Введение
Falcon 1 – небольшая ракета-носитель, эксплуатировавшаяся с 2006 по 2009 год американским производителем аэрокосмической техники SpaceX. 28 сентября 2008 года Falcon 1 стала первой частной ракетой-носителем, работающей на полностью жидком топливе, вышедшей на орбиту вокруг Земли. Двухступенчатая ракета использовала LOX/RP-1 на обеих ступенях: первая оснащалась одним двигателем Merlin, а вторая – одним двигателем Kestrel. Ракета была запущена в общей сложности пять раз. После трех неудачных попыток запуска Falcon 1 достигла орбиты на четвертой попытке в сентябре 2008 года, неся в качестве полезной нагрузки массу-симулятор. 14 июля 2009 года Falcon 1 совершила свой второй успешный полет, выведя на орбиту малайзийский спутник RazakSAT в рамках первого коммерческого запуска SpaceX (пятого и последнего запуска в целом). После этого полета Falcon 1 была снята с производства и заменена Falcon 9. SpaceX также объявила о разработке улучшенной версии Falcon 1e. Единственными другими орбитальными ракетами-носителями, финансируемыми и разрабатываемыми частными компаниями, были Conestoga в 1982 году и Pegasus, впервые запущенная в 1990 году, использующая большой самолет в качестве стартовой площадки. Общая стоимость разработки Falcon 1 составила приблизительно 90–100 миллионов долларов США. Хотя разработка Falcon 1 финансировалась частным образом, первые два запуска были приобретены Министерством обороны США в рамках программы оценки новых американских ракет-носителей, подходящих для использования DARPA.
Falcon 1 was a small lift launch vehicle that was operated from 2006 to 2009 by SpaceX, an American aerospace manufacturer. On 28 September 2008, Falcon 1 became the first privately developed fully liquid fueled launch vehicle to go into orbit around the Earth. The two stage to orbit rocket used LOX/RP 1 for both stages, the first powered by a single Merlin engine, and the second powered by a single Kestrel engine. The vehicle was launched a total of five times. After three failed launch attempts, Falcon 1 achieved orbit on its fourth attempt in September 2008 with a mass simulator as a payload. On 14 July 2009, Falcon 1 made its second successful flight, delivering the Malaysian RazakSAT satellite to orbit on SpaceX's first commercial launch (fifth and final launch overall). Following this flight, the Falcon 1 was retired and succeeded by Falcon 9. SpaceX had announced an enhanced variant, the Falcon 1e,
The only other orbital launch vehicles to be privately funded and developed were the Conestoga in 1982; and Pegasus, first launched in 1990, which uses a large aircraft as its launch platform. The total development cost of Falcon 1 was approximately US$90 million to US$100 million. While the development of Falcon 1 was privately funded, the first two Falcon 1 launches were purchased by the United States Department of Defense under a program that evaluates new US launch vehicles suitable for use by DARPA.
Отмененные запуски
В рамках контракта на 15 миллионов долларов США, Falcon 1 должен был вывести на орбиту TacSat 1 в 2005 году. К концу мая 2005 года SpaceX заявила, что Falcon 1 готов к запуску TacSat 1 с космодрома Ванденберг. Однако ВВС не хотели допускать запуск неиспытанной ракеты до завершения последней миссии ракеты-носителя Titan IV с расположенного поблизости стартового комплекса SLC 4E. Последующие и неоднократные задержки, вызванные неудачами запусков Falcon 1, отложили запуск TacSat 1. После запуска TacSat 2 на ракете-носителе Minotaur I компании Orbital Sciences 16 декабря 2006 года, Министерство обороны пересмотрело необходимость запуска TacSat 1. В августе 2007 года Министерство обороны отменило запланированный запуск TacSat 1, поскольку все задачи, которые должны были быть выполнены в рамках программы TacSat, были достигнуты. Обновление на веб-сайте SpaceX, опубликованное в августе 2005 года, указывало на 6 запланированных запусков Falcon 1 с клиентами, включая MDA Corp (CASSIOPE, который в конечном итоге был запущен в 2013 году на Falcon 9), Swedish Space Corp и ВВС США.
Дизайн
Согласно SpaceX, Falcon 1 был разработан для минимизации стоимости запуска спутников на низкую околоземную орбиту, повышения надежности и оптимизации условий полета и сроков подготовки к запуску. Он также использовался для проверки компонентов и конструкторских решений, которые впоследствии были применены в Falcon 9. SpaceX исходил из того, что наименьшая полезная орбитальная ракета – это минимально жизнеспособный продукт (Falcon 1, способный вывести груз на орбиту), вместо того чтобы создавать что-то большее и сложное, а затем столкнуться с нехваткой средств и банкротством.
Первый этап
Первая ступень была изготовлена из алюминиевого сплава 2219, сваренного методом фрикционной сварки перемешиванием. Она использует общую переборку между баками LOX и RP-1, а также стабилизацию давления в полете. Её можно безопасно транспортировать без наддува (как и более тяжелая конструкция изорешетки Delta II), но она приобретает дополнительную прочность при наддуве для полета (как Atlas II, который не мог транспортироваться без наддува). Парашютная система, разработанная корпорацией Irvin Parachute Corporation, использует высокоскоростной тормозной парашют и основной парашют. Для первых двух запусков Falcon 1 использовался двигатель Merlin 1A. Улучшенная версия Merlin 1A, Merlin 1B, планировалась для использования на более поздних запусках Falcon 1, однако она была дополнительно улучшена для создания Merlin 1C, который впервые был использован на третьем запуске Falcon 1 и на первых пяти запусках Falcon 9. Первая ступень Falcon 1 приводилась в действие одним двигателем Merlin 1C с насосной подачей топлива, работающим на RP-1 и жидком кислороде, обеспечивающим тягу на уровне моря и удельный импульс 245 с (удельный импульс в вакууме 290 с). Давление в баках обеспечивалось композитными сосудами высокого давления с обмоткой, изготовленными корпорацией Arde из сплава инконеля, аналогичными тем, что использовались в Delta III. Вторая ступень приводилась в действие двигателем Kestrel с прямой подачей топлива, обеспечивающим тягу в вакууме и удельный импульс в вакууме 330 с. Вторая ступень не была предназначена для повторного использования. В 2005 году Falcon 1 рекламировалась по цене 5,9 миллиона долларов США (7,3 миллиона долларов США с учетом инфляции в 2015 году). В период с 2006 по 2007 год заявленная цена ракеты в рабочем состоянии составляла 6,7 миллиона долларов США. В конце 2009 года SpaceX объявила новые цены на Falcon 1 и 1e в размере 7 миллионов и 8,5 миллиона долларов США соответственно, с небольшими скидками для многоразовых контрактов на запуск, что, по прогнозам, обеспечит примерно 11 миллионов долларов США. Несколько лет назад SpaceX планировала открыть рынок запуска малых спутников с помощью Falcon 1, которая первоначально должна была выводить на НОО около 600 килограммов за 6 миллионов долларов США; полезная нагрузка позже снизилась примерно до по мере увеличения цены до 9 миллионов долларов США. Позже Falcon 1e должна была обеспечить приблизительно за 11 миллионов долларов США, но компания сняла ракету с рынка, ссылаясь на ограниченный спрос.
Место запуска
Все полеты осуществлялись с атолла Кваджалейн с использованием пусковой установки SpaceX на острове Омелек и средств слежения и управления испытательного полигона Рейгана. Космический стартовый комплекс 3W на базе Вандэнберг ВВС был изначально предназначен для запусков Falcon 1, но был заброшен на этапе огневых испытаний из-за постоянных конфликтов расписания со смежными стартовыми площадками. Космический пусковой комплекс 40 (площадка для Falcon 9) на авиабазе Кабо-Канаверал рассматривался как место для запусков Falcon 1, но так и не был разработан до прекращения эксплуатации Falcon 1.
Варианты
Falcon 1 Версии Merlin A; 2006–2007 Merlin C; 2007–2009 Falcon 1e (предлагаемая) Этап 1 1 × Merlin 1A 1 × Merlin 1C 1 × Merlin 1C Этап 2 1 × Kestrel 1 × Kestrel 1 × Kestrel Высота (макс.; м) 21.3 22.25 26.83 Диаметр 1.7 (5.57743 ft) 1.7 (5.57743 ft) 1.7 (5.57743 ft) Начальная тяга (кН) 318 (71489.2 lbf) 343 (77109.5 lbf) 454 (102063 Взлетная масса (тонны) 27.2 33.23 38.56 Диаметр обтекателя (внутренний; м) 1.5 1.5 1.71 Полезная нагрузка (LEO 185 км; кг) 420 470 (290 к полярной) 1010 (430 к полярной) Цена (млн. USD) 6.7 7 10.9 Минимальная Цена/кг (LEO 185 км; USD) ~14 000 ~14 000 ~8400 (~20 000 к полярной) Коэффициент успешности (успешных/общее число) 0/2 2/3 —
Первый полет
Последовательность запуска (пример первого полета); временная шкала указана в секундах. Первый полет Falcon 1 был несколько раз отложен из-за различных технических проблем с новым аппаратом. Конфликты в расписании с запуском Titan IV с авиабазы Ванденберг также привели к задержкам и переносу запуска на испытательный полигон Рейгана на атолле Кваджалейн. Первый запуск был запланирован на 31 октября 2005 года, но был отложен, а затем перенесен на 25 ноября, который также не состоялся. Еще одна попытка была предпринята 19 декабря 2005 года, но была прервана из-за неисправного клапана, который вызвал вакуум в топливном баке первой ступени, что привело к его вдавливанию и структурным повреждениям. После замены первой ступени Falcon 1 был запущен в субботу, 25 марта 2006 года в 09:30 по местному времени. Полезной нагрузкой DARPA был FalconSAT–2 Военно-воздушной академии США, предназначенный для измерения явлений космической плазмы. Запуск состоялся в субботу, 24 марта 2006 года в 22:30 UTC, со стартовой площадки SpaceX на острове Омелек в составе Маршалловых островов. Он завершился неудачей менее чем через минуту после начала полета из-за утечки топлива и последовавшего за этим пожара. Аппарат демонстрировал заметную рыскающую (rolling) траекторию после взлета, как видно на видеозаписи запуска, слегка покачиваясь вперед-назад, а затем, на 26-й секунде (T+26), резко перешел в режим пикирования. Столкновение произошло на 41-й секунде (T+41) с мертвым коралловым рифом примерно в 76 метрах от стартовой площадки. Полезная нагрузка FalconSAT–2 отделилась от ракеты-носителя и приземлилась на остров, сообщения о повреждениях варьировались от незначительных до значительных. SpaceX первоначально связала пожар с неплотно затянутой гайкой топливопровода. Последующий анализ DARPA показал, что гайка была затянута правильно, поскольку ее стопорная проволока оставалась на месте, однако произошел отказ из-за коррозии, вызванной брызгами соленой воды. SpaceX внесла многочисленные изменения в конструкцию ракеты и программное обеспечение для предотвращения подобных сбоев, включая замену алюминиевых деталей на стальные (которые, на самом деле, дешевле, хотя и немного тяжелее) и увеличение в тридцать раз количества компьютерных проверок перед запуском.
Второй полет
Второй испытательный полет был первоначально запланирован на январь 2007 года, но был отложен из-за проблем со второй ступенью. До января SpaceX заявляла о возможных датах запуска, последовательно перенося их с сентября 2006 года на ноябрь и декабрь. В декабре запуск был перенесен на 9 марта, но затем отложен из-за проблем с доступностью полигона, вызванных испытательным полетом Minuteman III, который должен был войти в атмосферу над Кваджелейном. Попытка запуска 19 марта была отложена на 45 минут с 23:00 GMT из-за проблем с передачей данных, а затем отменена за 1 минуту 2 секунды до старта в 23:45 из-за компьютерной неисправности: бортовой компьютер безопасности ошибочно зафиксировал сбой в передаче, вызванный аппаратной задержкой в несколько миллисекунд. Попытка 20 марта была отложена на 65 минут с первоначально запланированного времени 23:00 из-за проблем со связью между одним из экспериментов NASA в полезной нагрузке и системой TDRS. Первая попытка запуска 21 марта 2007 года была прервана в 00:05 GMT в последнюю секунду перед стартом, после того как двигатель был запущен. Однако было принято решение предпринять еще одну попытку запуска в тот же день. Ракета успешно стартовала с пусковой площадки в 01:10 GMT 21 марта 2007 года с полезной нагрузкой DemoSat для DARPA и NASA. Первая ступень работала штатно. Однако во время разделения ступеней обтекатель межступенчатого отсека задел колокол двигателя второй ступени. Удар произошел при выходе сопла второй ступени из межступенчатого отсека, при этом первая ступень вращалась значительно быстрее, чем ожидалось (скорость вращения около 2,5°/с против ожидаемых 0,5°/с максимум), что привело к контакту с ниобиевым соплом второй ступени. Илон Маск сообщил, что удар, по всей видимости, не причинил повреждений, и что выбор ниобиевого кожуха вместо углерод-углеродного композита был сделан для предотвращения серьезных повреждений в подобных ситуациях. Вскоре после запуска второй ступени, как и было запланировано, отделилось стабилизирующее кольцо от колокола двигателя. Примерно на T+4:20 началась круговая конусообразная колебация, которая увеличивалась в амплитуде до потери видеосигнала. На T+5:01 аппарат начал вращаться, и передача телеметрических данных прекратилась. По словам Илона Маска, двигатель второй ступени выключился на T+7:30 из-за проблем с управлением ориентацией. Раскачивание топлива в баке с жидким кислородом усилило колебания. Обычно эти колебания гасились системой управления вектором тяги второй ступени, но удар по соплу второй ступени во время разделения ступеней привел к чрезмерной коррекции. О состоянии первой ступени ничего не известно; она не была обнаружена из-за неисправности GPS-трекера. Ракета достигла максимальной высоты и скорости 5,1 км/с, в то время как для выхода на орбиту требовалось 7,5 км/с. SpaceX охарактеризовала испытательный полет как успешный, подтвердив работоспособность более 95% систем Falcon 1 в полете. Основными задачами этого запуска были тестирование оперативных процедур запуска и сбор данных.
Четвертый рейс
После трех предыдущих неудач команда SpaceX собрала четвертую ракету, используя имеющиеся детали за шесть недель, как последний шанс для компании. Для быстрой доставки ракеты был зафрахтован Boeing C-17 Globemaster III, но во время транспортировки ракета частично разрушилась из-за разгерметизации, превысившей расчетные значения, основанные на руководстве к C-17. Ракете потребовался экстренный ремонт, чтобы избежать окончательной потери. Несмотря на возникшие трудности, четвертый запуск ракеты Falcon 1 успешно состоялся 28 сентября 2008 года, выведя на низкую околоземную орбиту нефункциональный макет космического аппарата массой 165 килограммов (363 фунта). Старт произошел 28 сентября в 23:15 UTC, через 15 минут после начала 5-часового стартового окна. Если бы запуск был отменен, его можно было бы осуществить в течение того же окна до 1 октября. Через 9 минут 31 секунду после старта двигатель второй ступени был выключен после выхода аппарата на орбиту. После периода свободного полета вторая ступень повторно запустилась и успешно выполнила второй импульс, в результате чего была достигнута конечная орбита 621 × 643 км × 9,35°. Ракета следовала по той же траектории, что и предыдущий полет, который не смог вывести на орбиту космические аппараты Trailblazer, NanoSail D, PRESat и Celestis Explorers. В конструкцию ракеты не было внесено существенных изменений, за исключением увеличения времени между окончанием работы первой ступени и отделением второй ступени. Это незначительное изменение устранило проблему, возникшую на предыдущем полете – повторный контакт между первой и второй ступенями, за счет рассеивания остаточной тяги двигателя первой ступени перед их разделением. По состоянию на 2021 год Ratsat и пристыкованная ко второй ступени аппаратура продолжают находиться на орбите.
Пятый рейс
SpaceX объявила о завершении строительства пятой ракеты Falcon 1 и транспортировке ракеты в стартовый комплекс на атолле Кваджалейн, где планировался её запуск 21 апреля 2009 года, что соответствовало 20 апреля 2009 года по времени в Соединенных Штатах. Менее чем за неделю до запланированной даты запуска малайзийские СМИ сообщили об обнаружении в ракете небезопасного уровня вибрации, устранение которого, по оценкам, займет около шести недель. 20 апреля 2009 года SpaceX опубликовала пресс-релиз об отсрочке запуска в связи с потенциальной проблемой совместимости между космическим аппаратом RazakSAT и ракетой-носителем Falcon 1. Была выявлена обеспокоенность относительно возможного влияния прогнозируемых условий полёта на спутник. 1 июня SpaceX объявила, что следующее окно запуска откроется в понедельник, 13 июля, и продлится до вторника, 14 июля, с ежедневным окном, начинающимся в 21:00 UTC (09:00 по местному времени). Запуск, состоявшийся в понедельник, 13 июля, был успешным, и RazakSAT был выведен на предварительную опорную орбиту. Через 38 минут повторно включился двигатель второй ступени ракеты для перехода на круговую орбиту. Затем полезная нагрузка была успешно отделена. После запуска Илон Маск, основатель и генеральный директор SpaceX, сообщил журналисту об успехе миссии. "Мы вывели спутник на орбиту с точностью, значительно превосходящей целевые параметры – практически в точку", – сказал Маск.
Конец программы
После пятого запуска последующие запуски Falcon 1 были отложены, а затем отменены, и ракета была снята с эксплуатации. SpaceX заявила: «Мы не смогли сделать Falcon 1 прибыльным предприятием».