[AR] Re: Relativity Space launch failure

  • From: <rblink@xxxxxxxxxxxx>
  • To: <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Mon, 3 Apr 2023 14:00:03 -0500

Mike,

 

You should write a book about ICBM development, it would be a great read and 
technical reference.

 

Russ Blink

 

 

From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> On Behalf Of 
Michael Kelly ("mskellyrlv")
Sent: Friday, March 24, 2023 8:38 PM
To: John Stoffel <john@xxxxxxxxxxx>; arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Re: Relativity Space launch failure

 

John:

 

The Small ICBM (or Small Mobile ICBM) was the next ICBM development project 
after Peacekeeper.  That was the last time TRW (the System Engineering and 
Technical Assistance contractor to the Air Force Ballistic Missile office) was 
able to sell a program to BMO, and then leverage it up the chain to become a 
real programI worked for TRW, where I had started at the beginning of the 
Peacekeeper Full Scale Engineering Development effort.  Peacekeeper was the 
most successful strategic missile program in history - anybody's history.  
Small ICBM was the least.

 

SICBM was to be a single warhead intercontinental ballistic missile to 
specifically be launched from a mobile platform.  Mobility was thought to be 
the key to survivability against the kind of massive attack the Soviet Union 
could unleash against our fixed silo fields.  As an aside, proof of that idea 
came during the Gulf War, when Iraq decided to launch SCUD missiles against 
Israel.  SCUDs are mobile, and though we had every kind of tracking asset you 
could think of to figure out where a particular shot had originated, we never 
found a single one.

 

Anyway, the seeds of SICBM's doom were sown by a caveat in the Congressional 
authorization for the program.  The bill called for development of a mobile 
ICBM carrying a single Mk-21 warhead to a range of 6,000 nmi; all fine 
requirements.  But then Congress put in its own caveat:  the missile had to 
weight no more than 30,000 pounds.  That was a strict, not-to-exceed 
requirement.  Nobody at BMO/TRW could figure out where it had come from; we 
only knew it wasn't from us.  The only explanation I've ever heard, probably 
apocryphal, was that one of the Congressmen asked his son, who was a 
self-styled rocket expert, how much such a rocket should weigh. His kid's 
answer was 30,000 pounds, and we were stuck with it.

 

Another factor that led to SICBM's failure was the military-industrial 
complex's culture involving how to spread the spoils of the program.  The 
spoils dogma included the absolute requirement to have three booster stages.  
Why?  Because there were three solid propellant rocket houses, Thiokol, 
Aerojet, and Hercules, and they all had to have something.  (United 
Technologies, which made the Titan III and IV zero stages among many others, 
was a complication.  But they and Aerojet were both California companies, and 
only one needed to win to keep that state's congressional support).  So, like 
the Peacekeeper and Minutemen before it, Stage I went to Thiokol, Stage II to 
Aerojet, and Stage III to Hercules.  The Post Boost Vehicle (PBV), a small 
hydrazine system which carried the guidance system and warhead, and provided 
the precision state vector for the required accuracy, went to Martin Marietta.  
Martin's bid was a lowball, and the booster companies followed suit.  The whole 
missile was underbid from the beginning.

 

This was a case where the military-industrial complex shot itself in the foot. 
TRW had done all of the system engineering and requirements definition, and my 
department (Propulsion & Ordnance Engineering) in particular had conducted the 
optimization studies.  The optimum configuration for SICBM was:  two solid 
propellant booster stages, and a bipropellant liquid third stage.  Not only did 
it have significantly more performance margin than a three stage booster and 
small PBV, but the entire engineering development program would have been 
vastly simpler and less costly.  But it would have only kept two of the four 
solids companies in business, and that was a no-no.

 

So the BMO/TRW scoped the cost of the three-booster-stage with PBV program, and 
that was the baseline against which the proposals were evaluated.  All bidders 
adopted a "buy-in, bail-out" lowball strategy, and we would up with a missile 
with significant technical risk that was seriously underbid.  The final nail in 
the coffin came when the BMO Commander sent the difference between our program 
budget and the cost submitted by the bidders back to the Treasury (a career 
move on his part).  The money to "bail out" a failing program was no longer 
there, but the contractors didn't know it.

 

The program was in trouble from the start, and as designs matured and hardware 
was built, we started overrunning the budget and were unable to handle even the 
routine problems such a program encounters.  The most glaring defect soon 
showed its ugly head.  With the 30,000 pound weight limit, it soon became 
apparent that we could never achieve the 6,000 nmi range requirement.

 

If money hadn't been the issue, we would have reoptimized the whole missile to 
meet the to hard requirements of 6,000 nmi range and 30,000 pounds weight.  But 
we quickly realized that modifying more than one of the four stages was 
impossible within the projected budget profile.  So the decision was made to go 
hat-in-hand to Congress, and request relief from the 30,000 pound weight limit.

 

The only way to regain the range by changing only one stage was to add 7,000 
pounds to Stage I.  It was the least cost, but by no means LOW cost.  Among the 
added engineering challenges were the control problems associated with the 
increase in length to diameter ratio.  It changed the bending frequencies, and 
reduced the structural margins so that the flight control computer needed 
significant redesign of its digital filters.  The attempt to keep Stage I 
length down led to a highly submerged nozzle.  That, in return, caused the 
failure of the first flight due to an effect no one anticipated.  All of the 
booster stages were static fired horizontally, so we thought we knew how 
everything worked.  But when fired vertically, Stage I would accumulate molted 
aluminum oxide slag in the large stagnant volume aft of the throat entrance.  
It filled with liquid aluminum oxide, and then when the nozzle gimballed to 
perform load relief at altitude, the aluminum oxide spilled over the throat 
inlet asymmetrically, causing a side force which was then opposed by an 
gimballing in the opposite direction, and so on in a diverging induced 
instability.  A guy who worked for me, Paul Carman, and I figured out the 
probable mechanism.  No one believed us, but they did do a vertical static fire 
of a Stage I in a test stand equipped with real time radiography equipment.  We 
had an X-ray video of the aft end, and watched as it filled with liquid AL2O3, 
which sloshed around and spilled out every time the gimbal was commanded.  The 
solution was to take the length hit, and desubmerge the nozzle.

 

The second flight got through Stage I satisfactorily, but had a Stage III 
control problem, and was blown up.

 

Around that time, the Berlin Wall fell, and soon thereafter so did the Soviet 
Union.  I remember being at work one night, on a commercial launch program, as 
we all watched the TV news.  George H.W. Bush announced that as a gesture of 
trust and good will to the Russians, he was ordering the cancellation of the 
Small ICBM.  That was the cheapest goodwill gesture of all time.

 

The reason for the range loss at high temperature on Small ICBM was that it had 
to use all Class 1.1 propellants to make the range requirement, and these have 
a high burn-rate temperature sensitivity coefficient.  That, and the fact that 
it was a MOBILE missile with a much wider launch temperature requirement range 
than silo (or submarine) based missiles have.  A sub or silo each remain at 
pretty constant temperature.  There was no way to guarantee that with the Hard 
Mobile Launcher.

 

As for ICBM ascent profiles, they vary widely with basic design approach.  The 
Soviet approach was way different from anything we ever did.  They built very 
high performance engines, and their vehicles had very high thrust to weight 
ratios to minimize gravity loss.  To deal with the resulting high dynamic 
pressures, they simply built the structures like battleships.  American liquid 
ICBMs were built with ultra-light structures, and thus had to be babied through 
boost.  That was done through a combination of low thrust-to-weight ratio at 
liftoff, a longer vertical rise time than any Soviet rocket, then an open-loop 
tilt program as a function of time combined with guidance programming that 
sensed any uncommanded angular rate - which only came about with an angle of 
attack induced by winds aloft - and steered the rocket back "into the wind" to 
eliminate the angle of attack.  It was the guidance controlled analog of having 
big tail fins, which aerodynamically null out any angle of attack.

 

The solid booster ICBMs had stage burn-time restrictions imposed by the nature 
of solid propulsion - about a minute per stage.  So they had to start to turn 
pretty quickly.  The Minuteman missiles were inherently robust structurally, 
since their pressurized motor cases were also the missile primary structure.  
Peacekeeper was designed as a mobile missile, though it went through a slew of 
basing modes.  One of these, the multiple protective shelter mode, had the 
missile stored horizontally.  If war occured, the shelter door would open, and 
the missile and its launcher would be pushed out, erected, and fired.  
Peacekeeper was canister launched, that is, it was ejected from a launch tube 
by a steam generator.  That applied to any of its basing modes.  But in the 
multiple protective shelter site mode, it was always assumed that there would 
be some damage to the erector mechanisms which would limit the elevation angle 
of the canister.  The Stage I gimbal angle was therefore mandated to be more 
than +/- 5 degrees, though in actual flight it almost never saw more than +/- 
0.5 degrees.  The high angle was to permit missile to recover from a launch 
eject as low as IIRC 50 degrees from the horizontal.  It may even have been 
lower.  Peacekeeper Rail Garrison and SICBM Hard Mobile Launcher were always 
designed for off-vertical launch - something like 10 degrees from vertical.

 

The main problem with depressed trajectories in solids wasn't the structural 
bending limit as it was the problem of stage separation in a high-Q 
environment.  That problem occupied a lot of my missile career.  The 
complexities are manifold, and beyond the scope of this tome. 

 

I have left out an awful lot from this, both technically and program 
history-wise, and hope it hasn't been boring.  Let me know if you have any more 
questions.

 

Best,

 

Mike

 

 

 

 

 

On Mar 24, 2023, at 1:06 PM, John Stoffel <john@xxxxxxxxxxx 
<mailto:john@xxxxxxxxxxx> > wrote:

 

 

"Michael" == Michael Kelly <<dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx 
<mailto:dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> > ("mskellyrlv")> writes:

 

It was an excellent first test flight, though I have to wonder at

the criticality of max Q. Every launch vehicle with which I’ve been

associated has had a max Q-alpha limit that was easily handled by

load relief. Small ICBM, after they added 7,000 lb to Stage I to

make up for all our mistakes, was the biggest wet noodle missile of

all time.

 

Can you elaborate here please? This sounds like a really interesting

piece of engineering history. 

 

It was the only solid propellant strategic missile to ever LOSE

range with increased grain temperature (requiring trajectory lofting

to lower max Q due to shorter burn time)

 

I would have thought that all strategic missles went stright up until

max-q was passed, if only to lower the drag before they started

heading to the target. 

 

 

 

But we

know how to build for this, and mitigate the effects. There seems

to be something more in question about this rocket’s structural

integrity. Nevertheless, I applaud Relativity.

 


-- 
_This document may contain technical data as defined in the International 
Traffic In Arms Regulations (ITAR) 22 CFR 120.10 or the Export 
Administration Regulations (EAR) 15 CFR Parts 730 - 780. Export of this 
material may be controlled by these regulations and may not be exported or 
transferred to Foreign Persons without prior written approval from the U.S. 
government."_"This document may contain technical data as defined in the 
International Traffic In Arms Regulations (ITAR) 22 CFR 120.10 or the 
Export Administration Regulations (EAR) 15 CFR Parts 730 - 780. Export of 
this material may be controlled by these regulations and may not be 
exported or transferred to Foreign Persons without prior written approval 
from the U.S. government.__

Other related posts: