Sistema espaçonave/foguete reutilizável da SpaceX
A Starship é uma nave espacial totalmente reutilizável de 9 metros de diâmetro e 50 metros de comprimento, com uma massa seca de 120.000 kg, movida por seis motores Raptor de duas diferentes configurações usando como propelentes metano e oxigênio líquidos. O empuxo total da nave é de aproximadamente 11.500 kN (1.170 tf). Serve como segundo estágio de um foguete, o SuperHeavy, que fará a fase de impulso inicial até grande altitude. Como o Falcon 9, o SuperHeavy /Starship usará combustível sub-resfriado, o que permite que o foguete carregue de 10 a 12% a mais no mesmo volume. Mas, ao contrário dos foguetes Falcon, que usam querosene, o Super Heavy/Starship queima o metano.
Segundo as informações divulgadas pela empresa em 2023, a nave é capaz de colocar 150 toneladas em órbita baixa em versão reutilizável (e 250 toneladas em modo descartável). A capacidade de carga da versão reutilizável da Starship vai de 100 a 150 toneladas, a depender da órbita-alvo. A capacidade de carga da versão tripulada seria de mais de 100 toneladas, enquanto o volume útil disponível no compartimento habitável será de 1.100 m3. Os seis motores Raptor da nave podem teoricamente produzir 1.380 toneladas-força, sendo que a massa de lançamento deve estar em torno de 1.300 toneladas, levando a uma relação empuxo/massa de quase 1:1.
Já o foguete de primeiro estágio SuperHeavy, com 33 motores com potência de 230 tf, deve desenvolver um total de 7.590 toneladas-força de empuxo.
Foi apresentada há varios anos por Elon Musk com vários nomes, em diversas ocasiões. Os custos de desenvolvimento originalmente planejados foram estimados em cerca de 10 bilhões de dólares americanos em 2016, sendo os custos para o primeiro estágio inicialmente em 2 a 10 bilhões. Os recursos financeiros para o desenvolvimento do foguete devem vir, em primeiro lugar, por meio de lançamentos de satélites comerciais, voos de abastecimento para a estação espacial ISS e turismo espacial, e por receitas da operação de sua própria rede de satélites Starlink. O passageiro lunar e bilionário Yusaku Maezawa também deu uma contribuição significativa. A NASA contribuiu inicialmente com US $ 135 milhões como parte do programa Artemis e mais 53 milhões no escopo do programa de financiamento de tecnologia ‘Tipping Point’. A NASA está contribuindo com US $ 2,89 bilhões para o desenvolvimento da nave como do módulo lunar (este financiamento até esteve suspenso por litígio da Blue Origin e da Dynetics dentro do programa de terceirização da NASA para o Artemis). Este valor também inclui a implementação de um teste de alunissagem não tripulado e um tripulado. Concentrando-se nos Starship e Super Heavy como a única futura plataforma de foguetes, as capacidades de capital e desenvolvimento também foram liberadas, já que quase não há qualquer esforço para o desenvolvimento de novas versões do Falcon 9, Falcon Heavy e espaçonaves Dragon.
Locais de aterrissagem
A nave espacial usaria inicialmente a plataforma de pouso LZ-1 existente no Cabo Canaveral, onde os foguetes Falcon pousam regularmente. No entanto, a SpaceX também quer construir novas plataformas de pouso de 85 metros de diâmetro dentro do complexo de lançamento 39A. Como uma contingência, a Starship também seria capaz de pousar em uma balsa-drone (‘droneship‘) como o Super Heavy. O pouso da nave em LZ-1 causaria estrondos sônicos que poderiam ser ouvidos em uma área muito maior em comparação com o pouso dos boosters do Falcon 9.
Em um documento publicado em seu site em 2021, a Federal Aviation Administration anunciou que determinou que os planos da empresa para construir uma grande torre de lançamento para seu sistema Starship não representavam perigo para a aviação. O documento revelou que a SpaceX pretendia construir uma torre de lançamento de 146 metros de altura em seu centro de lançamento de Boca Chica no sul do Texas.
O documento afirmava: “A SpaceX está propondo uma torre de lançamento de 142.9 metros de altura com para-raios de 3 metros para erguer seu novo foguete e propulsor na montagem de lançamento e para capturar o propulsor superpesado ao retornar do lançamento. A torre será construída com treliças de aço estrutural para permitir que os braços mecânicos levantem os veículos.” O lançador móvel da NASA, para o foguete Space Launch System, tem 115,8 metros.
Aplicabilidades do Super Heavy/Starship
A SpaceX pretende oferecer seu sistema para praticamente qualquer finalidade concebível. Musk mencionou a possibilidade de lançar muitos satélites menores ao mesmo tempo, ou criar novos tipos de satélites que beneficiariam uma grande seção de carga útil da Starship . Nenhuma outra empresa oferece atualmente esse serviço, então o tamanho dos satélites é frequentemente limitado pelas dimensões de carenagens de carga útil relativamente pequenas dos foguetes convencionais. Musk deu um exemplo de telescópio espacial que, se lançado no Super Heavy/Starship, poderia ter um espelho 10 vezes maior que o telescópio Hubble sem nenhum mecanismo de implantação complexo. Coincidentemente, a NASA fez um estudo para determinar se o Super Heavy/Starship poderia ser usado para lançar um gigantesco telescópio espacial LUVOIR com um diâmetro de espelho entre 8 e 18 metros. Além disso, o Super Heavy/Starship “pode coletar satélites antigos ou detritos espaciais se houver interesse na indústria,” sugeriu Musk.
O Super Heavy/Starship também é capaz de oferecer transporte intercontinental extremamente rápido. Nesse cenário, o veículo seria lançado de uma das muitas plataformas flutuantes que estariam perto de grandes cidades. A nave então se separaria do propulsor que pousaria em algum lugar enquanto a nave com os passageiros continuaria seu caminho. Então, a Starship pousaria perto da cidade de destino em uma plataforma flutuante semelhante àquela de onde foi lançada. A maioria dessas viagens de longa distância levaria cerca de 30 minutos. “Você pode chegar até o lugar mais distante da Terra em uma hora.” diz Musk, e o preço desse modo de transporte seria comparável a passagens aéreas regulares e, de acordo com a presidente de operações, Gwynne Shotwell, o serviço estaria operacional em dez anos.
Projeto dearMoon
O bilionário japonês Yusaku Maezawa pagou uma grande quantia em dinheiro por uma viagem de uma semana em uma nave superpesada ao redor da Lua. Quando ele anunciou esses planos em setembro de 2018, também confirmou que era o cliente misterioso que pagou a SpaceX em 2017 por um voo ao redor da Lua na nave Crew Dragon. Mas como a missão exigia o Falcon Heavy, um foguete que a SpaceX não planeja certificar para voos tripulados, a viagem será feita usando Super Heavy/Starship. Maezawa é um amante da arte, e disse que queria “compartilhar essa experiência espacial única com outros artistas de todo o mundo (pintor, fotógrafo, cineasta, etc.) que irão voar com ele ao redor da Lua.” Ele acredita que as obras de arte inspiradas na experiência dos artistas “contribuirão para a paz mundial e despertarão os sonhadores em todos nós.” Maezawa chama esse projeto de arte de DearMoon e o plano era voar ao redor da Lua em 2023. O perfil exato do voo lunar ainda não foi finalizado, mas a viagem deve levar cerca de 6 dias. O Super Heavy/Starship será lançado da Terra com Maezawa e 6 a 8 outros artistas a bordo e a Starship alcançará uma órbita de estacionamento ao redor da Terra. Em seguida, serão acionados os motores para impulsionar a nave até a Lua, onde chegará em 2 dias. Os passageiros tornar-se-ão assim as primeiras pessoas privadas a ultrapassar a órbita da Terra. A fase de vôo perto da Lua levará cerca de um dia, e então a nave começará a retornar , pousando dois dias depois. Elon Musk espera planejar a missão de forma que a nave chegue muito perto da superfície lunar.
Musk estimou o custo total de desenvolvimento de Super Heavy/Starship em cerca de US $ 5 bilhões, mas ele asseverou que é muito difícil estimar. Acrescentou que certamente seria mais de US $ 2 bilhões, mas provavelmente menos de US $ 10 bilhões. Em comparação, o desenvolvimento dos foguetes Falcon 9 e Falcon Heavy custou entre 1 e 2 bilhões de dólares no total.
A Força Aérea dos Estados Unidos também contribuiu com fundos para o desenvolvimento do motor Raptor e, de acordo com o presidente da SpaceX, Gwynne Shotwell, é provável que algum dinheiro governamental para o desenvolvimento de foguetes também possa ser obtido , já que o Super Heavy/Starship será capaz de fazer missões que ser do interesse do governo. No entanto, o desenvolvimento do foguete continuará, mesmo que o governo não contribua.
Elon Musk esperava com certo otimismo que dois foguetes Super Heavy/Starship possam ir para Marte já em 2022. Ele admitiu que é uma meta muito ambiciosa, mas disse que os poucos anos que faltam, para ele, parecem muito tempo. Esses lançamentos iniciais para Marte seriam não tripulados, e seu objetivo principal seria identificar riscos potenciais, confirmar a presença de água na área-alvo e oferecer equipamentos essenciais necessários para oferecer energia e suporte de vida para missões futuras e estabelecer uma operação de mineração.
A nave espacial é também o segundo estágio do foguete-lançador, cujo primeiro estágio é chamado SuperHeavy – Superpesado. Esse primeiro estágio deve ser equipado com 33 motores Raptor, todos os quais são usados para decolagens com carga útil total. Juntos, eles produziriam até 7.711.070 toneladas-força de empuxo. O primeiro estágio do foguete é chamado de Super Heavy e o segundo estágio, Starship, e juntos pesam 5 mil toneladas. De acordo com Elon Musk, também é possível usar o termo “Starship ” para todo conjunto. Os dois estágios têm 9 metros de diâmetro e juntos medem 118 metros de altura, tornando o Super Heavy/Starship o foguete mais alto de todos os tempos (o Saturn V media 111,63 metros). Supõe-se que o Super Heavy/Starship seja capaz de transportar até 100 toneladas de carga para a órbita baixa da Terra (e após o reabastecimento em órbita deve ser capaz de transportar 100 toneladas a Marte). Os propulsores de controle de reação em ambos os estágios do foguete eram originalmente considerados muito poderosos, usando metano e, de acordo com Musk, “com um design mais próximo da câmara principal do Raptor do que SuperDraco” Eventualmente, no entanto, os planos foram simplificados e Elon Musk anunciou que o veículo seria equipado apenas com propulsores de nitrogênio comprimido menos potentes. O Super Heavy/Starship terá a maior capacidade de carga útil de todos os foguetes da história, mas devido à sua total reutilização, também será o foguete mais barato em termos de custo marginal. O preço por lançamento é esperado em milhões de dólares de um dígito. Em contraste, o Falcon 9 custa pelo menos US $ 50 milhões. Musk comentou sobre o preço: “Isso vai soar implausível, mas acho que há um caminho para construir uma Starship /Super Heavy por menos do que a Falcon 9. ” Musk também acredita que o custo da nave – por quilograma de carga para a órbita baixa da Terra – será pelo menos dez vezes menor do que o do Falcon 9.
Um grupo interno de sete motores deve ter empuxo basculante (gimbal) para direção na fase de subida e assumir o controle na reentrada e aterrissagem. O primeiro estágio deve voar de volta à Terra depois de ser separado da Starhip . Pelo menos inicialmente, o Super Heavy pousaria em um ‘droneship’, assim como os boosters do Falcon 9 fazem agora. O droneship seria posicionado a pelo menos 37 km da costa. A SpaceX tem planos mais frequentemente divulgado de tentar pousá-lo em um equipamento de segurança diretamente na torre de lançamento na plataforma de lançamento para permitir a reutilização rápida. Isso também economizaria o peso e o custo do trem de pouso.
Projeto estrutural
O aço não magnético AISI 301 de alta resistência com teor de cromo-níquel foi o escolhido para a construção da fuselagem e superfícies de controle da nave e do foguete. São materiais 4310/20 de 3.03mm de espessura, comprados em rolos de 1.830 mm de largura por 175 metros de comprimento. Cada bloco pesa 7.666 kg. Também há rolos 4310/20 de 3,97mm de espessura, 1.829mm de largura e 193m de comprimento, com 11.071kg. O núcleo 301/4310 é um aço inoxidável austenítico CrNi com alto teor de carbono e teor de níquel relativamente baixo. Ele apresenta um alto grau de endurecimento do trabalho (o processo de tornar um metal mais duro e mais forte através da deformação plástica) na deformação mecânica. Este produto é usado em aplicações em que são necessárias resistência à corrosão e uma combinação de alta resistência mecânica e boa conformabilidade. O aço é resistente em temperaturas extremamente baixas e não derrete em temperaturas extremamente altas. O aço é uma liga, de ferro e muitos outros elementos como manganês, enxofre e carbono e ao adicionar elementos como níquel, titânio e especificamente cromo, pode-se alterar as suas propriedades. O aço inox tem mais cromo do que outros aços (exigindo um mínimo de 10% de cromo), e a Starship está usando aço inox 301. Este tem 17 % de cromo e 7 % de níquel. As ligas de aço inoxidável tendem a possuir uma camada forte e fina de óxido que evita a ferrugem, daí o nome de aço inox; O cromo na liga forma uma camada protetora de óxido transparente com autocura. Mesmo se a superfície do material for cortada ou danificada, ela se autocurará e a resistência à corrosão será mantida.. Ele permanece sólido até 1.500 graus centígrados, o que lhe permite lidar com o calor da reentrada, sem um escudo térmico, tornando a Starship muito mais leve.
A fibra de carbono é considerada ideal para aplicações industriais devido à sua relação resistência / peso, porém é um material caro: custa US $ 130 mil por tonelada, enquanto o aço inoxidável custa US $ 2,5 mil. Após avaliações, equipamentos no valor de milhões de dólares para a fabricação de fuselagens de foguetes de fibra de carbono, que era o material original, foram desmontados na fábrica de Musk em março de 2019. Durante a apresentação de um protótipo em tamanho real da nave em 29 de setembro de 2019, Musk disse que, graças ao uso do aço, a SpaceX gastaria apenas US $ 10 milhões em materiais para um foguete, em vez de US $ 400-500 milhões.
Na outra extremidade do espectro de temperatura, o aço inox tem maior tenacidade criogênica devido ao teor de níquel – o que significa que em temperaturas extremamente baixas (-150 a -273 graus Celsius) ele tem alta ductilidade e alta resistência à tração, então pode ser esticado sem quebrar. Na verdade, em temperaturas criogênicas, a resistência à tração do aço inoxidável é maior do que em temperaturas ambientes. Uma qualidade subjacente. Em temperaturas criogênicas, o aço inoxidável 301 é tão forte quanto qualquer outro composto avançado ou alumínio-lítio. Além disso, é menos corrosivel, mais fácil de manter, sem necessidade de pintura. A maioria das ligas de aço inoxidável tem excelente resistência à corrosão em condições normais. A Starship é a prova desta resistência corrosiva, pois foi soldada sem nenhuma tenda protegendo-a. A equipe de engenheiros constrói os protótipos ao ar livre, com um vento constantemente soprando e condiçoes de maresia. Musk disse que o material final não seria exatamente o grau 301 porque a liga usada seria gradualmente modificada, mas deveria ser algo muito semelhante ao 301. Mais tarde, Musk também mencionou o aço 310S que seria usado nas partes do veículo que passariam por as temperaturas mais altas na reentrada. As chapas de aço estão sendo fabricadas por um oferecedor com base nas especificações da SpaceX, enquanto a empresa faz sua própria fabricação em sua fundição em Hawthorne. O aço é “conformado a frio”.
Proteção térmica na espaçonave
Graças ao ponto de fusão mais alto do aço, o novo design do Super Heavy/Starship exigirá “muito menos” proteção térmica. Esse fato compensa o maior peso do aço em relação aos compósitos de carbono. Isso significa que o lado sotavento da nave não precisa de proteção térmica. Na nave, do lado a barlavento , Musk queria usar o primeiro escudo térmico regenerativo: “Uma concha de parede dupla de aço inox – como um sanduíche. Você só precisa, essencialmente, de duas camadas unidas por longarinas. Você flui combustível ou água entre as camadas desse sanduíche, e então usa microperfurações na parte externa – muito pequenas – e essencialmente sangra água, ou você pode sangrar o combustível, através dessas microperfurações na parte externa. Você não os veria a menos que chegasse bem perto. Mas você usa o resfriamento por transpiração para resfriar o lado de barlavento do foguete.”
Mais tarde, Musk explicou que a maior parte do lado de barlavento consistirá em ladrilhos hexagonais. Sua forma foi escolhida porque dessa forma não há “caminho direto para o gás quente da reentrada acelerar através das lacunas”. No entanto, Musk não disse de que material essas telhas eram feitas. Especulou-se que poderia ser feito de aço 310S ou material TUFROC (Toughened Uni-piece Fibrous Reforced Oxidation-Resistant Composite), no qual a SpaceX e a NASA têm colaborado desde junho de 2018. Musk acrescentou que o resfriamento por transpiração ” será adicionado sempre que houver erosão da blindagem” para que o sistema de proteção térmica possa ser reutilizado. “A nave precisa estar pronta para voar novamente imediatamente após o pouso. Remodelação zero ”, acrescentou ele.
A SpaceX desenvolveu a versão de silicato da versão de fibra de carbono da do TUFROC. Essas telhas são uma estrutura de duas camadas composta por um suporte com barreira térmica aprimorada de alumina (Alumina Enhanced Thermal Barrier – AETB), com um revestimento superior carbonáceo tratado, feito de uma camada de isolamento de carbono cerâmico resistente à oxidação refratária (refractory oxidation-resistant ceramic carbon insulation ROCCI). A base de isolamento de sílica fibrosa impregnada é chamada de ‘isolamento fibroso de uma peça endurecida’ ou (‘toughened uni-piece fibrous insulation’-TUFI). As fibras de alumino-borosilicato são reforçadas com B203-trióxido de diboro.
O AETB é o material de base para a adição de siliceto de tântalo, TaSi2, dissilicida de molibdênio, MoSi2, e dissilicida de tungstenio, WSi2. O ROCCI é aplicado por cima dessas camadas.
As telhas são moldadas com uma mistura em consistência de pasta e secas em estufa a 200 ° C por 2 horas. A superfície superior é então tratada com um revestimento anti-oxidação de vidro de borosilicato aplicado por spray de revestimento em pó e, em seguida, sinterizado a 1550 ° C por 120 minutos em um forno a vácuo de alta temperatura. Cada ladrilho regular tem aproximadamente o tamanho de um prato hexagonal de tamanho normal e 25 mm de espessura. Esse material isolante é composto por cerca de 60% a cerca de 80% em peso de fibras de sílica, cerca de 20% a cerca de 40% em peso de fibras de alumina e cerca de 0,1% a cerca de 1,0% de pó contendo boro. O pó contendo boro específico usado é de carboneto de boro que fornece subprodutos contendo boro, que auxiliam na fusão e sinterização das fibras de sílica e alumina. O material é produzido formando uma pasta aquosa, misturando e cortando as fibras por meio de um misturador de cisalhamento, orientando as fibras na direção no plano, drenando a água dessas fibras, pressionando-as em um tarugo, aquecendo as fibras para remover a água residual , e queimando o tarugo para fundir as fibras do material. Após a sinterização, a densidade aparente do novo material de isolamento varia de 6 a 20 libras por pé cúbico. A densidade é cerca de 0,57g / cc. Existem cerca de seis formas sendo produzidas. Eles são todos feitos individualmente por peças cozidas, daí a ligeira variação de cor entre cada lote.
Suportes para fixar os ladrilhos com um grampo de aço no casco da nave são feitos de aço inoxidável e adicionadas durante o processo de fabricação.
O aço subjacente é projetado para sobreviver à perda de uma telha. Há uma manta isolante de lã de vidro com 2,5 cm de espessura separando o ladrilho do corpo do foguete. Este cobertor é protegido com uma malha à prova de fogo.
Ao retornar de uma órbita baixa, cerca de 20% da superfície da nave seria exposta a uma temperatura máxima de cerca de 1476 ° C , um adicional de 20% a 1326 ° C e o resto da superfície atingiria uma temperatura máxima abaixo de 1176 ° C , que o aço 310S poderia suportar sem qualquer resfriamento adicional. Quanto às temperaturas a que o impulsionador SuperHeavy seria exposto na reentrada, Musk explicou que as temperaturas nas partes mais quentes do foguete não devem exceder 330 ° C e as ao redor da seção do motor não devem exceder 925 ° C . O aço pode lidar com essas temperaturas apenas com resfriamento radiativo passivo.
Os engenheiros da SpaceX desenvolveram novas máquinas para auxiliar na construção de protótipos de naves estelares. Os engenheiros criaram uma nova ferramenta de soldagem chamada “junta articulada” com o objetivo de acelerar a produção dos domos dos tanques da nave espacial e melhorar a qualidade da solda. A junta de costura se parece com um zíper gigante que se articula na frente e atrás de uma cúpula, como uma concha de taco em torno de seu recheio. Na frente, a costura a ser soldada é projetada para se alinhar ao longo do zíper, que se fixa para baixo para um ajuste preciso. Então, em cerca de 10 minutos, uma tocha automatizada rastreará o comprimento da curva, produzindo uma solda precisa. Em seguida, a cúpula é girada para trazer a próxima costura à vista.
Os engenheiros também desenvolveram uma “máquina de raio X blindada” para inspecionar a qualidade da soldagem. Normalmente, as equipes de raio-X devem limpar a área de trabalho ao usar radiação, portanto, o processo de inspecionar as soldas de uma espaçonave inteira pode levar um dia inteiro. A nova máquina de raio-X blindada pode ajudar as equipes a realizar inspeções de solda em poucas horas. “Se você está apenas tentando fazer algo, basicamente tudo pode ser feito pela equipe de engenharia. Mas se você quiser realmente fazer algo em um volume razoável, você tem que construir a máquina que faz a máquina, que matematicamente vai ser muito mais complicado do que a própria máquina “, disse Musk. “O que faz a máquina não vai ser mais simples do que a máquina. Vai ser muito mais complicado. As coisas precisam ser traduzidas em instruções que a pessoa comum possa entender. Você não pode ter alguém com um mestrado em engenharia do MIT, fazendo à mão todas as partes. Não é possível. Simplesmente não são suficientes. O MIT não está formando pessoas suficientes.
De acordo com Gwynne Shotwell, chefe de operações da empresa, o Super Heavy/Starship não pode ser fabricado na fábrica da SpaceX em Hawthorne devido às suas dimensões, pois seria muito caro transportar peças tão grandes por estrada:
“Pensamos em construi-lo em nossa fábrica em Hawthorne, mas estudamos o transporte para o espaçoporto e custaria US $ 2,5 milhões por viagem. Seria necessário derrubar os semáforos e pontes e simplesmente não valeria a pena. Portanto, construiremos uma nova instalação perto do mar. No final, também teremos vários locais de produção em nossos locais de lançamento. “
A avaliação ambiental da SpaceX para a Starship e o SuperHeavy em uso no Kennedy Space Center na Flórida, publicada em agosto de 2019, mencionou que a fabricação e montagem dos componentes do veículo de lançamento ocorreria nas instalações existentes da SpaceX localizadas em KSC e CCAFS. Essas instalações podem incluir a Área 59 e a Instalação de Processamento de Carga Útil (PPF) no CCAFS, o Falcon Hangar em LC-39A e a área de operações KSC SpaceX a ser construída em breve na Roberts Road. A SpaceX também executaria operações de fabricação, montagem e integração na Propriedade do Terreno do Parque da Estação de Serviço Móvel (MSS) e na área da Crawlerway. As tendas de preparação e fabricação temporária podem ser usadas na Via Crawler para apoiar as operações.
Em maio de 2020, Musk disse que foguete Super Heavy da Space mudaria “…um pouco. Terá 31 motores, não 37, sem grandes aletas e pernas semelhantes à nave Starship. A cúpula de empuxo é a parte super difícil. O impulso do [motor] Raptor ao nível do mar começará em 200 toneladas, mas será aumentado gradualmente para 250 toneladas.”
Em abril de 2018, a SpaceX alugou uma propriedade no porto de Los Angeles para construir uma fábrica de foguetes por US $ 1,38 milhão por ano. No entanto, a SpaceX abandonou esses planos em janeiro de 2019 e em março de 2019, Elon Musk anunciou que Starship & Super Heavy seriam construídos perto das plataformas de lançamento em Boca Chica e no Cabo Kennedy simultaneamente. No entanto, em janeiro de 2020, a SpaceX retomou as negociações com autoridades da cidade para construir intalações no porto de Los Angeles, afinal.
O planejamento original incluía plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) para a estrutura de suporte de carga e dos tanques . A partir do final de 2018, uma mudança foi feita para uma construção de aço inoxidável. A construção é de parede única, o que significa que o invólucro do tanque também é o casco externo do foguete; além disso, os tanques de oxigênio e metano são separados apenas por uma simples antepara de chapa metálica.
Além dos principais tanques de propelente, a Starship também terá tanques menores, os header tanks – tanques de cabeça ou tantes de pouso – que permanecerão cheios até a queima do pouso. De acordo com Musk, isso é importante porque, do contrário, haveria o risco de os motores sugarem uma bolha de ar causada pelo propelente flutuando dentro dos tanques principais sem gravidade após o lançamento. Essa bolha poderia danificar os motores. Portanto, a nave terá tanques menores semelhantes aos vistos na versão anterior do foguete BFR. Mas Musk disse que os tanques reais seriam um pouco mais simples do que os da apresentação do BFR de 2017.
Os tanques serão pressurizados – tanto no foguete quanto no estágio superior – com o auxílio de metano e oxigênio gasosos, que são aquecidos nos geradores de gás dos motores e, em seguida, realimentados nos tanques. Isso se chama pressurização autógena. Na primeira tentativa de pouso com um protótipo de Starship, descobriu-se que a pressão gerada no tanque header de metano separado, que é usado durante a fase giro de transição de horizontal para vertical, não era suficiente. Por esse motivo, pelo menos por enquanto, foi feita uma mudança para a pressurização convencional com hélio.
Incomum para os projetos de veículos de lançamento e espaçonaves anteriores, à exceção do Space Shuttle americano, a Starship deve funcionar como um segundo estágio para atingir a velocidade orbital em lançamentos da Terra, e ainda será usada no espaço como uma espaçonave em órbita de longa duração.
O projeto da Starship prevê ser totalmente reutilizável, mesmo quando usado como um segundo estágio para ascensão orbital. A nave está sendo projetada de modo a ser capaz de reentrar na atmosfera terrestre a partir de velocidades orbitais e pousar verticalmente, com objetivo de rápida reutilização. Conforme anunciado em maio de 2019, a Starship usará três motores Raptor otimizados para o nível do mar e três outros Raptor otimizados para vácuo. Esses motores ao nível do mar são idênticos aos motores do impulsionador Super Heavy. O uso de transporte no espaço deve utilizar uma variante de Raptor otimizada para vácuo para otimizar o impulso específico (Isp) para aproximadamente 380 s.
Após o lançamento, a Starship pode colocar sua carga em órbita e pousar de volta na Terra, ou pode esperar em órbita por outras naves para abastecê-la com combustível e oxigênio líquido e, em seguida, dirigir-se à Lua ou Marte com os tanques cheios. O reabastecimento ocorre conectando duas naves em órbita baixa pelas extremidades traseiras e, em seguida, acelerando ligeiramente com motores de controle a reação para mover os líquidos na direção desejada – o fundo dos tanques. Se a Starship for para a Lua, a espaçonave não precisará ser reabastecida após o pouso. A quantidade de combustível que a nave carrega é suficiente para retornar à Terra. Em Marte, no entanto, a nave precisaria ser reabastecida com propelentes produzidos diretamente no Planeta Vermelho. A nave poderia então decolar novamente e retornar à Terra com 20 a 50 toneladas de carga.
O estágio superior Starship está previsto atuar em pelo menos quatro versões diferentes: como nave espacial para o transporte de pessoas e mercadorias, como módulo lunar , como reabastecedor e como cargueiro de grande capacidade.
Nave espacial: De acordo com o planejamento preliminar para 2019, a cabine pressurizada deve ter cerca de 1000 m 3 de espaço sob pressão atmosférica , mais espaço do que o convés principal (775 m 3 ) em um Airbus A380. Um primeiro conceito para voos de Marte prevê 40 cabines pequenas e grandes áreas comuns para passageiros. Atrás da cabine deve haver uma seção de carga útil não pressurizada.
Módulo Lunar : Com este conceito, a SpaceX participa do programa Artemis da NASA. A Starship deve transportar astronautas entre uma nave espacial Orion ou a estação espacial Lunar Orbital Platform-Gateway e a superfície lunar. O escudo térmico e os flaps de controle para o vôo na atmosfera são omitidos porque os astronautas do Artemis devem retornar à Terrana cápsula Orion.
Reabastecedor: por enquanto, a SpaceX planeja usar espaçonaves de carga normal como naves-tanque. O desenvolvimento de um reabastecedor dedicado só está previsto para uma data posterior.
Cargueiro: A versão de carga da Starship deve ter uma grande porta basculante para o transporte de satélites ou módulos de estações espaciais. A SpaceX especifica o diâmetro máximo da carga útil como 8 metros, com uma altura máxima de 17,24 metros. O volume útil do porão de carga deve ser em torno de 660 m3.
Capacidades da Starship
- Capaz de retornar da órbita da Terra e pousar perto da montagem de lançamento usando pouso retropropulsivo e as tecnologias reutilizáveis desenvolvidas anteriormente pela SpaceX. A confiabilidade do pouso é projetada pela SpaceX para, em última análise, ser capaz de atingir os “níveis de linha aérea” de segurança devido à capacidade voar com um motor desligado.
- Opções de design flexíveis; por exemplo, uma possível modificação do projeto da nave base – nave descartável de três motores sem carenagem, canards, aletas traseiras, nem trens de pouso – para otimizar a proporção de massa para exploração interplanetária como sondas robóticas.
- As operações de encontro e acoplagem serão automatizadas. Com transferências de propelente em órbita de naves-tanque para naves espaciais ou naves de carga, mas inicialmente de uma nave orbital padrão para outra. Uma Starship e sua carga útil devem ser capazes de transitar para a Lua ou voar para Marte após o carregamento do propelente em órbita.
- Estrutura de aço inoxidável de construção dos tanques: Sua relação resistencia-massa é comparável ou melhor do que a alternativa de design anterior de compostos de fibra de carbono em todas as faixas de temperatura previstas, desde as baixas temperaturas de propelentes criogênicos até as altas temperaturas de reentrada atmosférica.
- Algumas partes da nave são construídas com uma liga de aço inoxidável que “passou por tratamento criogênico, no qual os metais são … formados a frio / trabalhados aço criogênico … dramaticamente mais leve e mais resistente ao desgaste do que o aço laminado a quente tradicional. “
- Pressurização de metalox para alimentar propulsores de gás quente para controle de atitude, incluindo a manobra final de arfagem pré-pouso com a ‘barriga’ do veículo para baixo. Os protótipos iniciais estão usando propulsores a gás nitrogênio frio, que têm uma eficiência de massa substancialmente menos eficiente, mas são convenientes para construção rápida para apoiar os primeiros testes de voo do protótipo.
- Um sistema de proteção térmica contra as condições de reentrada atmosférica. Isso incluirá ladrilhos de cerâmica, (após avaliar anteriormente um revestimento duplo de aço inoxidável com fluido de resfriamento ativo fluindo entre o casco externo e a proteção térmica ou com algumas áreas contendo adicionalmente vários pequenos orifícios que permitiriam o resfriamento por transpiração. As opções em estudo incluíram ladrilhos de cerâmica hexagonal que podem ser usados no lado de barlavento da Starship.
Com relação a manter os propelentes nas temperaturas certas durante voos longos para Marte, Musk disse em 2017: Os tanques principais serão ventilados ao vácuo, o exterior do veículo será bem isolado (principalmente para aquecimento de reentrada) e o nariz do veículo será apontado principalmente para o sol, portanto, muito pouco calor deve atingir os tanques de cabeça (header tank). Dito isso, o propelente pode ser resfriado com uma pequena quantidade de evaporação. “Mais adiante, podemos adicionar um resfriador criogênico.”
A nave também poderá ter painéis solares em forma de leque para oferecer energia elétrica. Além disso, o veículo será equipado com várias fileiras de pequenas janelas e uma grande janela perto do nariz.
Sem opção de escape em caso de emergência
A nave espacial não será equipada com um sistema de escape de lançamento. Musk disse que, como o foguete é reutilizável e voará com frequência, e sua segurança ao longo do tempo seria comparável à dos aviões, portanto, um sistema típico de fuga da tripulação não seria necessário: “Os aviões modernos também não têm pára-quedas para os passageiros e é preciso simplesmente aceitar que há uma pequena chance de um trágico acidente acontecer”. No entanto, ainda está longe de ser certo se o Super Heavy/Starship pode realmente atingir esse nível de segurança.
Conforme previsto na apresentação do projeto de 2017, a nave espacial deve ter um volume pressurizado de aproximadamente 1.000 m3 , que pode ser configurado para até 40 cabines, grandes áreas comuns, armazenamento central, uma cozinha e um abrigo para explosões solares para missões a Marte, além de mais 12 contêineres de carga não pressurizados na traseira, de 88 m3 no total.
Quando a nave for usada para lançamentos a Marte, o funcionamento do sistema geral de expedição incluirá necessariamente a produção de propelente ‘in situ’ na superfície marciana. Isso será necessário para a viagem de volta e viabilizar reutilizar a espaçonave para manter os custos os mais baixos possíveis. Os destinos lunares (sobrevôos circunlunares, missões orbitais e alunissagens) serão possíveis sem depósitos de propelentes na superfície lunar, desde que a nave seja reabastecida em uma órbita elíptica alta antes do início do trânsito lunar. Alguns voos lunares seriam possíveis sem reabastecimento orbital, conforme evidenciado pelo perfil da missão do projeto #dearMoon.
Características gerais da espaçonave
- Capacidade: ≤ 100 pessoas (para voos de longa duração)
- Diâmetro: 9 m
- Altura: 50 m
- Volume: 1.000 m3
- Peso vazio: 120.000 kg
- Peso bruto: 1.335.000 kg
- Capacidade de combustível: 1.100.000 kg
- Motorização: 3 motores Raptor (otimizados para nível do mar) e 3 Raptor (otimizados para vácuo)
Motores Raptor
Com relação à aceleração de empuxo, o Raptor de 2016 deveria ser capaz de reduzir a potência para 20%, mas isso provou ser um objetivo muito difícil. A declaração de Elon Musk de março de 2019 sugere que a primeira versão do Raptor só será capaz de reduzir para cerca de 50%. O conceito ITS original de 2016 usava Raptors mais potentes com 3 MN de empuxo, 42 motores no primeiro estágio e 9 motores na nave espacial. A última versão do foguete de 2018 era menor e usaria 31 Raptors no primeiro estágio (o foguete Soviético N1 tinha 30 motores), enquanto a nave espacial usará 7 Raptors. Um protótipo de subescala Raptor com 1 MN de empuxo foi testado em uma instalação de teste em McGregor, Texas, a partir de setembro de 2016. O motor, no entanto, passou por mudanças radicais desde então.
O primeiro Raptor pronto para voo foi enviado de Hawthorne para McGregor no final de janeiro de 2019 e disparado pela primeira vez no início de fevereiro. Durante a primeira semana de teste, cerca de 6 disparos ocorreram, um dos quais foi de aproximadamente 11 segundos de duração e a pressão da câmara de combustão de 268,9 bar foi alcançada. No entanto, o motor foi danificado durante um dos testes. O segundo Raptor fabricado foi enviado para a vila de Boca Chica, Texas, onde foi integrado ao veículo de teste da Starship batizado de Starhopper.
Ao contrário do Merlin, o Raptor não usa TEA-TEB (trietilalumínio trietilborano) pirofóricos para a ignição. Musk revelou que o gás metano e o oxigênio são acesos por velas de ignição resistentes que “acendem tochas de sopro duplo que acendem os pré-queimadores e a câmara principal”.
Sobre a produção, Musk disse: “Algumas partes do Raptor serão impressas em 3D, mas a maior parte delas serão peças forjadas e usinadas. “Desenvolvemos uma nova liga metálica para a bomba de oxigênio que tem alta resistência à temperatura e não queima. Praticamente qualquer coisa vai queimar em alta pressão, com oxigênio quente, quase puro. ” Para este propósito, “a equipe de metalurgia da SpaceX desenvolveu a superliga SX500 para gás quente rico em oxigênio em 12.000 psi. Foi difícil. Quase qualquer metal se transforma em chamas nessas condições.” O SX500 deve ser uma versão moderna monocristalina da superliga Inconel (níquel + cromo). Partes do Raptor também são feitas a partir de Inconel na fundição da SpaceX.
O objetivo de longo prazo da SpaceX é atingir 300 bar de pressão na câmara de combustão do Raptor, mas 250 bar são suficientes. Mas o motor deve ser capaz de valores mais elevados. A uma pressão na câmara de combustão principal de mais de 300 bar, a pressão no pré-queimador de oxigênio se torna um problema porque pode chegar a mais de 800 bar, o que está “ultrapassando os limites da física conhecida”, de acordo com Musk. Para simplificar o desenvolvimento e a produção, a SpaceX está atualmente desenvolvendo apenas uma versão do Raptor, que será usada em ambos os estágios do foguete. Esta variante do está em algum lugar entre um motor atmosférico e um otimizado para vácuo, mas mais próximo do atmosférico. Isso tornará a Starship menos eficiente no vácuo, resultando na redução da capacidade máxima de carga útil de 150 toneladas para as atuais 100 toneladas. Elon Musk explicou que a geração futura do Raptor existirá em duas variantes. Um será otimizado para operação no vácuo e terá um impulso específico (Isp) entre 380 e 382 segundos (para comparação, Merlin 1D-Vac tem Isp de 311 s e o motor RL-10 que alimenta o foguete Atlas V tem Isp de 451 s). A versão a vácuo do Raptor não terá uma tubeira extensível como o RL-10 usado no foguete Delta IV.
Para voos de teste dos protótipos, há duas plataformas de lançamento e uma área de pouso no local teste da SpaceX em Boca Chica, no Texas. Uma plataforma de lançamento para voos orbitais também está em construção no mesmo local desde o verão de 2020. O segundo local é o Centro Espacial Kennedy na Flórida , onde já em 2019 os preparativos para a construção de uma plataforma de lançamento de Starship no histórico Complexo de Lançamento 39A começaram. Para pousos de Starship, está designada a Zona de Pouso 1 existente e vizinha à Estação da Força Espacial de Cabo Canaveral; O Super Heavy deve pousar em uma plataforma não-tripulada no Atlântico.
A fim de reduzir a poluição sonora e os perigos para os residentes no sul do Texas, a SpaceX está planejando um “espaçoporto offshore” com plataformas flutuantes de decolagem e pouso na costa do Golfo do Texas como uma solução de longo prazo. Para este fim, a empresa adquiriu duas plataformas de perfuração de petróleo desativadas em julho de 2020 por 3,5 milhões de dólares cada , que estão sendo convertidas em instalações de decolagem e pouso. As plataformas foram chamadas de Phobos e Deimos , em homenagem às duas luas de Marte. A SpaceX pretende de pousar o Super Heavy diretamente em um suporte na plataforma de lançamento para permitir uma reutilização rápida.
Voos de teste dos protótipos
O teste de sistema integrado de uma prova de conceito para Starship começou em março de 2019, com a instalação de um único motor Raptor a um protótipo de altura reduzida, apelidado de Starhopper – semelhante ao Grasshopper, um protótipo equivalente do booster reutilizável Falcon 9. O Starhopper foi usado de abril a agosto de 2019 para testes estáticos e testes de vôo em baixa altitude e baixa velocidade de lançamentos e pousos verticais em julho e agosto de 2019. Mais espaçonaves protótipos foram construídos e mais estão em construção à medida que o design iterativo passa por vários iterações. Todos os artigos de teste têm o casco de aço inoxidável de 9 metros de diâmetro.
| Serial | Data | Nome | carga útil | Apogeu(km) | Observações |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 26 de julho de 2019 | Starhopper | – | 0,02 | Sucesso , teste de voo com pouso |
| 2 | 27 de agosto 2019 | Starhopper | – | 0,15 | Sucesso , teste de voo com pouso |
| 3 | 04 de agosto de 2020 | Starship SN5 | – | 0,15 | Sucesso , teste de voo com pouso |
| 4 | 03 de setembro de 2020 | Starship SN6 | – | 0,15 | Sucesso , teste de voo com pouso |
| 5 | 09 de dezembro de 2020 | Starship SN8 | – | 12,5 | Sucesso parcial , teste de voo com pouso forçado Empuxo deficiente do motor na aproximação devido à pressão insuficiente do tanque; a nave se espatifou no chão. |
| 6 | 02 de fevereiro de 2021 | Starship SN9 | – | 10 | Sucesso parcial , teste de voo com pouso forçado Um dos motores não disparou durante o pouso; a nave se espatifou no solo. |
| 7 | 03 de março de 2021 | Starship SN10 | – | 10 | Sucesso parcial , teste de voo com pouso forçado Várias pernas de pouso não travaram no lugar e o motor que estava ativo na aproximação final desenvolveu pouco empuxo. A nave pousou com muita força, foi danificada no processo, pegou fogo e explodiu alguns minutos depois. |
| 8 | 30 de março de 2021 | Starship SN11 | – | 10 | Falha– teste de voo com explosão A nave explodiu imediatamente após os motores dispararem para a aproximação de pouso. |
| 9 | 05 de maio de 2021 | Starship SN15 | – | 10 | Sucesso. O protótipo voou a 10 km de altitude, fazendo a manobra de giro e pousando verticalmente na pista de concreto |
HOMEM DO ESPAÇO 