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

Recientemente la Starship, la propuesta para revolucionar el acceso al espacio de SpaceX ha recibido luz verde de la Administración federal de Aviación para proceder con lanzamientos de prueba a órbita de este sistema.

Abordemos los conceptos previos antes de llegar al acero inoxidable actual.

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 2013/4 empezó a aparecer en papers de SpaceX referencias a 2 cohetes que ya entraban en la clase Omega (+100 toneladas a LEO, la tonelada a orbita 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 mas 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 un número muy superior de motores 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 27 motores y el Super Heavy en su actual configuración tiene 31. 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 este cohete estaba en desarrollo.

Apreciación de los motores del N1 soviético.

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

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 de origen soviético RD-170 con 4 cámaras de combustión. Sigue siendo a día de hoy el motor cohete mas potente jamás creado. 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 (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 formula. Es decir, si duplicamos la altura de nuestro cohete tendremos un cohete con el doble de volumen. Pero si hacemos lo mismo con el radio del cohete 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 3 pequeños alerones que esconden las patas pasamos a una pequeña ala delta situada en la parte trasera. Esta es una de las iteraciones mas 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 ingles 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 3º 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 modifico pero en la BFS (la segunda etapa) se cambiaron los 4 motores de vacío y 2 normales por 7 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. Esta desarrollo es uno de tantos abandonados por SpaceX a lo largo de su historia con el fin de seguir empujando la pelota hacía 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.

Maezawa junto a Musk en la presentación de 2018

Una de las cosas mas impresionantes del proyecto es que mantienen la intención de lanzar 100 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 400 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.
Si te preguntas que es esto consiste en emplear los combustibles criogénicos de la nave para sustituir un escudo térmico de losetas o ablativo convencional.

Criogenizado, quiere 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.

Y con esto llegamos al gran cambio, los materiales compuestos por el acero inoxidable, tema muy interesante que abordaremos más adelante.

Martín Morala Andrés