Los orígenes desconocidos de Starship de SpaceX: el futuro de la exploración espacial

Tras un fallido primer vuelo, la Starship se prepara para volver a intentar alcanzar el espacio. Sin embargo, la iteración actual no se parece en nada a los planes originales de SpaceX. El proyecto mantiene firme su idea de llevar colonos a Marte y establecer un puesto autosuficiente en el planeta rojo. Pero la nave ha disminuido su tamaño sistemáticamente haciéndose más viable en el proceso.

Imagen de una Starship acoplada a un cohete Super heavy en la actual configuración de acero inoxidable sobre la plataforma de lanzamiento orbital de Boca Chica. Fuente:SpaceX

Inicios precoces

En un lejano 2013-14 empezó a aparecer en papers de SpaceX referencias a dos cohetes que ya entraban en la clase Omega (+100 toneladas a órbita baja terrestre, la tonelada a órbita es la unidad de medida más estándar para los cohetes).

A esas alturas el Falcon 9 no había sido recuperado o reutilizado, y lo que más había volado era el pequeño Falcon 1, en la liga del Electron de Rocket Lab.

Más sobre el rey de los cohetes pequeños aquí

Estos cohetes monstruosos eran los Falcon X (versión heavy) y XX.

Imagen que muestra algunos de los cohetes propuestos en aquel pasado ya casi remoto por SpaceX *El F9 block 5, la iteración actual mide 70 metros (230 pies) Imagen mejorada
Imagen basica

Estos cohetes hacían uso de motores Merlin 2. Este motor se sabe que recibió mucha atención por parte de SpaceX pero finalmente después de mucho acabó siendo cancelado.

Un resumen podría ser que pasaron de tener un motor muy potente y se quedaron con motores más pequeños.

Tablla con las caracteristicas principales del Merlin 2 al 100% de empuje y al 70% Fuente: SpaceX
Como comparación esta tabla donde se muestran el Raptor 2, el Merlín en distintas iteraciones y este Merlín 2 que nunca se llegó a materializar

El Falcon Heavy tiene veintisiete motores y el Super Heavy en su actual configuración tiene cuatro más. El único cohete que se acerca al número de motores total del sistema Starship-Super heavy es el fallido N1 de la extinta Unión Soviética.

Cabe destacar que la mayoría de problemas de este cohete vinieron por el control de tantos motores. Pero la electrónica actual es sustancialmente mejor que la de finales de la década de 1960, cuando estaba en desarrollo.

Apreciación de los motores del N1 soviético.

Aparentemente es contradictorio el empleo de tantos motores, ¿si uno puede hacer el trabajo de diez, por qué vas a molestarte en construir tantos?

El principal motivo detrás de esta cuestión es la redundancia. El Falcon 9 puede perder un motor en casi cualquier fase del vuelo e incluso dos en algunas y aún así completar con éxito la misión.

También suele ser sustancialmente más barato y sencillo construir diez motores pequeños que uno solo grande.

Lo primero por las economías de escala y lo segundo porque cuanto más potente un motor, más grande la cámara de combustión (o la divides en varias que tampoco es sencillo). Y aún haciéndolo de esta manera la turbobomba se complica de manera extraordinaria.

Motor RD-170
Motor de origen soviético RD-170 con 4 cámaras de combustión. Sigue siendo a día de hoy el motor cohete mas potente jamás creado. El RD-180 es la versión de dos cámaras de combustión de este. Fuente: Stanislav Kozlovskiy, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

La primera iteración, el ITS

Sin embargo los primeros planes más «serios» fueron presentados en una conferencia de la IAC 2016, aquel día se sentaron pública y oficialmente las bases del gran proyecto de Musk.

La conquista de Marte

Sin embargo lo que aquel día se presentó era del todo irrealizable.

Imagen del ITS (Interplanetary Transportation Sistem) comparado con el Saturno V Fuente: SpaceX

El ITS era, según la presentación, capaz de transportar 300 toneladas a órbita baja terrestre, tenía cuarenta y dos motores raptor en el BFR. Sobre este se discute el significado de la F que bien podría significar Falcon o extremadamente siendo la traducción, cohete extremadamente grande o bien cohete Falcon grande dependiendo de la fuente. BFR era el nombre de la primera etapa de este sistema pero en interacciones posteriores nombraría al conjunto de la primera etapa y de la segunda etapa.

Además poseía siete motores Raptor adaptados para el vacío en la segunda etapa, que además serviría para aterrizar en la Luna, Marte o donde se desease.

Perspectiva de los motores de la 1ª etapa en el ITS

Realmente la altura de un cohete es normalmente lo que más llama la atención cuando los observamos. Sin embargo echando un vistazo a la fórmula del volumen del cilindro observamos una particularidad. El radio (distancia de cualquier extremo de una circunferencia al centro) esta al cuadrado en esta fórmula. Es decir, si duplicamos la altura de nuestro cohete tendremos uno con el doble de volumen. Pero si hacemos lo mismo con el radio obtendremos cuatro veces el volumen que teníamos originalmente.

El Falcon 9 tiene un diámetro de 3’7 metros, el Saturno V lo tenía en su base de 10 metros, el ITS se diseñó con un diámetro de 15 metros.

Por ilustrar un poco más la situación de este cohete este es el mayor objeto construido hasta aquella fecha de materiales compuestos:

Deposito de oxigeno liquido del ITS. el mayor objeto de materiales compuestos fabricado hasta entonces. Fuente SpaceX

Tras esta primera iteración hubo que esperar a  la IAC 2017 para una actualización. Se aprecia un notable cambio, en esta evolución hacia el raciocinio redujeron el diámetro de 15 metros a 9. La capacidad de carga se redujo de 300 toneladas a «solamente» 150, seguía siendo el cohete más capaz de la historia superando por 45 toneladas al Saturno V.

También hubo un cambio que es fácilmente reconocible comparándolo con la actual propuesta de la Starship.

De los tres pequeños alerones que esconden las patas pasamos a una pequeña ala delta situada en la parte trasera. Esta es una de las iteraciones más bonitas en mi opinión.

También hay cambios en la configuración de motores, la reducción del tamaño y por ende la masa hace posible emplear menos motores, llegamos a los 31, en la BFS (2ª etapa) tenemos una configuración que de nuevo recuerda a la actual, 4 raptor de vacío y 2 «normales», esta iteración es quizá la más parecida a la actual. Aunque hay evidentes diferencias como la falta de alerones delanteros.

Sección de motores de esta iteración. Fuente: SpaceX

En esta iteración se presentó también el transporte punto a punto, transporte sub orbital sobre el que hay muchas dudas. Los problemas innumerables del Concorde son bastante parecidos a los que se plantean para el P2P (Point to Point, siglas habituales en inglés para referirse a este tipo de transporte) junto con unos cuantos más. Por ejemplo la reentrada, la ingravidez temporal, medidas de seguridad requeridas para un vehículo espacial, son muchos y que merecen un análisis detallado, ya que hay grupos como el departamento de defensa estadounidense que sí están interesados en usar estas naves con este fín.

Captura de pantalla del video promocioonal de SpaceX de este sistema que muestra a una nave realizando un vuelo sub orbital desde EEUU hasta Shangai.

Continuamos con la presentación de 2018. El cambio más notable fue que la ala delta se volvió a cambiar por tres alerones.

En esta iteración tenemos los alerones más grandes de todas las evoluciones, de estos, dos eran móviles y el tercero rígido. Siendo el superior, pintado de blanco en la imagen, el rígido.

BFR en la presentación del año 2018. Fuente: SpaceX

La configuración de motores de la primera etapa no se modificó pero en la BFS (la segunda etapa) se cambiaron los cuatro motores de vacío y dos «normales» por siete motores «normales».
El espacio que dejó el prescindir de los motores de vacío lo ocuparon bahías de carga no presurizada.

En esta presentación también conocimos a Yusaku Maezawa, un importante patrocinador del Falcon Heavy primero y luego de Starship, para hacer un vuelo alrededor de la Luna.

Hasta ese momento no sabíamos quien había pagado por volar en una Crew Dragon y un Falcon Heavy alrededor de la Luna. Este desarrollo es uno de tantos abandonados por SpaceX a lo largo de su historia con el fin de seguir empujando la pelota hacia adelante y nunca se llegó a saber mucho sobre él, más allá de que no harían falta grandes modificaciones a la Crew Dragon para realizarlo y que sería tripulado por dos personas privadas que habían pagado una cuantiosa suma de dinero por llevar a cabo el viaje de sobrevuelo de la Luna.

Una de las cosas mas impresionantes del proyecto es que mantienen la intención de lanzar cien personas a cualquier parte del sistema solar. En un solo lanzamiento tripulado, más los que sean necesarios de repostadores. Esta parte no creo que se llegue a materializar nunca, a no ser que el programa Starship sea un éxito y puedan tratar de construir el ITS en algún momento del futuro.

Sin embargo, es más plausible que acabamos viendo el P2P con más de cuatrocientas personas a bordo, hay gente que ha conseguido poner cuatrocientos asientos como los de la Crew Dragon dentro de la parte presurizada de la starship en modelizaciones por ordenador. Y es que es muy complicado meter en la cabeza estos tamaños.

Un Transbordador espacial completo comparado con el prototipo SN15 de la Starship. Credito y agradecimientos al usuario de twitter @Henry_St1tt

Otra cosa que resultaba fascinante del proyecto fue el escudo térmico propuesto, o técnicamente la falta de él. Durante algún tiempo el ITS y el BFS hacían uso de un escudo térmico basado en refrigeración activa.
Consiste en emplear los combustibles criogénicos de la nave para sustituir un escudo térmico de losetas o ablativo convencional.

Criogenizado, es decir, que está cerca del punto de congelación, el oxígeno líquido del Falcon 9, aproximadamente a -260ºC. Y a apenas unos centímetros tenemos la estructura exterior a una temperatura muy alta. Se pueden alcanzar los 5000ºC en una reentrada. Con líquido extremadamente frío tan cerca, la combinación parece lógica. Emplear este combustible para refrigerar el exterior de la nave y ahorrarnos el escudo térmico, siempre peligroso y pesado.

Sin embargo la complejidad de tener perforaciones en el casco y más en la zona expuesta en la reentrada y el peso del combustible extra necesario para el proceso se acabó optando por una solución mucho más estándar, losetas térmicas. Concretamente del material PICAx.

La siguiente gran revolución fue la primera que pareció alejar el programa de la realidad. La gran jugada de Elon Musk fue la de emplear acero inoxidable en vez de fibra de carbono como se había dicho desde 2016. A finales de 2018 poco después de anunciar la tercera versión del BFR y el vuelo de Maezawa se cambió radicalmente el cohete completo se produjo el cambio de dirección. Desde entonces, y hasta ahora las pruebas se han sucedido en Boca Chica con esporádicos avances en lanzar la nave desde Cabo Cañaveral. Sin embargo, como se verá mañana, de momento el único lugar del mundo con capacidad para este cohete es un recóndito lugar de la frontera estadounidense-mexicana.

Martín Morala Andrés