenho do Falcon 1 e do previsto Falcon 1e para órbitas de 185, 300, 500 e 700 km em função da inclinação, tanto em perfil direto quanto com duas queimas. As fichas de referência dão números concretos: a Gunter's Space Page atribui ao Falcon 1 operacional 470 kg em órbita baixa e 290 kg em órbita baixa equatorial, e 420 kg à versão de desenvolvimento; a Astronautix dá 420 kg numa órbita de 200 km com 9,1 graus de inclinação e 150 kg numa órbita heliossíncrona de 700 km. A Wikipédia registra a evolução do compromisso comercial: o plano inicial falava de cerca de 600 kg em órbita baixa e a capacidade acabou reduzida a cerca de 420 kg.

Quanto à precisão de inserção, e na falta de estatística de voo real, a SpaceX se comprometia no documento com um erro máximo de um décimo de grau em inclinação, cinco quilômetros no perigeu e quinze no apogeu. Dez segundos após a separação da carga, se a análise assim exigisse, o segundo estágio executava uma manobra de evitação de colisão com os propulsores de gás frio inclinados vinte graus para a frente, para não atingir o satélite com o jato.

O preço seguiu uma trajetória descendente em desempenho e ascendente em dinheiro. Em 2005, o Falcon 1 era anunciado por 5,9 milhões de dólares; entre 2006 e 2007, o preço operacional citado era de 6,7 milhões; no momento do quarto voo, em 2008, a SpaceX o situava em 7,9 milhões e se gabava de ser mais de três vezes mais barato que qualquer concorrente americano. No final de 2009, a empresa publicou 7 milhões para o Falcon 1 e 8,5 milhões para o Falcon 1e, com descontos para contratos de vários lançamentos. O preço incluía o uso do campo de lançamento, a integração padrão da carga e o seguro de responsabilidade civil perante terceiros.

O local de lançamento original seria o complexo SLC-3W da base aérea de Vandenberg, na Califórnia, mas foi abandonado na fase de disparos estáticos por conflitos persistentes de agenda com as rampas vizinhas: a Força Aérea não queria o voo de um foguete não testado antes que o último Titan IV decolasse do SLC-4E próximo. Esse impasse levou a SpaceX a construir sua própria instalação num local improvável: a ilha de Omelek, uma faixa de cerca de sete acres no atol de Kwajalein, nas Ilhas Marshall, a cerca de 2.500 milhas a sudoeste do Havaí, dentro do campo de provas Ronald Reagan do Exército dos Estados Unidos.

A ilha abrigava um hangar com a instalação de processamento de cargas úteis, com sala limpa classe 100.000 segundo a linha de base do documento oficial, uma área de escritórios para o cliente e a rampa propriamente dita. A SpaceX se orgulhava, no guia do usuário, de uma campanha de lançamento de dezoito dias e uma contagem regressiva curta, argumentos de disponibilidade frente aos campos de lançamento tradicionais. A localização equatorial —os cinco voos foram feitos para leste, com inclinações em torno de nove graus— era ideal para órbitas de baixa inclinação, e desastrosa em logística: cada foguete e cada carga tinham de ser levados até o outro extremo do Pacífico. O ar salino da ilha, além disso, acabaria tendo um papel direto no primeiro fracasso.

Chegou-se a considerar o complexo SLC-40 de Cabo Canaveral —o mesmo que depois ocuparia o Falcon 9— para lançamentos de baixa inclinação, mas nunca chegou a ser habilitado para o Falcon 1 antes da retirada do veículo. Os cinco voos partiram de Omelek.

A primeira campanha atrasou-se repetidamente. Uma tentativa de dezembro de 2005 foi abortada quando uma válvula defeituosa provocou vácuo no tanque de combustível do primeiro estágio e as paredes cederam para dentro, danificando a estrutura; foi preciso substituir o estágio inteiro. A decolagem ocorreu em 24 de março de 2006, às 22:30 UTC —a manhã do dia 25 no horário local de Omelek—, com o FalconSAT-2 da Academia da Força Aérea dos Estados Unidos, um satélite de cerca de 20 kg destinado a medir fenômenos de plasma espacial, contratado por meio da DARPA.

O voo durou menos de um minuto. O vídeo mostra um balanço perceptível desde a própria decolagem; no segundo 26, o foguete arfou bruscamente e, aos 41 segundos, impactou contra um recife morto a cerca de 250 pés da rampa. A causa foi um vazamento numa linha de combustível e o incêndio subsequente na região do motor. A SpaceX atribuiu inicialmente a falha a uma porca mal apertada, mas uma revisão posterior da DARPA concluiu que a porca estava corretamente apertada —o arame de freno continuava no lugar— e que havia cedido por corrosão provocada pelo salitre do atol. O FalconSAT-2 se separou do foguete e caiu sobre a ilha, atravessando o teto da oficina da SpaceX; os relatos sobre seu estado variam entre dano leve e grave.

A resposta foi estrutural, mais do que pontual: a ferragem de alumínio foi substituída por aço inoxidável e as verificações informáticas prévias à decolagem foram multiplicadas por trinta. A lição deste voo não foi tanto a porca quanto o ambiente: um foguete que vive exposto ao mar exige uma política de materiais diferente.

O segundo voo acumulou quase um ano de atrasos por problemas com o segundo estágio e por disponibilidade do campo de lançamento —um teste de um Minuteman III cuja reentrada caía sobre Kwajalein obrigou a mudar a data—. Em 19 de março, a tentativa foi abortada a um minuto e dois segundos da decolagem por uma falha do computador de segurança, que interpretou como perda de transmissão um atraso de hardware de alguns milissegundos. Em 21 de março, após um aborto no último segundo com o motor já aceso, o foguete decolou às 01:10 UTC com uma carga DemoSat para a DARPA e a NASA.

O primeiro estágio funcionou bem. O problema apareceu na separação: a carenagem interestágio da extremidade superior do primeiro estágio roçou o bocal do motor do segundo quando este saía do interestágio, porque o primeiro estágio girava muito mais rápido do que o previsto —cerca de 2,5 graus por segundo frente a um máximo esperado de 0,5—. Musk assinalou que o roçar não parecia ter causado dano e que fora exatamente por cenários assim que se havia escolhido uma saia de nióbio em vez de carbono-carbono. Mas o impacto descalibrou a resposta do controle vetorial. Por volta de T+4:20 apareceu uma oscilação cônica que foi crescendo; em T+5:01 o veículo começou a rolar e a telemetria útil se perdeu. O motor do segundo estágio se desligou em T+7:30 por um problema de controle de rolamento: o chapinhar do oxigênio líquido em seu tanque alimentava a oscilação, e o sistema de controle vetorial, sobrecompensando pelo impacto no bocal, não conseguiu amortecê-la. O foguete alcançou 289 km de altitude e 5,1 km/s, frente aos 7,5 km/s exigidos pela órbita, e chegou a implantar o anel simulador de massa.

A SpaceX apresentou o voo como um sucesso parcial —afirmou ter validado em voo mais de 95 % dos sistemas do Falcon 1— e propôs duas correções: defletores no tanque de oxigênio do segundo estágio para conter o chapinhar, com ajuste da lógica de controle, e um desligamento do Merlin iniciado num nível de empuxo muito mais baixo, ainda que à custa da reutilização do motor. O primeiro estágio não foi recuperado porque o dispositivo GPS de rastreamento não funcionou.

O terceiro voo estreava o Merlin 1C de refrigeração regenerativa, o motor destinado ao Falcon 9, e levava a carga mais valiosa até então: o satélite militar Trailblazer, os nanossatélites NanoSail-D e PRESat da NASA —de cerca de 4 kg cada um, em formato cubesat de três unidades— e uma cápsula de restos incinerados da Celestis, na qual viajavam as cinzas do astronauta Gordon Cooper e do ator James Doohan.

A contagem regressiva foi acidentada. Uma tentativa anterior atrasou-se pela carga lenta de hélio, que deixou o veículo num estado prematuro de lançamento ao expor combustível e oxidante ao hélio criogênico; a seguinte foi abortada meio segundo antes da decolagem pela leitura errônea de um sensor. Com vinte e cinco minutos de janela restantes, o Falcon 1 decolou de Omelek às 03:35 UTC. O primeiro estágio voou, nas palavras de Musk, de forma impecável: atravessou a barreira do som e a pressão dinâmica máxima sem incidentes, e a estreia do Merlin 1C se saldou com nota alta.

A falha ocorreu na separação, cerca de dois minutos e meio depois da decolagem. O Merlin 1C completou sua combustão, mas o empuxo demorou mais do que o previsto para cair: o propelente residual no motor evaporou e continuou produzindo um empuxo transitório, de modo que o primeiro estágio recontatou o segundo justo quando ambos se separavam, deixando o estágio superior descontrolado. A SpaceX cortou abruptamente o sinal da câmera de bordo segundos antes do evento. Nenhuma das cargas alcançou a órbita.

O chamativo do diagnóstico é sua modéstia: o resumo de missão da SpaceX concluiu que o voo 4 podia seguir em frente sem nenhuma melhoria tecnológica, porque bastava alargar o intervalo entre o desligamento do motor do primeiro estágio e a ordem de separação. Um foguete perdido por cinco segundos de cronograma interno. Anos depois, Musk assumiria publicamente a responsabilidade pelos três fracassos e reconheceria que exercia de engenheiro-chefe não por escolha, mas porque não conseguia contratar ninguém melhor disposto a aceitar o cargo.

O quarto Falcon 1 foi montado em seis semanas com as peças disponíveis, e era literalmente a última bala: Musk explicou que havia ficado sem dinheiro, com a Tesla e a SolarCity absorvendo capital, uma rodada de financiamento fracassada naquele verão e a recessão já batendo à porta. Para ganhar tempo, fretou-se um Boeing C-17 Globemaster III que levou o foguete a Kwajalein; durante o voo, a repressurização superou o que a equipe esperava segundo o manual da aeronave e o foguete implodiu parcialmente, de modo que foi preciso repará-lo às pressas, ainda em trânsito.

Decolou de Omelek em 28 de setembro de 2008, às 23:15 UTC, quinze minutos depois de aberta uma janela de cinco horas. O Merlin 1C alcançou seus 78.000 lbf de empuxo e o veículo voou rumo ao leste. O primeiro estágio completou sua combustão aos dois minutos e meio e se separou cinco segundos depois —o momento exato em que havia morrido o voo anterior—, desta vez sem incidentes; o segundo estágio acendeu o Kestrel e as duas metades da coifa se soltaram meio minuto mais tarde. O Kestrel queimou cerca de sete minutos e se desligou nove minutos e trinta e um segundos após a decolagem, com o foguete já em órbita. Depois de um período de deriva, o motor voltou a acender para circularizar, demonstrando em voo a capacidade de reacendimento do estágio superior.

A carga era um simulador de massa hexagonal de liga de alumínio, de cerca de 165 kg (364 libras) e metro e meio de altura, construído pela SpaceX para essa missão, batizado Ratsat pelo adesivo que alguém lhe colou. Permaneceu unido ao segundo estágio. Os parâmetros orbitais publicados divergem conforme a fonte: a nota de imprensa da SpaceX falou de uma órbita elíptica de 500 por 700 km com 9,2 graus de inclinação, «exatamente a buscada»; a Spaceflight Now, com dados de rastreamento militar, deu uma órbita inicial de 205 por 404 milhas e uma inclinação de 9,3 graus, e uma circularização final pouco abaixo das 400 milhas; a Wikipédia registra uma órbita inicial de 330 por 650 km e uma final de 621 por 643 km com 9,35 graus, e a Astronautix cataloga 622 por 643 km com 9,3 graus. A divergência fica registrada na ficha.

Com esse voo, o Falcon 1 se tornou o primeiro lançador de propelente líquido desenvolvido e financiado com capital privado a alcançar a órbita terrestre. Musk resumiu-o sem épica: mais alívio do que euforia depois de seis anos de trabalho. O primeiro estágio, que em teoria deveria descer de paraquedas para sua recuperação no mar, não sobreviveu à reentrada; a equipe já sabia disso de antemão, porque não houvera tempo de melhorar sua proteção térmica.

O quinto e último voo foi o único que levou uma carga comercial real. O RazakSAT era um satélite de observação terrestre malaio de cerca de 180 kg construído pela ATSB, hexagonal e com pouco mais de um metro de altura, com uma câmera de abertura média capaz de 2,5 metros de resolução em pancromático e cerca de 5 metros em cor. Estava entre os primeiros contratos da SpaceX e deveria ter voado no quarto Falcon 1, mas Musk decidiu não arriscar o satélite de um cliente antes de completar com sucesso um voo de teste.

A campanha teve seu próprio atraso: menos de uma semana antes da data de abril de 2009, detectou-se uma preocupação de compatibilidade entre o satélite e o lançador —níveis de vibração previstos que podiam afetar a carga— e o voo foi adiado algumas semanas. A nova janela se abriu em 13 de julho. A decolagem ocorreu às 03:35 UTC de 14 de julho de 2009 (a noite do dia 13 no horário do leste dos Estados Unidos), com mais de quatro horas de atraso por um problema no sistema de hélio e por pancadas de chuva sobre a ilha.

O perfil foi nominal: passagem pela velocidade do som em menos de um minuto, desligamento e separação do primeiro estágio por volta dos dois minutos e meio, ignição do Kestrel, liberação da coifa passado o minuto três e primeiro desligamento do segundo estágio aos nove minutos e meio. Após uma deriva balística, o Kestrel voltou a acender para circularizar e o RazakSAT se separou cerca de uma hora depois da decolagem. A Astronautix cataloga a órbita resultante em 665 por 690 km com 9 graus de inclinação. Musk descreveu a inserção como um tiro certeiro.

A órbita equatorial baixa era a razão de ser da missão: permitia ao RazakSAT sobrevoar a Malásia até uma dúzia de vezes ao dia, muito acima do que consegue um satélite de observação em órbita heliossíncrona, para aplicações de agricultura, vigilância ambiental, silvicultura, cartografia, transporte e planejamento urbano. O estágio superior daquele voo continuava em órbita baixa anos depois.

Ainda antes do primeiro sucesso, a SpaceX já publicava as prestações de uma versão aprimorada. O Falcon 1e deveria entrar em serviço no segundo trimestre de 2010 com um primeiro estágio alongado —90 pés frente aos 70 do conjunto original, segundo a tabela comparativa do guia do usuário—, reforçado para suportar cargas axiais maiores e equipado com um Merlin 1C explorado em plena capacidade, com 125 klbf de empuxo ao nível do mar, da ordem de 556 kN, e um impulso específico no vácuo de 304 s. A massa seca do estágio subia para 5.680 lb e o propelente utilizável para 87.000 lb. A coifa crescia até 1,7 metros e mudava de material: ogiva de material compósito em vez de revestimento e reforçadores de alumínio, com duas portas de acesso de série. O segundo estágio era comum ao do Falcon 1.

O ganho era substancial: a Gunter's Space Page atribui ao Falcon 1e 1.010 kg em órbita baixa, frente aos 470 kg do Falcon 1, ou seja, pouco mais do dobro. O preço anunciado no final de 2009 foi de 8,5 milhões de dólares, embora a Wikipédia também registre uma projeção de cerca de 1.000 kg por onze milhões.

Nunca voou. A introdução foi adiada primeiro para 2012 pela prioridade do Falcon 9, e finalmente a SpaceX retirou o veículo do mercado alegando demanda insuficiente. As cargas contratadas para o Falcon 1 e o Falcon 1e acabaram realocadas: em 2012 a empresa anunciou que voariam como cargas secundárias no Falcon 9.

Depois do voo do RazakSAT não houve mais. Os lançamentos previstos foram adiados, depois cancelados, e o veículo foi retirado de serviço, com uma explicação da própria empresa tão escassa quanto reveladora: não conseguiram fazer do Falcon 1 um negócio. O pequeno lançador foi aposentado em 2009 em favor do Falcon 9 v1.0, e o mercado de satélites pequenos que pretendia abrir levaria quase uma década para se preencher com outros veículos.

Seria um erro medir o Falcon 1 pelo seu balanço comercial. Cinco voos, dois sucessos, uma única carga paga e nenhum lucro; e, no entanto, é o veículo que ensinou a SpaceX a construir foguetes. Dele saíram o Merlin em sua versão regenerativa, a arquitetura de tanques de alumínio soldados por fricção-agitação, o sistema de retenção antes da decolagem que verifica o motor em plena potência com o foguete ainda preso, a aviônica baseada em hardware comercial, a prática de projetar e testar quase tudo internamente em vez de subcontratar, e uma cultura de investigação de falhas rápida e pública. Os três fracassos consecutivos e o quarto voo salvo com o último dinheiro disponível formam o episódio fundacional da empresa, e explicam por que o Falcon 9 chegou à rampa com uma parte importante de seu projeto já testada em voo.

Também deixou um dado que a indústria demorou a assimilar: uma empresa privada, com menos de cem milhões de dólares e seis anos, podia colocar algo em órbita. Até 2008, isso havia sido, nas palavras do próprio Musk, coisa de países, e não de empresas.