Orbit Seals: SpaceX Falcon1ロケットとDARPAの開発資金提供, SpaceX Flacon1 rocket and DARPA

SpaceX Falcon1ロケットとDARPAの開発資金提供,
SpaceX Flacon1 rocket and DARPA

Update:2021.01.05

SpaceXのFalcon1ロケットの開発は、民間の資金だけでなく、軍事予算からも資金が開発に流れている。この記事では、SpaceXのFalcon1ロケットとDAPRAが計画した極超音速兵器開発プログラムであるFALCON計画の関係性について解説する。

【関連記事】

1. DARPA 極超音速兵器開発計画「FALCON計画」

米国国防高等研究計画局(DARPA：Defense Advanced Research Projects Agency)および米空軍は、FALCON計画を2003年に発表した。(Force Application and Launch form CONtinental united states)

先に述べるが、SpaceXのFalconロケットは、スターウォーズのミレニアムファルコン号に命名由来を持ち、この軍事計画から命名されている訳ではない。不思議な話だが、SpaceXが名付けたロケットの名前と、米国の軍事プロジェクトの命名が偶然にも被ったのであった。

FALCON計画は、主に極超音速兵器開発と、それを搭載する打ち上げシステムであるSLV（Small Launch Vehicle）開発からなる。低コストかつ機動的で柔軟性の富む全世界攻撃ミッション（グローバルストライクミッション）を実施するFALCONシステムの設計、構築、実証を行う計画であり、このために各開発企業や機関に資金を投入するものである。SLV開発は、2003年～2006年にかけて実施された。

DARPAと米空軍は、グローバルストライクミッションとして、1～2時間以内に米国本土（CONUS）から地球上のどこにでも、兵器を投入したいという新ビジョンを描き、その手段を欲していた。これは、Prompt Global Strike (PGS) と呼ばれる構想であり、その理由は、9.11後、敵対的な国々やテロ組織への迅速な攻撃と対応手段を確保することで、これまでのように米軍基地を全世界に展開させる、前方展開が必要なくなると考えたのである。

また、1998年ウサマビンラデインのキャンプとビンラディンの所在地を特定しておきながら、1770kmと攻撃目標の距離が離れていたため、トマホーク巡航ミサイルを米海軍艦艇から発射したが、着弾までの2時間の間に、ビンラディンが逃げてしまったという米海軍の経験等から、タイムクリティカルな目標に対して迅速な攻撃手段を求めていた。

PGSの概要図

FALCON計画において、当時の米国のビジョンは、2025年以降に究極かつ迅速なグローバル攻撃能力を持つことを目標として、繰り返し使用可能な、Hypersonic Cruise Vehivle（HCV）を目指していた。HCV、つまり無人型自立式の極超音速巡行航空機は、軍用滑走路から離陸し、巡航ミサイル、小型爆弾、弾薬等12000ポンドの弾薬を搭載して、2時間以内に9000海里離れた地点を攻撃することができる、Common Aero Vehivles（CAVs）である。

FACON計画に続いた、Falcon HTV計画では、このCAVsとして「Falcon HTV-3X Black Swift」や「HCV」を最終目標開発物とし、ロッキードマーチン等が主契約者となって計画を進めたが、2008年に予算が確保できず、中止となった。（ただし、このコンセプトは、2020年代現在、ロッキードマーチンのスカンクワークスが開発している、スクラムジェットエンジン搭載型の極超音速偵察機:SR-72として現実化しようとしている）

試験されたFalcon HTV-2とFalcon HTV-3X・HCV

2. 極超音速グライダー打ち上げ用ロケット：SLV

しかしながら、Black SwiftやHCVは究極的な最終目標であり、当時米国は前段階として、もっと手っ取り早く、短期間で開発可能である、迅速なグローバル攻撃能力が欲しがった。この様な全世界攻撃能力を短期間で開発・獲得するためには、低コストなロケットブースターと約1000ポンドの弾薬・その他のペイロードを運搬できる極超音速グライダー（滑空型ミサイル）を組み合わせた兵器が良いと考えたのである。これが、後にFalcon HTV-2計画につながって行く。

極超音速グライダーとして開発・試験されたFalcon HTV-2

2010年、2011年と2回の飛行試験を行ったが、失敗に終わった

既存の技術で、1時間以内に地球のあらゆる目標に到達させようとなると、推進力としてはICBM等の大型ロケットブースターを使用する必要がある。しかしその様なロケットブースターを使えば、核弾頭搭載型の弾道ミサイルと見分けがつかず、ICBMの発射を早期警戒衛星等で監視しているロシアや中国に対して誤ったメッセージを伝える危険性があり、偶発的な戦争を招きかねない。

このため、その飛行コースを弾道ではなく、より低い軌道に打ち上げ、ブースターから切り離された弾頭部がグライダーとして滑空することとし、弾道ミサイルとは異なる明らかに見分けが付く様な滑空軌道としたのである。

（なお、テロリスト等との戦闘では、極超音速グライダーという圧倒的兵器は迎撃される心配がない。しかし、大国同士での戦争においても、この様な兵器システムは途中のコース軌道を空力によって大幅に変えれるために有利である。弾道ミサイルよりも迎撃ミサイルからの残存性が良く、戦闘想定がテロから再び大国間の戦闘に回帰している2020年代現在では、この理由のために、極超音速グライダー型のミサイル開発に各国がしのぎを削っている。）

ロケットブースターで極超音速グライダーを打ち上げる概念は、1990年代半ばから研究されており、既存の技術を用いて実現可能であった。既存技術を使用してでも、3000海里規模のダウンレンジを有す極超音速グライダーを設計可能であり、改良型においては、約9000海里のダウンレンジと、約3000海里のクロスレンジを持つ高度な極超音速グライダーも設計可能であったが、この改良型の極超音速グライダーは、当時の技術に加えて、熱防護、誘導制御の分野で更なる技術開発を必要としていた。

一方で、この極超音速グライダーを打ち上げるための既存のロケットブースターシステムは、例えば大陸間弾道ミサイル（ICBM）や宇宙ロケットを使用するには、高価で給量も限られている。この計画を実現させるためには、経済的な打ち上げ手段としての新しいロケットブースターが必要であった。その結果、米国は低コストで即応性の高い、小型打ち上げロケット(SLV)を開発することが必要であるとの結論に至った。

加えてSLVには、グローバルストライクのみならず、小型衛星を太陽同期軌道に投入するための低コストで応答性の高い打ち上げ機能も付与することで、2つの機能を果たさせようと考えたのである。SLVの目標値は以下の通りである

1回当たりの打ち上げ費用：500万ドル以下
1kgの打ち上げ費用：1万ドル以下

衛星打ち上げ能力：
　ペイロード重量：100Kg～1000Kgの範囲
　目　標　軌　道：太陽同期軌道450km、軌道傾斜角79度

この様にFALCON計画では、米国政府が望んだ、低コストで即応性の高いロケットブースターシステムの実現に向けて､概念的なブースター設計、性能予測、研究開発のための経費をDARPAを通して各企業や研究機関に開発を働きかけ、資金供給したのである。

3. FALCON計画のスケジュールと契約獲得企業

FALCON計画のフェーズは主に2つに分かれ、フェーズIでは、TASK1とTASK2が含まれている。TASK1では、複数の会社・機関に対してSLVの飛行実験に関する投資を行い、その中でConOps (Scoping & Concept of Operations：業務構想計画）や設計提出させて、競争させる。そして有望なものについては、TASK2で更に資金提供されて、実証実験に移行するという形になっていた。

TASK2では、極超音速グライダー開発と並行して、TASK1で設計したSLVについて実際の開発を行い、極超音速グライダーとの物理的・機能的特性統合についても検討された。SLVごとのConOpsの改良、各ブースターシステムの詳細な飛行実証計画策定、そしてSLV単独での実際の低コストロケットブースターとしての飛行実鉦も含まれていた。

フェーズIIでは、TASK3として、フェーズIの成果から米国政府が判断し、極超音速グライダーの実際の試験、射程3000海里、800秒の飛行試験が計画された。これらは、少なくとも技術成熟度レペルTRL=6(対象麗定モデルの相当環境での妥当性検証）以上を目指し、開発が進められた。

DARPAは複数の業者・研究機関との契約を行った。フェーズI（TASK1及びTASK2）においての合計資金額は7000万ドル（77億円相当, 1ドル=110円換算）である。打ち上げロケットである、SLVの契約については、1件あたり0.3～0.6M$（3.3億～6.6億円）が拠出された。

2003年5月、TASK1において、24件のSLVに関する提案が寄せられ、審査後、以下の9社がTASK1の契約を勝ち取った。この契約において、SpaceXは開発資金供給を得たのである。

Air Launch LLC
Andrews Space
Exquadrum lnc.
KT Engineering
Lockheed Martin（Michoud）
Microcosm Inc.
Orbital Sciences
Schafer Corp.
SpaceX

更に2003年9月、この契約の中から以下の4つの業者について、実際のSLVの詳細機体設計、開発、試験、飛行の検討作業にDARPAがGOをかけた。

Air Launch LLC
Lockheed Martin（Michoud）
Microcosm Inc.
SpaceX

10か月後の予備設計審査では、Air Launch LCCとSpaceXの2社がTASK2に移行できた。（なお、2004年からTASK3の作業に移行できたのはロッキードマーチンが唯一の業者である。極超音速グライダーについてもFalcon HTV-2として、ロッキードマーチンが契約を行っているが、2010年と2011年の2回の実証飛行の失敗を受けて、計画は中止された｡）

4. SpaceX Falcon1ロケットへのDARPAからの資金供給とフライト

SpaceXの提案については、既に2002年創業時からFalcon1ロケット開発計画がスタートしていて、かなり成熟された設計であり、2004年の段階で、ハードウェアの多くが既に製造されている状況であった。開発の予備設計としては十分すぎる成果を提出したものとして、全社の中でもユニークな物であるとDARPAからは評価された。

つまり、開発すべきハードウェアの多くが開発計画提出時点で既に出来上がっていたため、ゼロからのロケット開発資金供給を行う代わりに、DARPAは、マーシャル諸島のレーガン実験場から米国政府の衛星を打ち上げるための2回分の資金を供給することとした。これが、SpaceX初の打ち上げとなるFalcon1ロケットのフライト1とフライト2である。

DARPA契約獲得に対して、当時のイーロンマスクは、次の様に述べている。
「DARPAと米空軍に選定されたことを光栄に思う。彼らの期待を超えられるように努力したい」
（"We are honored to be selected by DARPA and the U.S. Air Force. We will work hard to exceed their expectations."）

Falcon1 ロケットの打ち上げ

フェアリングにDARPAと米空軍のマークが確認できる

◆フライト1　飛行試験1回目
　日　　時：2006年5月24日
　搭載衛星：Falcon SAT-2 (FS2,COSAR2006-F01)／DARPA契約

米軍士官学校の学生Falcon SATプログラムの一環として開発した衛星。開発費は1500万ドル。宇宙船との通信におけるプラズマの影響を研究するために地球低軌道に投入予定だった。

Falcon1 フライト1では、打ち上げ25秒後に、応力腐食ナットが原因となりロケットエンジン火災を引き起こしてロケットエンジンが故障し、墜落したと考えられている。

調査では、発射400秒前に推進剤プレバルブが開いた際、燃料（ケロシン）漏れが始まっていたことが判明した。失敗の原因としては、まずケロシン漏れがターボポンプ燃料入口の圧力センサー関連配管で発生し、発射後に漏れたケロシンが発火してロケットエンジンが故障したと推定された。漏れ原因としては、圧力センサー配管上の「アルミニウムBナット」の応力腐食割れが原因と考えられている。

◆フライト2　飛行試験2回目
　日　　時：2007年3月21日
　搭載衛星：Demosat, NASAの実験装置／DARPA契約

契約ダミー用衛星及びNASAの実験装置合計50kg。NASAが開発した自立飛行安全システム(AFSS)、低コスト追跡データ中継衛星システム(TDRSSS)と送信機(LCT2)が含まれていた。打ち上げ7分30秒で第2段目エンジンが予定より早く燃焼停止し、予定軌道に到達せず、「部分的成功」とされた。

References
[1] The DARPA/USAF Falcon Program Small Launch Vehicles
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20060048219
[2] SpaceX Selected For Space Launch Demonstration Under DARPA Falcon Program
　　　　 https://www.spacedaily.com/reports/SpaceX_Selected_For_Space_Launch_Demonstration_Under_DARPA_Falcon_Program.html

[3] Astra came close to achieving what DARPA has sought for two decades
https://arstechnica.com/science/2020/03/for-darpa-the-search-for-rapid-responsive-launch-continues/
[4] Force Application and Launch from CONUS (FALCON)
http://www.defense-aerospace.com/article-view/release/19671/darpa-outlines-hypersonic-uav-vision-(july-2).html
[5] After last-minute abort, DARPA Launch Challenge ends without a winner
https://spaceflightnow.com/2020/03/03/after-last-minute-abort-darpa-launch-challenge-ends-without-a-winner/
[6] Falcon Hypersonic Technology Vehicle (HTV-2), Major Chris Schulz
http://mckinneyassociates.com/geninfo/us%20hypersonics%20industry%20team%202009-2011/may%202011%20forum/presentations/HIT%201st%20Exhibition%20Presentation%206%20-%20HTV-2%20(Bob%20Weatherall,%20Lockheed-Martin).pdf
[7] CURRENT HYPERSONIC AND SPACE VEHICLE FLIGHT TEST AND INSTRUMENTATION, https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a619521.pdf

English Version

The development of SpaceX's Falcon 1 rocket is not only funded by private money, but money from the military budget is also flowing into the development. This article will explain the relationship between SpaceX's Falcon 1 rocket and DAPRA's planned hypersonic weapons development program, the FALCON program.

【Related Articles】

1. DARPA Hypersonic Weapons Development Program "FALCON Project

The U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) and the U.S. Air Force announced the FALCON program in 2003. (Force Application and Launch form CONtinental united states)

As mentioned earlier, SpaceX's Falcon rocket is named after the Millennium Falcon from Star Wars, not after this military project. Strangely enough, the naming of the rocket by SpaceX and the naming of the US military project happened to coincide.

The FALCON project consists mainly of the development of hypersonic weapons and the SLV (Small Launch Vehicle), a launch system to carry them. The SLV development was carried out from 2003 to 2006. The SLV development was conducted between 2003 and 2006.

DARPA and the U.S. Air Force wanted a new vision and the means to launch weapons from the continental United States (CONUS) to anywhere on Earth within one to two hours as a global strike mission. This concept is called Prompt Global Strike (PGS), and the reason for this is that after 9/11, they believed that by securing the means to rapidly attack and respond to hostile countries and terrorist organizations, they would no longer need to deploy U.S. military bases all over the world, or forward deployments, as they had done in the past.

In 1998, after identifying Osama bin Laden's camp and the location of bin Laden, the U.S. Navy fired Tomahawk cruise missiles from a U.S. Navy ship at a distance of 1,770 kilometers, but bin Laden escaped within two hours of the missiles landing.

Schematic diagram of PGS

In the FALCON program, the U.S. vision at the time was for a repeatable, Hypersonic Cruise Vehicle (HCV) with the goal of having the ultimate, rapid global strike capability after 2025. HCVs, or unmanned, self-contained hypersonic cruise aircraft, are Common Aero Vehivles (CAVs) that can take off from a military airstrip and attack a target 9,000 nautical miles away in less than two hours with 12,000 pounds of cruise missiles, small bombs, and ammunition.

The Falcon HTV program, which followed the FACON program, had the Falcon HTV-3X Black Swift and HCV as its final target CAVs, and Lockheed Martin and other companies were the main contractors for the project. (This concept, however, is about to become a reality in the 2020s with the SR-72, a hypersonic reconnaissance aircraft powered by a scramjet engine, being developed by Lockheed Martin's Skunk Works.

Tested Falcon HTV-2 and Falcon HTV-3X/HCV

2. Launch Vehicle for Hypersonic Glider : SLV

However, the Black Swift and HCV were the ultimate end goals, and as a preliminary step, the US wanted a rapid global strike capability that could be developed more quickly and in a shorter time frame. To develop and acquire such a global strike capability in a short period of time, the U.S. thought it would be better to combine a low-cost rocket booster with a hypersonic glider (gliding missile) capable of carrying about 1,000 pounds of ammunition and other payloads. This would later lead to the Falcon HTV-2 project.

The Falcon HTV-2 was developed and tested as a hypersonic glider

Two flight tests were conducted in 2010 and 2011, but ended in failure

If existing technology is used to reach any target on the earth within an hour, it will be necessary to use large rocket boosters such as ICBMs for propulsion. However, if such a rocket booster is used, it would be indistinguishable from a ballistic missile carrying a nuclear warhead, and there would be a risk of sending the wrong message to Russia and China, which are monitoring the launch of ICBMs with early warning satellites, etc., which could lead to an accidental war.

For this reason, the flight course of the ICBM was decided not to be ballistic, but to be launched into a lower orbit, and the warhead, detached from the booster, would glide as a glider, which is clearly distinguishable from a ballistic missile.

(Still, in a war against terrorists, the hypersonic glider would be an overwhelming weapon that could not be intercepted. However, even in a war between major powers, such a weapon system is advantageous because its course can be drastically altered by aerodynamics. They are more survivable from interceptor missiles than ballistic missiles, and as of the 2020s, when combat assumptions are shifting from terrorism back to superpower warfare, countries are scrambling to develop hypersonic glider-type missiles for this reason.

The concept of launching a hypersonic glider with a rocket booster has been studied since the mid-1990s and could be realized using existing technology. It was possible to design a hypersonic glider with a downrange of 3,000 nautical miles using the existing technology, and it was also possible to design an advanced hypersonic glider with a downrange of about 9,000 nautical miles and a crossrange of about 3,000 nautical miles in the improved version. However, this improved hypersonic glider required further technological development in the areas of thermal protection and guidance control, in addition to the technology available at the time.

On the other hand, the existing rocket booster system for launching this hypersonic glider is too expensive and limited in supply to use, for example, intercontinental ballistic missiles (ICBMs) or space rockets. In order to realize this plan, a new rocket booster was needed as an economical means of launch. As a result, the United States concluded that it was necessary to develop a low-cost, quick-response Small Launch Vehicle (SLV).

The goals of the SLV were to provide not only global strike, but also a low-cost, responsive launch capability to inject small satellites into sun-synchronous orbit.

Cost per launch: less than $5 million

Launch cost per kg: less than $10,000

Satellite Launch Capability:.

　Payload weight: 100Kg to 1000Kg range

　Target orbit: Sun-synchronous orbit 450 km, orbital inclination 79 degrees

In this way, the FALCON program provided funding for conceptual booster design, performance prediction, and research and development through DARPA to encourage companies and research institutes to develop a low-cost, highly responsive rocket booster system that the U.S. government wanted to realize.

3. FALCON project schedule and companies awarded contracts

The FALCON project is divided into two main phases: Phase I includes TASK1 and TASK2. ConOps (Scoping & Concept of Operations) and design submissions and have them compete. The most promising ones will be further funded by TASK2 to move to demonstration tests.

In TASK2, in parallel with the development of the hypersonic glider, the actual development of the SLV designed in TASK1 was conducted, and the integration of physical and functional characteristics with the hypersonic glider was also studied. Phase II included the development of a detailed flight demonstration plan for each booster system, and the actual flight demonstration of the SLV as a stand-alone low-cost rocket booster.

In Phase II, as TASK3, the U.S. government judged from the results of Phase I, an actual test of the hypersonic glider, a flight test with a range of 3,000 nautical miles and 800 seconds was planned. These were developed with the aim of achieving at least a technology maturity level of TRL=6 (validation of the target reification model in an equivalent environment).

DARPA contracted with several vendors and research institutions. The total funding for Phase I (TASK1 and TASK2) was 70 million dollar(equivalent to 7.7 billion yen, converted to 110 yen per dollar). For the SLV launch vehicle contract, 0.3 to 0.6 M$ (330 to 660 million yen) was provided per contract.

In May 2003, TASK1 received 24 proposals for SLVs, and after reviewing them, the following nine companies were awarded the TASK1 contract. After reviewing the proposals, the following nine companies were awarded the TASK1 contract, which provided SpaceX with development funding.

Air Launch LLC
Andrews Space
Exquadrum lnc.
KT Engineering
Lockheed Martin（Michoud）
Microcosm Inc.
Orbital Sciences
Schafer Corp.
SpaceX

Furthermore, in September 2003, DARPA gave the go-ahead for the following four contractors from this contract to work on the detailed airframe design, development, testing, and flight of the actual SLV.

Air Launch LLC
Lockheed Martin（Michoud）
Microcosm Inc.
SpaceX

In the preliminary design review 10 months later, two companies, Air Launch LCC and SpaceX, were able to move to TASK2. (Lockheed Martin is the only company that was able to move to TASK3 in 2004. Lockheed Martin was also contracted to develop a hypersonic glider as Falcon HTV-2, but the project was cancelled after two failed demonstration flights in 2010 and 2011.

4. DARPA funding and flights for SpaceX Falcon 1 rocket

As for SpaceX's proposal, the Falcon 1 rocket development program had already started when the company was founded in 2002, and it was a fairly mature design, with much of the hardware already manufactured as of 2004. As of 2004, much of the hardware had already been manufactured, and DARPA considered it to be unique in the company as a preliminary design that was more than adequate for development.

In other words, since much of the hardware to be developed was already in place at the time the development plan was submitted, instead of funding the rocket development from scratch, DARPA decided to fund two launches of U.S. government satellites from the Reagan Test Site in the Marshall Islands. These were Flight 1 and Flight 2 of the Falcon 1 rocket, SpaceX's first launch.

In response to winning the DARPA contract, Elon Musk said at the time.

"We are honored to be selected by DARPA and the U.S. Air Force. We will work hard to exceed their expectations."

Launch of Falcon 1 rocket

DARPA and U.S. Air Force markings can be seen on the fairing.

◆Flight 1 Flight Test 1

Date and Time: May 24, 2006

　Launch Satellite: Falcon SAT-2 (FS2,COSAR2006-F01)/DARPA contract

A satellite developed as part of the U.S. Military Academy's student Falcon SAT program. The development cost was $15 million. It was scheduled to be put into low earth orbit to study the effects of plasma on communication with spacecraft.

Falcon1 Flight 1 is believed to have crashed 25 seconds after liftoff when a stress corrosion nut caused a rocket engine fire that resulted in the failure of the rocket engine.

The investigation revealed that the fuel (kerosene) leak had started when the propellant pre-valve opened 400 seconds before launch. As for the cause of the failure, it was presumed that the kerosene leak first occurred in the pressure sensor-related piping at the turbopump fuel inlet, and that the leaked kerosene ignited after launch, causing the rocket engine to fail. The cause of the leak is thought to be stress corrosion cracking of the "aluminum B nut" on the pressure sensor piping.

◆Flight 2 Second flight test

　Date and time: March 21, 2007

　Onboard satellite: Demosat, NASA's experimental device / DARPA contract

The total weight of the contracted dummy satellite and NASA's experimental equipment was 50 kg, including the NASA-developed Autonomous Flight Safety System (AFSS), the Low Cost Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS), and the transmitter (LCT2). At 7 minutes and 30 seconds into the launch, the second stage engine stopped firing earlier than planned and did not reach the planned orbit, and the launch was declared a "partial success".

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2020年6月20日土曜日

SpaceX Falcon1ロケットとDARPAの開発資金提供, SpaceX Flacon1 rocket and DARPA