Historia del diseño de la nave espacial Starship de SpaceX

Antes de decidirse por el diseño de Starship de 2018 , SpaceX presentó sucesivamente varias propuestas de vehículos de carga superpesados ​​reutilizables. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Estos diseños preliminares de naves espaciales se conocían con varios nombres ( Mars Colonial Transporter , Interplanetary Transport System , BFR ).

En noviembre de 2005, ^{[ 3 ]} antes de que SpaceX lanzara su primer cohete, el Falcon 1 , ^{[ 4 ]} el CEO Elon Musk mencionó por primera vez un concepto de cohete de alta capacidad capaz de lanzar 100 t (220 000 lb) a la órbita terrestre baja , denominado BFR . ^{[ 3 ]} Más tarde, en 2012, Elon Musk anunció públicamente por primera vez planes para desarrollar un cohete que superara las capacidades del Falcon 9 existente . ^{[ 5 ]} SpaceX lo llamó Mars Colonial Transporter , ya que el cohete transportaría humanos a Marte y de regreso. ^{[ 6 ]} En 2016, el nombre se cambió a Interplanetary Transport System , ya que el cohete también se planeó para viajar más allá de Marte. ^{[ 7 ]} El diseño requería una estructura de fibra de carbono , ^{[ 8 ]} una masa superior a 10 000 t (22 000 000 lb) cuando estaba completamente cargado de combustible, una carga útil de 300 t (660 000 lb) a la órbita terrestre baja y ser totalmente reutilizable. ^{[ 8 ]} Para 2017, el concepto fue renombrado temporalmente como BFR. ^{[ 9 ]}      

En diciembre de 2018, el material estructural se cambió de compuestos de carbono ^{[ 10 ] [ 8 ]} a acero inoxidable , ^{[ 11 ] [ 12 ]} marcando la transición de los primeros conceptos de diseño de la Starship. ^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]} Musk citó numerosas razones para el cambio de diseño; bajo costo, facilidad de fabricación, mayor resistencia del acero inoxidable a temperaturas criogénicas y capacidad para soportar altas temperaturas. ^{[ 15 ] [ 13 ]} En 2019, SpaceX comenzó a referirse a todo el vehículo como Starship, con la segunda etapa llamada Starship y el propulsor Super Heavy . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} También anunciaron que Starship usaría losetas de escudo térmico reutilizables similares a las del transbordador espacial . ^{[ 19 ] [ 20 ]} El diseño de la segunda etapa también se había establecido en seis motores Raptor para 2019; tres optimizados para el nivel del mar y tres optimizados para el vacío . ^{[ 21 ] [ 22 ]} En 2019, SpaceX anunció un cambio en el diseño de la segunda etapa, reduciendo el número de flaps traseros de tres a dos para reducir el peso. ^{[ 23 ]} En marzo de 2020, SpaceX publicó una Guía del usuario de Starship, en la que afirmaron que la carga útil de Starship a la órbita terrestre baja (LEO) sería superior a 100 t (220 000 lb) , con una carga útil a la órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) de 21 t (46 000 lb) . ^{[ 24 ]}    

En noviembre de 2005, ^{[ 3 ]} antes de que SpaceX lanzara el Falcon 1 , su primer cohete, ^{[ 4 ]} el CEO Elon Musk hizo referencia por primera vez a un concepto de cohete de alta capacidad y a largo plazo llamado BFR. El BFR podría lanzar 100 t (220 000 lb) a LEO y estaría equipado con motores Merlin 2. El Merlin 2 habría estado en línea directa con los motores Merlin utilizados en el Falcon 9 , descritos como un motor de refrigeración regenerativa ampliado comparable a los motores F-1 utilizados en el Saturno V. ^{[ 3 ]}  

En julio de 2010, ^{[ 25 ]} después del último lanzamiento del Falcon 1 un año antes, ^{[ 26 ]} SpaceX presentó conceptos de vehículos de lanzamiento y remolcadores espaciales a Marte en una conferencia. Los conceptos de vehículos de lanzamiento se denominaron Falcon X (más tarde llamado Falcon 9 ), Falcon X Heavy (más tarde llamado Falcon Heavy ) y Falcon XX (más tarde llamado Starship); el más grande de todos era el Falcon XX con una capacidad de 140 t (310 000 lb) a la órbita terrestre baja. Para entregar dicha carga útil, el cohete habría tenido la misma altura que el Saturno V y habría utilizado seis potentes motores Merlin 2. ^{[ 25 ]}  

En octubre de 2012, la compañía hizo la primera articulación pública de planes para desarrollar un sistema de cohete totalmente reutilizable con capacidades sustancialmente mayores que el Falcon 9 existente de SpaceX. ^{[ 27 ]} Más tarde en 2012, ^{[ 28 ]} la compañía mencionó por primera vez en público el concepto del cohete Mars Colonial Transporter. Iba a poder transportar 100 personas o 100 t (220 000 lb) de carga a Marte y estaría impulsado por motores Raptor alimentados con metano. ^{[ 29 ]} Musk se refirió a este nuevo vehículo de lanzamiento bajo el acrónimo no especificado "MCT", ^{[ 27 ]} que se reveló que significaba "Mars Colonial Transporter" en 2013, ^{[ 30 ]} que serviría para la arquitectura del sistema de Marte de la compañía . ^{[ 31 ]} La directora de operaciones de SpaceX, Gwynne Shotwell, dio un rango de carga útil potencial de entre 150 y 200 toneladas a la órbita terrestre baja para el cohete planeado. ^{[ 27 ]} Para las misiones a Marte, la nave espacial transportaría hasta 100 toneladas (220 000 lb) de pasajeros y carga. ^{[ 32 ]} Según Tom Mueller , jefe de desarrollo de motores de SpaceX , SpaceX podría usar nueve motores Raptor en un solo propulsor o nave espacial MCT. ^{[ 33 ] [ 34 ]} El diseño preliminar tendría al menos 10 metros (33 pies) de diámetro y se esperaba que tuviera hasta tres núcleos que sumarían al menos 27 motores propulsores. ^{[ 31 ]}    

En 2016, el nombre del sistema Mars Colonial Transporter se cambió a Interplanetary Transport System ( ITS ), debido a que el vehículo era capaz de llegar a otros destinos. ^{[ 35 ]} Además, Elon Musk proporcionó más detalles sobre la arquitectura de la misión espacial, el vehículo de lanzamiento, la nave espacial y los motores Raptor. La primera prueba de encendido de un motor Raptor en un banco de pruebas tuvo lugar en septiembre de 2016. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

El 26 de septiembre de 2016, un día antes del 67.º Congreso Internacional de Astronáutica , se encendió por primera vez un motor Raptor. ^{[ 38 ]} En el evento, Musk anunció que SpaceX estaba desarrollando un nuevo cohete que utilizaba motores Raptor llamado Sistema de Transporte Interplanetario. Tendría dos etapas, un propulsor reutilizable y una nave espacial. Los tanques de las etapas estarían hechos de compuesto de carbono , almacenando metano líquido y oxígeno líquido . A pesar de la capacidad de lanzamiento del cohete de 300 t (660 000 lb) a la órbita terrestre baja, se esperaba que tuviera un precio de lanzamiento bajo. La nave espacial presentaba tres variantes: tripulada, de carga y cisterna; la variante cisterna se utiliza para transferir propulsor a la nave espacial en órbita. ^{[ 39 ]} El concepto, especialmente las proezas tecnológicas necesarias para hacer posible tal sistema y los fondos necesarios, generó un escepticismo considerable. ^{[ 40 ]} Ambas etapas utilizarían presurización autógena de los tanques de propulsor, eliminando el problemático sistema de presurización de helio a alta presión del Falcon 9. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 36 ]}  

En octubre de 2016, Musk indicó que el prototipo inicial del tanque, fabricado con fibra de carbono preimpregnada y sin revestimiento sellador, había tenido un buen desempeño en las pruebas con fluidos criogénicos. En noviembre de 2016 se completó una prueba de presión a aproximadamente dos tercios de la presión de ruptura de diseño. ^{[ 43 ]} En julio de 2017, Musk indicó que el diseño arquitectónico había evolucionado desde 2016 para dar soporte al transporte comercial mediante lanzamientos en órbita terrestre y cislunar. ^{[ 44 ]}

El propulsor ITS iba a ser una primera etapa reutilizable de 12 m de diámetro (39 pies) , 77,5 m de altura (254 pies) , impulsada por 42 motores, cada uno de los cuales producía 3024 kilonewtons (680 000 lbf) de empuje . El empuje total del propulsor habría sido de 128 MN (29 000 000 lbf) en el despegue, aumentando a 138 MN (31 000 000 lbf) en el vacío, ^{[ 45 ]} varias veces el empuje de 36 MN (8 000 000 lbf) del Saturno V. [ ^{41 ] Pesaba} 275 toneladas (606 000 lb) cuando estaba vacío y 6700 toneladas (14 800 000 lb) cuando estaba completamente lleno de propelente. Habría utilizado aletas de rejilla para ayudar a guiar el propulsor a través de la atmósfera para un aterrizaje preciso. ^{[ 45 ]} La configuración del motor incluía 21 motores en un anillo exterior y 14 en un anillo interior. El grupo central de siete motores podría girar para el control direccional, aunque parte del control direccional se lograría mediante el empuje diferencial con los motores fijos. Cada motor sería capaz de regular su potencia entre el 20 y el 100 por ciento del empuje nominal. ^{[ 42 ]}             

El objetivo del diseño era lograr una velocidad de separación de aproximadamente 8650 km/h (5370 mph) mientras se conservaba alrededor del 7 % del propulsor inicial para lograr un aterrizaje vertical en la plataforma de lanzamiento . ^{[ 42 ] [ 46 ]} El diseño contemplaba aletas de rejilla para guiar el propulsor durante la reentrada atmosférica . ^{[ 42 ]} Se esperaba que los vuelos de retorno del propulsor encontraran cargas menores que el Falcon 9, principalmente porque el ITS tendría una menor relación de masa y una menor densidad. ^{[ 47 ]} El propulsor se diseñaría para cargas nominales de 20 g , y posiblemente hasta 30–40 g . ^{[ 47 ]}    

A diferencia del método de aterrizaje utilizado en el Falcon 9 de SpaceX —ya sea una gran plataforma plana de hormigón o una plataforma de aterrizaje flotante en el horizonte— , el propulsor ITS iba a ser diseñado para aterrizar en la propia plataforma de lanzamiento, para el reabastecimiento de combustible y el relanzamiento inmediatos. ^{[ 42 ]}

La segunda etapa del ITS estaba diseñada para vuelos espaciales de larga duración, en lugar de usarse únicamente para alcanzar la órbita. Las dos variantes propuestas tenían como objetivo ser reutilizables. ^{[ 41 ]} Su ancho máximo sería de 17 m (56 pies) , con tres motores Raptor para nivel del mar y seis optimizados para encendido en el vacío. El empuje total del motor en el vacío sería de aproximadamente 31 MN (7.000.000 lbf) . ^{[ 48 ]}    

• La nave espacial interplanetaria habría funcionado como una segunda etapa y vehículo de transporte interplanetario para carga y pasajeros. Su objetivo era transportar hasta 450 toneladas (990 000 lb) por viaje a Marte tras el reabastecimiento de combustible en órbita terrestre. ^{[ 41 ]} Sus tres motores Raptor a nivel del mar estaban diseñados para usarse en maniobras, descenso, aterrizaje y ascenso inicial desde la superficie de Marte. ^{[ 41 ]} Habría tenido una capacidad máxima de 1950 toneladas (4 300 000 lb) de propelente y una masa en seco de 150 toneladas (330 000 lb). ^{[ 48 ]}  
• El avión cisterna ITS funcionaría como un buque cisterna de propelente , transportando hasta 380 toneladas (840 000 lb) de propelente a la órbita terrestre baja en un solo lanzamiento. Después de las operaciones de reabastecimiento de combustible, aterrizaría y se prepararía para otro vuelo. ^{[ 49 ]} Tenía una capacidad máxima de 2500 toneladas (5 500 000 lb) de propelente y una masa en seco de 90 toneladas (200 000 lb) . ^{[ 48 ]}   

En septiembre de 2017, en la 68.ª reunión anual del Congreso Astronáutico Internacional , Musk anunció un nuevo vehículo de lanzamiento llamado BFR , cambiando nuevamente el nombre, aunque afirmando que el nombre era temporal. ^{[ 9 ]} El acrónimo también se interpretó como Big Falcon Rocket o Big Fucking Rocket , una referencia irónica al BFG ("Big Fucking Gun") de la serie de videojuegos Doom . ^{[ 32 ]} Musk previó las dos primeras misiones de carga a Marte ya en 2022, ^{[ 50 ]} con el objetivo de "confirmar los recursos hídricos e identificar peligros" mientras desplegaba "infraestructura de energía, minería y soporte vital" para futuros vuelos. A esto le seguirían cuatro naves en 2024, dos naves espaciales BFR tripuladas más dos naves de carga que transportarían equipos y suministros para una planta de propulsor. ^{[ 9 ]}

El diseño equilibró objetivos como la masa de la carga útil, las capacidades de aterrizaje y la fiabilidad. El diseño inicial mostraba el buque con seis motores Raptor (dos a nivel del mar y cuatro en el vacío), en lugar de los nueve del diseño ITS anterior. ^{[ 9 ]}

Para septiembre de 2017, los Raptors habían sido probados durante un total combinado de 20 minutos en 42 ciclos de prueba. La prueba más larga fue de 100 segundos, limitada por el tamaño de los tanques de propulsor. El motor de prueba operó a 20 MPa (200 bar; 2900 psi) . El motor de vuelo apuntaba a 25 MPa (250 bar; 3600 psi) , camino a 30 MPa (300 bar; 4400 psi) en iteraciones posteriores. ^{[ 9 ]} En noviembre de 2017, Shotwell indicó que aproximadamente la mitad de todo el trabajo de desarrollo del BFR se centró en el motor. ^{[ 51 ]}         

SpaceX buscó sitios de fabricación en ^{California, Texas, Luisiana [52] y Florida. [53]} Para septiembre de 2017 , SpaceX ^{había comenzado} a construir componentes ^{de vehículos de} lanzamiento: "Se ha pedido el utillaje para los tanques principales, se está construyendo la instalación, comenzaremos la construcción de la primera nave [en el segundo trimestre de 2018]". ^{[ 9 ]}

A principios de 2018, el primer prototipo de barco de material compuesto de carbono estaba en construcción, y SpaceX había comenzado a construir una nueva planta de producción en el Puerto de Los Ángeles , California. ^{[ 54 ]}

En marzo, SpaceX anunció que fabricaría su vehículo de lanzamiento y nave espacial en una nueva instalación en Seaside Drive en el puerto. ^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]} Para mayo, unos 40 empleados de SpaceX estaban trabajando en el BFR. ^{[ 52 ]} SpaceX planeaba transportar el vehículo de lanzamiento en barcaza , a través del Canal de Panamá , hasta Cabo Cañaveral para el lanzamiento. ^{[ 52 ]} Desde entonces, la compañía ha rescindido los acuerdos para hacerlo.

En agosto de 2018, el jefe del Comando de Movilidad Aérea de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos expresó interés en la capacidad del BFR para mover hasta 150 t (330 000 lb) de carga   a cualquier parte del mundo en menos de 30 minutos, por "menos del costo de un C-5 ". ^{[ 58 ] [ 59 ]}

El BFR fue diseñado para tener 106 metros (348 pies) de altura, 9 metros (30 pies) de diámetro y estar hecho de compuestos de carbono . ^{[ 50 ] [ 60 ]} La etapa superior, conocida como Big Falcon Ship (BFS), incluía una pequeña ala delta en el extremo posterior con flaps divididos para el control de cabeceo y alabeo . Se decía que el ala delta y los flaps divididos ampliaban la envolvente de vuelo para permitir que la nave aterrizara en una variedad de densidades atmosféricas (vacío, atmósfera delgada o densa) con una amplia gama de cargas útiles. ^{[ 50 ] [ 9 ] : 18:05–19:25} El diseño del BFS originalmente tenía seis motores Raptor, con cuatro de vacío y dos de nivel del mar. A finales de 2017, SpaceX agregó un tercer motor de nivel del mar (un total de 7) para permitir aterrizajes de carga útil Tierra-Tierra más grandes y aún así garantizar la capacidad si uno de los motores falla. ^{[ 61 ] [ a ]}  

Se describieron tres versiones del BFS: BFS de carga, BFS cisterna y BFS tripulado. La versión de carga se habría utilizado para alcanzar la órbita terrestre ^{[ 50 ]} , así como para transportar carga a la Luna o Marte. Tras repostar en una órbita terrestre elíptica, el BFS fue diseñado para poder aterrizar en la Luna y regresar a la Tierra sin otro repostaje. ^{[ 50 ] [ 9 ] : 31:50} El BFR también tenía como objetivo transportar pasajeros/carga en transporte Tierra-Tierra, entregando su carga útil en cualquier lugar en 90 minutos. ^{[ 50 ]}

En diciembre de 2018, el material estructural se cambió de compuestos de carbono ^{[ 42 ] [ 41 ]} a acero inoxidable, ^{[ 11 ] [ 12 ]} marcando la transición de los primeros conceptos de diseño de la Starship. ^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]} Musk citó numerosas razones para el cambio de diseño; bajo costo y facilidad de fabricación, mayor resistencia del acero inoxidable a temperaturas criogénicas , así como su capacidad para soportar altas temperaturas. ^{[ 15 ] [ 13 ]} La alta temperatura a la que el acero de la serie 300 pasa a deformación plástica eliminaría la necesidad de un escudo térmico en el lado de sotavento de la Starship, mientras que el lado de barlovento, mucho más caliente, se enfriaría permitiendo que el combustible o el agua se filtraran a través de microporos en una piel de acero inoxidable de doble pared, eliminando el calor por evaporación . El lado de barlovento refrigerado por líquido se cambió en 2019 para usar losetas de escudo térmico reutilizables similares a las del transbordador espacial . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

En 2019, SpaceX comenzó a referirse a todo el vehículo como Starship, llamando a la segunda etapa Starship y al propulsor Super Heavy . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 62 ] [ 63 ]} En septiembre de 2019, Musk realizó un evento sobre el desarrollo de Starship durante el cual detalló aún más el propulsor de la etapa inferior, el método de control de descenso de la etapa superior, el escudo térmico, la capacidad de reabastecimiento orbital y los posibles destinos además de Marte. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

Durante los años de diseño, la proporción de motores para nivel del mar y motores para vacío en la segunda etapa varió drásticamente. Para 2019, el diseño de la segunda etapa se había estabilizado en seis motores Raptor: tres optimizados para nivel del mar y tres optimizados para vacío . ^{[ 21 ] [ 22 ]} Para disminuir el peso, los flaps traseros en la segunda etapa se redujeron de tres a dos. ^{[ 23 ]} Más adelante en 2019, Musk declaró que se esperaba que Starship tuviera una masa de 120 000 kg (260 000 lb) y que pudiera transportar inicialmente una carga útil de 100 000 kg (220 000 lb) , aumentando a 150 000 kg (330 000 lb) con el tiempo. Musk insinuó una variante desechable que podría colocar 250 toneladas en órbita baja. ^{[ 64 ]}      

A medida que avanzaba el desarrollo del cohete, coincidió con los renovados esfuerzos de exploración lunar de la NASA bajo el programa Artemis . La asociación resultante llevó a la compañía a revisar sus objetivos a corto plazo, priorizando un alunizaje tripulado antes de emprender misiones a Marte. En 2021, la NASA seleccionó una variante lunar de la nave espacial como el Sistema de Aterrizaje Humano (HLS) para el programa. ^{[ 65 ]} La NASA y la compañía han continuado abordando los desafíos técnicos y de programación asociados con el programa translunar de Starship en un esfuerzo por acelerar el cronograma de despliegue para futuras misiones lunares ^{[ 66 ]} .

Un posible uso futuro de Starship que SpaceX ha propuesto son los vuelos punto a punto (llamados vuelos "Tierra a Tierra" por SpaceX), que permitirían viajar a cualquier lugar de la Tierra en menos de una hora. ^{[ 67 ]} En 2017, la presidenta y directora de operaciones de SpaceX, Gwynne Shotwell, afirmó que los viajes punto a punto con pasajeros podrían ser competitivos en costo con los vuelos convencionales de clase ejecutiva . ^{[ 68 ]} John Logsdon , un académico especializado en política e historia espacial, dijo que la idea de transportar pasajeros de esta manera era "extremadamente irrealista", ya que la nave pasaría de la ingravidez a una aceleración de 5 g . ^{[ 69 ]} También comentó que "Musk llama a todo esto 'aspiracional', que es una buena forma de decir que probablemente no sea alcanzable". ^{[ 69 ]}

• Historia de SpaceX
• Proceso de diseño del transbordador espacial
• La ambición de SpaceX de colonizar Marte
• Estudió los diseños del transbordador espacial.