SpaceX Falcon1 ファルコン1 ロケット システム設計 (第1回目), Falcon1 Rocket System Design(1)

SpaceX Falcon1 ファルコン1 ロケット システム設計 (第1回目)
SpaceX Falcon1 Rocket System Design (1)

Update:2020.09.12

English Version

Falcon 1 ロケットは、SpaceXが手がけた最初の軌道投入用ロケットである。このロケットは、後に続く全ての計画の先駆けであり、Falcon5（開発中止）、Falcon 9 ロケットの設計思想の元になった。このため、Falcon1ロケットのシステム設計を読み解くことで、彼らのロケット開発に対する技術的スタンスを解読できる。

最近の垂直離着陸するFalcon9等は別として、具体的に、SpaceX製ロケットのどの点が技術的に他と異なるのか、解説してる記事がほとんどないので、考えた事を含めてまとめる。第1回目は、Falcon1のシステム設計の概要について解説する。「高信頼性」を軸に、合理的に設計した結果がFalcon1ロケットである。

　　　　　　

1．Falcon 1の設計思想

1. 単純性、信頼性、低コストの3要素を設計思想の柱としている。（SpaceX 企業思想）
2. イーロンマスク自身が、最初の段階でロケットのシステム構成を設計し、コストを弾いている。これは、ロシアからICBMを宇宙ロケットとして購入するのを失敗した帰り際、小型衛星を打上げる自作ロケットを製造する場合、どの程度の値段になるか、自ら詳細にコストを弾いた逸話があり、これが後のFalcon 1になったと筆者は考える。
3. イーロンマスクは、物理学を基に合理的に判断する傾向がある。（スタンフォード大学博士課程 高エネルギー物理学専攻中退）このため、Falcon1 ロケットのシステム設計も、合理的な手法を取っている。
4. 全段再利用することを念頭に設計された。（実際は1段目のみ想定、実現化していない）
5. 小型衛星打上げロケットとして開発されたが、Falcon 5、Falcon 9への布石であり、その意味で技術実証型ロケットでもある。
6. 時間通りに打上げる信頼性を念頭に置き、設計されている。
7. 設計マージンを取ることで、風や悪天候に対するロバスト性を確保。
8. 18日間という、短い期間でのロケット打上げ作業に対応。（通常は、数週間～数ヶ月間）
9. 悪天候に強い、短い準備期間により、限られた期限内の打上げに対応。
10. ロケットエンジン、極低温タンク、アビオニクス、誘導制御ソフトウェア、地上支援装置等の大半を自社内製化。

References
[1] 新型ロケットで実現する世界初のモバイル管制
    http://www.jaxa.jp/article/interview/vol58/index_j.html
[2] How long does rocket launch preparation take?
    https://www.quora.com/How-long-does-rocket-launch-preparation-take
[3] 「次のジョブズ」はこの男だ！ 未来を創る男イーロン・マスク、ミサイルを買いにロシアへ飛ぶ,
      http://gendai.ismedia.jp/articles/-/45301

2．Falcon 1は、ミニ版デルタロケット？

Falcon1の次に、Falcon5の開発を目指しており（結局中止された）、Falcon5は元々DeltaIIに対抗するために開発予定であった。このため、Falcon1は、Falcon5のミニ版構成であり、それは即ちDelta系列ロケットのミニ版と考えると、色々共通点が見つかる。

固体ブースターを除くと、Delta系列のDelta 1000, Delta 2000のミニ版に近い。ピントルインジェクター型の第2段目ロケットエンジン：TR-201、ケロシン／LOX系のMB-3、RS-27ロケットエンジン等、推進系も似通っている。

References
[4] Delta 2000, http://www.astronautix.com/d/delta2000.html
[5] Falcon 1 Launch Vehicle Payload User’s Guide Rev.7, SpaceX

3．過去のロケット失敗事例を研究して設計されたFalcon1

Falcon1は、何よりも「高い信頼性」を重視して設計されている。このため、開発設計時に、過去の宇宙ロケットの失敗事例が徹底的に研究された。その結果、次のシステム仕様となった。これらは、Falcon9ロケットでも同じである。

1. 2段式ロケット
2. ピントルインジェクター型ロケットエンジン
3. ロバスト性、冗長性を持ったアビオニクス（電子機器）

1980～2000年代まで、過去20年間の宇宙ロケット打ち上げ失敗の主な要因は、以下の3つである。Aerospace Corporationの分析によると、91%の失敗原因は、これら3つのサブシステムに起因しているとされる。

1. ロケットの分離失敗
2. ロケットエンジン
3. アビオニクス

3-1．2段式ロケット

分離機構を増すほどロケットの失敗確率は上がり、信頼性は低下する。ロケットの分離機構と分離イベントを最小限にするため、2段式ロケットが採用された。これはSSTOが実現していない現在において、最小のシステム構成である。

固体ロケットブースターを装備していないFalcon1は、仮想的な3段式ロケットとも見なす事は出来ない。つまり、Falcon1は、「真の2段式ロケット」である。一方この選択は、2段目ロケットエンジンに対して、高い性能（比推力）が求められることになる。

3-2．ピントルインジェクター型ロケットエンジン

ロケットエンジンは、新規開発の物を第1段目、第2段目に1基ずつ配置している。クラスタリングを行わず、両方とも最低限のロケットエンジン（1基ずつ）の配置である。

これらは搭載数を信頼性の観点から1基ずつとしている。ロケットエンジンが失敗の主要因の1つのため、搭載する数も最小構成にするべきという考え方である。ただ一般的には、新規開発のロケットで、新規開発のロケットエンジンを搭載する場合、いきなり複数個搭載するクラスタリングは避ける。新規要素が多くなり、開発難易度が高まるためだ。

オペレータ制御を介さずにスタートさせるロケットエンジンは、第2段目のみであり、失敗確率を低減している。

搭載されているのは、ピントルインジェクター型のロケットエンジンであり、Merlin 1Aと、Kestrel を社内で新規開発している。ピントルインジェクター型ロケットエンジンの利点や特徴については、過去の記事で紹介しているので参考にして欲しい。（以下リンク参照）



SpaceXとロケットエンジンのピントルインジェクター (第1回), SpaceX and Rocket Engine Pintle Injector (1)
https://orbitseals.blogspot.jp/2018/04/spacex-1-spacex-and-rocket-engine.html


SpaceXとロケットエンジンのピントルインジェクター (第2回), SpaceX and Rocket Engine Pintle Injector (2)
https://orbitseals.blogspot.jp/2018/04/spacex-2-spacex-and-rocket-engine.html



これらのエンジンは、高いロバスト性、高い構造設計マージン、冗長性のある点火システムを持っている。ピントルインジェクターについては、過去の記事で紹介したが、SpaceXがロケットエンジンを開発製造する上でも、運用する上でも、キーテクノロジーであった。

ピントルインジェクターを使用したロケットエンジンとして、アポロ月面着陸船で有人使用が実証されたLMDEがある。また、Deltaロケット系で第2段目として開発されたTR-201は、2段目に起因する失敗は、77回中0回と、100%の信頼性を達成した。このことからも、信頼性が高いエンジンに仕上がることが分かる。

第1段目ロケットエンジンは、エンジンが点火・始動しても、発射台にある程度とどまり、直ちに打ちあがらない。エンジン始動後、ロケットエンジン推力等を監視し、健全性を確認した後に打上げるシステムとなっているからである。

健全性が確認できない場合は、打ち上げは自動的に中断される。これにより、エンジン性能に起因する打上げ失敗を防ぐ。

Reference
[6] TR-201, http://www.astronautix.com/t/tr-201.html
[7] 衛星打上げロケットの高機能・低コスト化に関する検討, USEF, 2009

3-3．アビオニクス

イーロンマスクが、ZIP２、Paypal（X.com）の創業者であり、シリコンバレー文化に基づいて、電子機器については、民生品を転用、最新の物を利用している。

ロバスト性と冗長性を確保し、最新の民間電子機器を搭載することで、低コスト化を図る。例えば、データ通信用には、Ethernetを利用し、ロケット搭載機器にFPGAを使用しているとみられる等、新たに民生規格の物を取り込んでいる。



◆次回に続きます

SpaceX Falcon1 ファルコン1 ロケット システム設計 第2回目, Falcon1 Rocket System Design(2)
https://orbitseals.blogspot.jp/2018/05/spacex-falcon1-1-falcon1-rocket-system.html

　　　　　　

English Version

The Falcon 1 rocket was the first orbital launcher worked on by SpaceX. It was the forerunner of all subsequent programs and was the basis of the design philosophy for the Falcon 5 (discontinued) and Falcon 9 rockets. Therefore, by reading the system design of the Falcon 1 rocket, we can decipher their technical stance on rocket development.

Aside from the recent Falcon 9 and others that take off and land vertically, there are few articles that specifically explain what makes SpaceX rockets technically different from others, so I will summarize them including my thoughts. In the first article, I will explain the outline of Falcon1 system design. Falcon1 rocket is the result of rational design based on "high reliability".

1．Design Concept of Falcon1 rocket

1. The three pillars of SpaceX's design philosophy are simplicity, reliability and low cost. (Their corporate philosophy.)
2. Elon Musk himself designed the system configuration of the rocket in the first place and played up the cost. When he was returning from a failed attempt to purchase an ICBM from Russia as a space launch vehicle, he played the cost of building his own rocket to launch a small satellite in detail, which, in this writer's opinion, became Falcon 1.
3. Elon Musk tended to make rational decisions based on physics. For this reason, the system design of the Falcon 1 rocket also took a rational approach.
4. The system design of Falcon1 rocket was designed with reuse of all stages in mind. (In reality, only the first stage was assumed and not realized.
5. It was developed as a small satellite launch vehicle, but it is a stepping stone to Falcon 5 and Falcon 9, and in that sense, it is also a technology demonstration rocket.
6. It was designed with on-time launch reliability in mind.
7. Robustness to wind and bad weather is ensured by the design margin.
8. The Falcon 1 is designed for rocket launch operations in as short a time as 18 days (typically several weeks to several months). (Typically several weeks to several months)
9. Falcon 1 is resistant to adverse weather conditions and its short preparation time allows it to launch within a limited deadline.
10. The majority of the equipment, including rocket engines, cryogenic tanks, avionics, guidance and control software, and ground support equipment, is manufactured in-house.

References
[1] 新型ロケットで実現する世界初のモバイル管制
    http://www.jaxa.jp/article/interview/vol58/index_j.html
[2] How long does rocket launch preparation take?
    https://www.quora.com/How-long-does-rocket-launch-preparation-take
[3] 「次のジョブズ」はこの男だ！ 未来を創る男イーロン・マスク、ミサイルを買いにロシアへ飛ぶ,
      http://gendai.ismedia.jp/articles/-/45301

2．Is the Falcon 1 a mini version of the Delta rocket?

After Falcon1, the next step was to develop Falcon5 (which was eventually cancelled), and Falcon5 was originally intended to be developed to compete with Delta II. Therefore, Falcon 1 is a mini-version of Falcon 5, which is a mini-version of Delta series rocket, we can find many common points.

If the solid booster is excluded, it is close to the mini version of Delta series Delta 1000 and Delta 2000. Second stage rocket engine of pintle injector type: TR-201, MB-3 of kerosene/LOX series, RS-27 rocket engine, etc. The propulsion system is also similar.

References
[4] Delta 2000, http://www.astronautix.com/d/delta2000.html
[5] Falcon 1 Launch Vehicle Payload User’s Guide Rev.7, SpaceX

3．Falcon1 designed after studying past rocket failures

The Falcon 1 was designed to be highly reliable above all else. For this reason, past failures were thoroughly studied during the development and design process. As a result, the following system specifications were developed. The same is true for the Falcon 9 rocket.

1. Two-stage rocket
2. Pintle-injector type rocket engine
3. Robust and redundant avionics (electronics)

From the 1980s to the 2000s, the three main causes of rocket launch failures over the past two decades were these three subsystems, which Aerospace Corporation's analysis attributed to 91% of failures.

1. Rocket separation failure
2. Rocket engine
3. Avionics

3-1．Two-stage rocket

As the separation mechanism is increased, the probability of failure increases and reliability decreases. In order to minimize the separation mechanism and separation events, a two-stage rocket was adopted. This is the smallest system configuration at the present time when SSTO has not been realized.

Without a solid rocket booster, the Falcon 1 cannot be considered a hypothetical three-stage rocket either. In other words, the Falcon 1 is a "REAL two-stage rocket". On the other hand, this choice will require higher performance (specific impulse) for the second stage rocket engine.

3-2．Pintle-injector type rocket engine

The rocket engines are newly developed ones, one in the first stage and one in the second stage. Clustering is not done, and both are the arrangement of a minimum number of rocket engines (one each).

The number of these is set to one rocket engine each for reliability reasons. Since rocket engines are one of the main causes of failure, the number of engines to be installed should be kept to a minimum.

Generally speaking, however, when a newly developed rocket is equipped with a newly developed rocket engine, clustering of multiple engines should be avoided. This is because the number of new elements increases and the difficulty of development increases.

The rocket engine to be started without operator control is the second stage only to reduce the probability of failure.

The rocket engine installed in the second stage is a pintle injector type rocket engine, with Merlin 1A and Kestrel newly developed in-house. As the advantages and features of the pintle injector type rocket engine are introduced in the past article, please refer to it. (See the following links)

SpaceX and Rocket Engine Pintle Injector (1)
https://orbitseals.blogspot.jp/2018/04/spacex-1-spacex-and-rocket-engine.html


SpaceX and Rocket Engine Pintle Injector (2)
https://orbitseals.blogspot.jp/2018/04/spacex-2-spacex-and-rocket-engine.html

These engines have high robustness, high structural design margins, and redundant ignition systems. The pintle injector has been a key technology in SpaceX's development and operation of rocket engines, as discussed in previous articles.

The LMDE, which was demonstrated for manned use on the Apollo moon landing vehicle, is a rocket engine with pintle injectors. In addition, the TR-201, the second stage of the Delta rocket system, achieved 100% reliability with zero failures in the second stage out of 77 failures. This shows that the engine will be highly reliable.

The first stage rocket engine stays on the launch pad to some extent after ignition and start-up and does not launch immediately. This is because the system is designed to monitor the rocket engine thrust and other parameters after engine start-up and launch only after confirming its soundness.

If the integrity of the engine cannot be confirmed, the launch is automatically aborted. This prevents launch failure due to engine performance.

Reference
[6] TR-201, http://www.astronautix.com/t/tr-201.html
[7] 衛星打上げロケットの高機能・低コスト化に関する検討, USEF, 2009

3-3．Avionics

Elon Musk is the founder of ZIP2 and Paypal (X.com), and based on the Silicon Valley culture, we are converting consumer products and using the latest in electronics.

Robustness and redundancy are ensured, and the latest civilian electronics are installed to keep costs low. For example, for data communication, Ethernet is used, and new consumer-electronics standards are used, such as FPGAs for rocket-mounted equipment.

◆To be continued next time.

Falcon1 Rocket System Design(2)
https://orbitseals.blogspot.jp/2018/05/spacex-falcon1-1-falcon1-rocket-system.html