Historie projektu
Super Heavy Starship je nejnovější verzí dřívějšího konceptu BFR (Big Falcon Rocket), který se v minulosti nazýval Mars Colonial Transporter a poprvé byl veřejně představen v roce 2016 pod názvem Interplanetary Transport System (ITS). Tehdy měla raketa průměr 12 metrů a na výšku měřila 122 metrů. O rok později však Elon Musk představil upravenou verzi, která měla už „jen“ 9metrový průměr, výšku 106 metrů a Musk ji nazýval BFR, což do té doby bylo jen interní označení celého projektu. Toto zmenšené BFR navíc bylo nově vybaveno malým delta křídlem pro lepší ovladatelnost v různých prostředích, neboť loď má být provozována nejen na Zemi a Marsu, ale také na Měsíci nebo v podstatě kdekoli ve Sluneční soustavě. V roce 2018 pak BFR prošlo dodatečnými změnami, z nichž nejvýraznější bylo přidání několika aerodynamických ploch, které mají pomáhat se stabilizací lodi při průletu různě hustými atmosférami.
Trup a nádrže měly být původně vyrobeny z uhlíkových kompozitů a SpaceX dokonce vyrobilo několik exemplářů z tohoto materiálu. V roce 2016 firma ukázala obří zkušební kyslíkovou nádrž pro raketu ITS, což byla tehdejší verze rakety BFR s průměrem 12 metrů. V únoru 2017 však byla nádrž zničena při tankovacích zkouškách. Následně byla představena zmenšená varianta BFR a během roku 2018 začala výroba další nádrže s průměrem 9 metrů. Elon Musk ale na konci roku 2018 oznámil, že raketa BFR byla přejmenována na Starship a že bude místo původně plánovaných uhlíkových kompozitů využívat nerezovou ocel. Na otázku, co bylo hlavním důvodem takto radikálních změn designu rakety, Musk odpověděl: „Čas. Ale nový design se nakonec ukázal jako dramaticky lepší.“ Novou ocelovou podobu rakety pak Musk veřejně představil v září 2019 a od té doby prošla mnoha dalšími úpravami a vylepšeními na základě zkušeností z výroby prvních prototypů a testovacích letů.
Super Heavy Starship obecně
První stupeň rakety se nazývá Super Heavy a druhý stupeň tvoří kosmická loď Starship. Podle Elona Muska je však možné výraz „Starship“ použít i pro označení celé rakety. Oba stupně mají průměr 9 metrů a dohromady měří 120 metrů na výšku, což ze Super Heavy Starship (SHS) dělá největší raketu v historii (Saturn V měl 111 metrů). Raketa má být schopna vynést až 150 tun nákladu na nízkou oběžnou dráhu Země (a po dotankování na orbitě bude možné dopravit přes 100 tun na Měsíc či Mars). V případě mise na standardní dráhu přechodovou ke geostacionární (GTO) se sklonem 27° je pak oficiální nosnost 21 tun (Elon Musk však v minulosti odhadoval 30–40 tun). Všechny hodnoty jsou při plné znovupoužitelnosti. Pokud by ale raketa letěla v režimu na jedno použití, nosnost by byla až 300 tun.
SHS používá podobně jako Falcon 9 podchlazené pohonné hmoty, díky čemuž jich prý raketa pojme o 10–12 % více. Na rozdíl od raket Falcon ale SHS využívá motory Raptor, které spalují metan místo kerosinu. SHS bude obsahovat celkem 4800 tun pohonných hmot, z čehož přibližně 78 % bude představovat kyslík.
U raket Falcon jsou nádrže tlakovány heliem, které se nachází v tlakových nádobách umístěných uvnitř nádrží s palivem či kyslíkem. Oproti tomu nádrže v SHS jsou tlakovány přímo horkým metanem či kyslíkem v plynném skupenství odváděnými od motorů, takže odpadá nutnost mít dodatečný heliový systém. To snižuje komplexnost celého tlakovacího systému. Helium je navíc drahé a nelze jej získat na Marsu.
Nerezová ocel versus uhlíkové kompozity
Co se týče přechodu z uhlíkových kompozitů na nerezovou ocel, Elon Musk jej podrobněji vysvětloval v rozhovoru pro Popular Mechanics. SpaceX zprvu zvolilo vysoce kvalitní ocel 301, což by měla být austenitická korozivzdorná ocel s vysokým obsahem chromu a niklu. Z této oceli bylo vyrobeno několik prvních prototypů lodi Starship, ale později SpaceX přešlo na ocel typu 304L, která je pevnější při kryogenních teplotách. Tento typ oceli byl poprvé otestován pomocí zkušební nádrže SN7 v červnu 2020. SpaceX ale chce časem přejít na vlastní slitinu „30X“, která má být lepší. Ze stejného materiálu má být mimochodem vyráběn elektrický pick-up Tesla Cybertruck. Musk v minulosti párkrát zmínil také ocel typu 310S pro tepelně namáhané sekce lodi, ale není jasné, jestli to stále platí.
Hlavními výhodami těchto druhů oceli jsou vhodné vlastnosti při nízkých i vysokých teplotách, snadná práce s tímto materiálem a také nízká cena – podle Muska je nerezová ocel zhruba 50krát levnější než uhlíkové kompozity. Loď Starship také bude muset být možné snadno opravit na Měsíci či Marsu, a k tomu vám u oceli na rozdíl od kompozitů stačí svářečka. Přechod na ocel navíc podle Muska paradoxně povede ke zvýšení nosnosti rakety, nikoli snížení. Důvodem je to, že díky vysoké tepelné odolnosti oceli není potřeba tak silný a těžký tepelný štít.
Ocel využívaly také staré rakety Atlas, ty však měly tenké ocelové nádrže, které musely být neustále natlakovány plynem, jinak se zhroutily pod vlastní vahou. Tímto problémem však Starship netrpí.
Náklady na start
SHS tedy bude mít vyšší nosnost než kterákoli raketa v dějinách, ale díky kompletní znovupoužitelnosti má být z hlediska mezních nákladů ze všech raket nejlevnější. Počítá se s náklady na start kolem 2 milionů dolarů. Oproti tomu start Falconu 9 vyjde SpaceX na přibližně 20 milionů dolarů (komerční cena za start je však přes 50 milionů). Musk navíc odhaduje, že cena Super Heavy Starship při přepočtu na kilogram nákladu vyneseného na nízkou oběžnou dráhu bude minimálně 10krát nižší než v případě Falconu 9. Později uvedl, že s dostatečně vysokou kadencí startů by celkové náklady na vynesení 150 tun na nízkou zemskou orbitu dosahovaly pouhých 1,5 milionů dolarů neboli 10 dolarů za kilogram.
Orbitální tankování
Vynesená loď Starship může na orbitě buď vypustit náklad a přistát zpět na Zemi, nebo zůstat na oběžné dráze, dotankovat palivo a kyslík a následně se vydat k Měsíci či Marsu. Tankování mělo původně probíhat tak, že by se dvě lodě na nízké oběžné dráze Země spojily záděmi k sobě a následně se prostřednictvím manévrovacích trysek mírně akcelerovaly, aby se kapaliny během přečerpání usměrnily kýženým směrem. Později ale došlo ke změnám a lodě nejspíš budou při tankování spojeny boky. Podobným způsobem mělo probíhat tankování u původního konceptu větší rakety ITS.
Pokud bude loď před plným dotankováním umístěna na vysoce eliptickou orbitu, tak v případě následné cesty na Měsíc se loď dokáže po přistání na povrchu vrátit zpět na Zemi, aniž by musela znovu doplňovat palivo. Plně dotankovaná Starship se 100 tunami nákladu umístěná na takovouto orbitu bude mít k dispozici 6,9 km/s delta-v pro cestu na Měsíc. Na Marsu však loď bude pro cestu zpět potřebovat dotankovat nádrže pohonnými hmotami vyrobenými přímo na rudé planetě. Poté ale díky nízké gravitaci dokáže znovu vzlétnout i bez rakety Super Heavy a vrátit se na Zemi spolu s 20–50 tunami nákladu.
Manévrovací trysky
Manévrovací trysky na obou stupních rakety měly být původně velmi silné, využívat metan a podle Muska měla jejich spalovací komora mít blíže k motoru Raptor než k tryskám SuperDraco, které využívají lodě Dragon. Palivo by bylo do trysek vháněno tlakem v nádrži, aby se dosáhlo co nejrychlejší reakce (nevzniká zpoždění kvůli roztáčení turbočerpadla). Hrubá verze těchto metanových trysek byly nainstalována na prototypu Super Heavy B3, který však nikdy neletěl. Elon Musk později oznámil, že SHS bude zpočátku vybaveno jen tryskami na stlačený plyn podobně jako rakety Falcon. To mělo zjednodušit vývoj rakety.
Výkonné metanové trysky by mohly být na Starship doplněny později, jelikož jsou užitečné mimo jiné pro přistání Starship na Měsíci. V květnu 2021 Elon Musk uvedl, že metanovými tryskami nakonec možná bude vybaven už první letový exemplář rakety Super Heavy. Důvodem je potřeba vysoké přesnosti při přistání této rakety, která má být zachytávána mechanismem přímo na rampě (o tom více později). Prototyp Super Heavy B7 pro první integrovaný let však nakonec neměl žádné manévrovací trysky, protože SpaceX se rozhodlo pro ještě větší zjednodušení. Super Heavy místo klasických trysek nakonec používá pro korekce dráhy plyn z hlavních nádrží, který je stejně potřeba během letu odpouštět. SpaceX jej tedy rovnou využije pro manévrování.
Tepelná ochrana
Nová ocelová konstrukce SHS bude díky vysokému bodu tání oceli potřebovat „mnohem méně” tepelné ochrany, čímž se vykompenzuje vyšší hmotnost tohoto materiálu. To v praxi znamená, že závětrná strana ocelové konstrukce nepotřebuje žádný tepelný štít. Na návětrné straně pak Musk původně chtěl mít vůbec první regenerativní tepelný štít: „Trup bude z dvou vrstev nerezové oceli spojených příčníky. Mezi těmito dvěma vrstvami pak může proudit palivo, a na vnější straně budou velmi malé dírky, kterými bude palivo unikat. Dírky budou tak malé, že půjdou vidět jen zblízka.“ Musk však v září 2019 vysvětlil, že transpirační chlazení by sice bylo možné vyvinout, ale SpaceX místo něj použije levné a robustní znovupoužitelné destičky, které mají ve výsledku o dost nižší hmotnost. Myšlenka transpiračního chlazení se však Muskovi stále velice zamlouvá, takže je možné, že se SpaceX k tomuto konceptu někdy v budoucnu vrátí. Nejobtížnější bude podle Muska tepelná ochrana kloubů stabilizačních ploch. Ty budou mít tepelný štít, ale bude obtížné zajistit dobré těsnění. V této části tedy možná bude použito zmíněné transpirační chlazení. Podle Muska je však důležité hlavně to, aby tepelná ochrana byla znovupoužitelná: „Starship musí být schopna dalšího letu okamžitě po přistání. Bez jakékoliv údržby.“
Při návratu z nízké oběžné dráhy by podle Muska bylo zhruba 20 % povrchu lodi vystaveno maximální teplotě kolem 1476 °C, dalších 20 % teplotě 1326 °C a zbytek povrchu by dosáhl maximální teploty pod 1176 °C, kterou už snese ocel typu 310S sama i bez dodatečného chlazení. Co se týče teplot, kterým bude při návratu vystaven nosič Super Heavy, Musk upřesnil, že teploty na nejvíce namáhaných částech trupu by neměly přesáhnout 330 °C a teploty kolem motorové sekce nepřesáhnou 925 °C, což prý zvládne ocel jen pomocí pasivního radiativního chlazení.
Později pak Musk vysvětlil, že většina návětrné strany lodi Starship bude tvořena šestiúhelníkovými destičkami, jejichž tvar byl zvolen proto, že díky absenci přímých linií nemůže horký plyn zrychlovat v mezerách. V červenci 2019 pak SpaceX během mise CRS-18 testovalo keramické destičky určené pro tepelný štít Starship. Musk zatím neupřesnil, z jakého materiálu jsou destičky vyrobeny. Jako nejpravděpodobnější kandidát se ale jeví materiál vycházející z technologie TUFROC (Toughened Uni-piece Fibrous Reinforced Oxidation-Resistant Composite), na jehož výzkumu a vývoji SpaceX od června 2018 spolupracuje s NASA. Tuto technologii původně vyvinulo Amesovo výzkumné středisko NASA a jeho vlastnosti demonstroval experimentální miniraketoplán X-37B společnosti Boeing. TUFROC je tvořen uhlíkovou čepičkou, která je mechanicky připevněna k lehkému, vláknitému základu ze siliky (oxidu křemičitého). Materiál je lehký, levný, znovupoužitelný a dokáže odolat teplotám téměř 2000 °C.
Nabízí se otázka, čím se řešení SpaceX liší od raketoplánů, které také byly vybaveny tepelným štítem z destiček. Musk víceméně potvrdil, že destičky SpaceX jsou tenčí, lehčí, mají převážně jednotný tvar a jejich kontrola a výměna je snazší. Zároveň vysvětlil, že není potřeba, aby každá destička měla vlastní teplotní čidlo, jelikož její stav a nutnost výměny je evidentní na základě částečného opotřebení v místech, kde se moc rozžhavila.
SpaceX testuje svou verzi destiček také na prototypech Starship. Podle Elona Muska jsou destičky mechanicky připevněny pomocí ocelových čepů a nejsou ablativní. Cílem raných experimentů bylo nejspíš ověřit, jak se uchycení destiček vypořádá s vibracemi z motorů a také teplotními změnami následkem tankování kryogenních látek do nádrží pod destičkami. U prototypu Starship SN4 se jedna sada destiček nacházela na horní nádrži a dvě další byly na spodní části v oblasti motorů. U nich to vypadalo, že SpaceX testovalo dva různé typy uchycení. U každého dalšího prototypu Starship pak bylo destiček stále více. Kompletní tepelný štít byl poprvé k vidění na Starship S20.
Motor Raptor
Raketový systém SHS pohánějí motory Raptor, jejichž vývoj SpaceX oznámilo už v roce 2012. Raptor je motor s uzavřeným cyklem typu „full flow staged combustion“, který spaluje metan a kapalný kyslík. Metan má jako palivo několik výhod – hoří čistěji než petrolej používaný u raket Falcon, takže dochází k menšímu zanášení motorů usazeninami (to napomáhá snadné znovupoužitelnosti), je levný, a dá se vyrábět na Marsu (z vodíku získaného z ledu a z CO2 získaného z marsovské atmosféry). Kyslík a metan jsou v případě Raptoru spalovány v poměru 3,6:1. Raptor je dosud nejsilnější motor SpaceX – má tah kolem 230 tun (2,3 MN) na hladině moře, tedy skoro 3krát více než Merlin 1D u raket Falcon. Původní koncept rakety ITS z roku 2016 měl využívat Raptory o tahu 3 MN – 42 motorů na prvním stupni a 9 motorů na lodi. Nejnovější verze Super Heavy Starship má menší průměr a využívá 33 Raptorů na prvním stupni (nechvalně proslulá sovětská raketa N1 měla tehdy rekordních 30 motorů) a kosmická loď je vybavena 6 Raptory.
Varianty Raptoru
SpaceX v zájmu zjednodušení vývoje a výroby původně plánovalo vyvinout nejdříve jen jednu variantu Raptoru, která by byla použita na obou stupních rakety. Nakonec však došlo ke změně tohoto plánu a existují celkem tři varianty – někdy označované RB, RC a RVac. Všechny tyto motory mají společný základ a liší se jen v pár ohledech. Varianta RC byla vyvinuta a otestována jako první. Tento typ Raptorů byl použit při raných testovacích letech Starhopperu a dalších prototypů Starship. Motory RC jsou optimalizované pro let v zemské atmosféře a mají specifický impuls kolem 327 sekund na hladině moře a tah 230 tun. Motory mají výšku 3,1 m a trysku s průměrem 1,3 m, hmotnost se odhaduje na 1600 kg. Motory jsou schopné naklánění o 15 stupňů, což je potřeba především při přistání. Tři motory tohoto typu proto jsou umístěny uprostřed motorové sekce Starship a 13 kusů využívá nosič Super Heavy. Toto naklápění původně zajišťoval hydraulický systém, ale kvůli zjednodušení a snížení hmotnosti byl později nahrazen elektrickým systémem.
Varianta RVac je optimalizovaná pro fungování ve vakuu a bude mít tah 258 tun a specifický impuls ve výši 372 sekund (dnes už možná více). Pro srovnání, vakuový Merlin 1D má specifický impuls 348 sekund a motor RL-10 na horním stupni Atlasu 5 má 451 sekund (vodíkové motory nemají v tomto ohledu konkurenci). Vakuový Raptor má trysku s průměrem kolem 2,8 metru, která není rozkládací, jako tomu je například u motoru RL-10B-2 na raketě Delta IV. Vakuové Raptory nejsou schopny vektorizace tahu, protože jsou napevno připojeny ke konstrukci lodi Starship. Vakuové Raptory byly provozovány s tlakem kolem 270 barů, ale SpaceX už v roce 2021 pracovalo na vylepšeních, která měla umožnit navýšení tlaku na hodnotu přes 300 barů. Cílem je také postupně zlepšit poměr tahu vůči váze až o 50 %. První exemplář vakuového Raptoru byl vyroben v září 2020. Hlavním rozdílem oproti atmosférickým verzím RB a RC je výrazně větší expanzní tryska, která je navíc regenerativně chlazena. Pro co nejvyšší efektivitu ve vakuu je totiž optimální co největší tryska. Vakuový Raptor je však schopen i zážehu v atmosféře, aniž by to vedlo ke zničení expanzní trysky (na rozdíl od vakuového Merlinu, který je na zemi testován bez připojené trysky). To potvrdil první testovací zážeh vakuového Raptoru, který proběhl v září 2020 v McGregoru.
Třetí varianta Raptoru se nazývá RB. Jde o atmosférický motor, kterému měla podle původního plánu chybět možnost regulace tahu (přiškrcení) a také by nebyl schopný naklápění kvůli vektorování tahu. Díky tomu měl být jednodušší na výrobu a také by to umožnil vyšší tah dosahující hodnot až 300 tun. Z tohoto plánu ale později sešlo a nakonec jde v podstatě o motor typu RC jen s tím rozdílem, že nemá nainstalovaný systém pro naklápění motoru. Schopnost regulace tahu tedy zůstala zachována. Raptor typu RB najde uplatnění výhradně na nosiči Super Heavy. Ten je vybaven celkem 33 Raptory, přičemž těch 13 prostředních je ve variantě RC s naklonitelnou tryskou kvůli přistání. Zbylých 20 Raptorů na Super Heavy je ve variantě RB a tyto motory jsou napevno přimontovány k raketě po obvodu motorové sekce.
Vývoj a testování
Testovací zážehy Raptoru jsou prováděny v texaském McGregoru, kde jsou k dispozici horizontální i vertikální stavy. Zmenšená vývojová verze Raptoru o tahu 100 tun byla testována od září 2016. První letový exemplář Raptoru v plné velikosti pak byl poprvé zkušebně zažehnut v únoru 2019. Během prvního týdne testování proběhlo asi 6 zážehů, z nichž jeden byl přibližně 11sekundový a bylo při něm dosaženo tlaku ve spalovací komoře ve výši 268,9 barů. Tím byl překonán ruský motor RD-180 s tlakem 267 barů. Při jednom z těchto testů však byl motor poškozen. Raptor od té doby prošel radikálními změnami a mnoha optimalizacemi pro usnadnění výroby. Díky tomu mají nejnovější vyrobené exempláře nižší hmotnost, vyšší tah a vyšší specifický impuls. Druhý vyrobený Raptor pak putoval do jižního Texasu, kde byl v březnu 2019 nainstalován na zkušební prototyp Starhopper a v dubnu dvakrát krátce zažehnut. Třetí Raptor byl během dubna 2019 testován v McGregoru, kde absolvoval delší zkušební zážehy (například 40vteřinový). Čtvrtý Raptor byl v květnu 2019 testován v McGregoru. Pátý exemplář měl být použit pro první lety Starhopperu, ale motor byl v červnu 2019 poškozen během testování následkem uvolnění statoru kyslíkové turbíny. Starhopper tedy nakonec během svého 150metrového skoku v srpnu 2019 použil Raptor číslo 6.
Cílem SpaceX bylo už od začátku provozovat Raptor s tlakem ve spalovací komoře ve výši 300 barů. Této hodnoty se podařilo dosáhnout během testování v červnu 2020. V srpnu 2020 pak motor dokonce nakrátko dosáhl tlaku 330 barů. Klíčové ale je udržení této hodnoty dlouhodobě a opakovaně bez poškození motoru. Elon Musk na konci října 2020 prozradil, že proběhl test, během kterého fungoval Raptor s tlakem 300 barů po dobu 90 sekund, načež se motor začal tavit. Verze atmosférického Raptoru, která byla použita při raných testovacích letech Starship, je proto provozována s nižším tlakem kolem 250 barů a tahem kolem 187 tun. To pro počáteční testovací lety bohatě postačuje, ale cílem byly lepší parametry. SpaceX proto vyvinulo druhou generaci motoru zvanou Raptor 2. Na konci roku 2021 začalo testování druhé generace motoru Raptor, která je výrazně jednodušší, levnější a zároveň výkonnější než předchozí verze Raptoru. Při jednom z testovacích zážehů motor dosáhl rekordního tlaku ve spalovací komoře na úrovni 321 barů. Poté sice došlo ke zničení tohoto exempláře, ale podle Elona Muska možná byl problém v nízkém tlaku přiváděného kyslíku, nikoli motoru jako takovém. Musk dodal, že Raptor s tlakem 321 barů dosahuje tahu přibližně 245 tun. Raptor 2 je však standardně provozován při tlaku 300 barů, což umožňuje dosažení tahu 230 tun. Nejviditelnější změnou u Raptoru 2 je štíhlejší a kompaktnější konstrukce, jelikož byla optimalizována, zkombinována nebo odstraněna spousta součástek (potrubí, kabeláž, senzory apod.). Zároveň byla řada přírubových spojů nahrazena svary. Tato vylepšení dohromady vedla k tomu, že Raptor 2 má hmotnost kolem 1600 kg, což je o 20 % méně než předchozí generace. V květnu 2023 Elon Musk prozradil, že SpaceX vyvíjí a testuje třetí generaci motoru Raptor (V3). Tehdy při zkušebním zážehu motor vydržel provoz s konstantním tlakem 350 barů v hlavní spalovací komoře, což představuje tah 269 tun.
Další vlastnosti Raptoru
Motor nepoužívá čepový vstřikovač jako Merlin, nýbrž vysoký počet odstředivých vstřikovačů, které podle SpaceX umožňují nejvyšší teoretickou efektivitu směšování a spalování. Musk vysvětlil, že tryska atmosférického Raptoru je chlazena regenerativně pomocí vyfrézovaných měděných kanálků s inconelovým obalem po celé délce trysky (obal se vyrábí metodou „explosive hydro forming“). Těmito kanálky koluje studený metan před svým spálením v komoře. Podobně funguje chlazení motorů Merlin u raket Falcon. Novinkou je však regenerativní chlazení rozměrné expanzní trysky na vakuovém Raptoru (tryska vakuového Merlinu není chlazena regenerativně). Raptor na rozdíl od Merlinu nevyužívá k zažehnutí samozápalnou směs TEA-TEB (triethylhliník-triethylboran). U první generace Raptoru byl plynný metan a kyslík zapalován výkonnými svíčkami (podobnými těm v autech), čímž se následně zažehly hořáky, jež zapálily spalovací komory hnacích turbín (preburner) a také hlavní komoru. Raptor druhé generace však přinesl odlišný způsob zažehávání hlavní spalovací komory. Nyní je princip jiný, ale Elon Musk nechtěl prozradit podrobnosti. Víme jen, že hořáky byly z hlavní komory odstraněny, což umožnilo značné zjednodušení celého systému. Zážeh Raptoru dále vyžaduje velmi rychlé a přesné roztočení kyslíkových a palivových turbín pomocí plynu v tlakových nádobách (COPV). U prvotních prototypů Starship bylo při startování Raptorů stále používáno helium, ale postupně mají být čerpadla motorů roztáčena přímo metanem a kyslíkem. Tlakové nádoby pak tedy budou obsahovat metan či kyslík, přičemž plněny můžou být přímo za letu, aby bylo možné Raptory zažehávat opakovaně. Co se týče regulace tahu motoru, Raptor měl být podle prezentace z roku 2016 schopen tah snížit až na 20 % maxima, ale to se ukázalo jako moc obtížný cíl. Prohlášení Elona Muska z března a července 2019 naznačují, že první verze Raptoru je schopná snížit tah jen na zhruba 50 %. Minimální hodnotu tahu by podle Muska bylo možné ještě snížit, ale vyžadovalo by to složitější konstrukci motoru. Omezujícím faktorem snižování tahu je riziko „utržení plamene“ ve spalovací předkomoře Raptoru (preburner). SpaceX však nadále pracuje na snížení minimální hodnoty tahu.
Porovnání Merlinu (vlevo) a Raptoru (vpravo):
Výroba a cena
Motory Raptor byly zpočátku vyráběny výhradně v továrně SpaceX v Hawthorne, ale v roce 2021 byla v McGregoru postavena nová továrna, kde se budou vyrábět všechny atmosférické Raptory. V Hawthorne zůstala pouze výroba vakuové varianty Raptoru a také vývojových exemplářů. K výrobě Raptoru Musk řekl: „Některé komponenty budou vyrobeny 3D tiskem, ale většina bude tvořena obráběnými výkovky. Také jsme vyvinuli novou slitinu pro kyslíkové čerpadlo, která je pevná i při vysoké teplotě a nehoří. V prostředí s horkým čistým kyslíkem pod tlakem totiž hoří skoro všechno.“ Metalurgický tým SpaceX kvůli tomu vyvinul superslitinu SX500, která je určena pro prostředí s horkým plynem s vysokým poměrem kyslíku a tlakem přes 800 barů. Mělo by se jednat o monokrystalickou moderní verzi superslitiny Inconel (nikl + chrom). Kromě toho se při výrobě motoru využívá Inconel 718+. Ve slévárně SpaceX se z Inconelu odlévá například část potrubí Raptoru. V září 2019 Elon Musk oznámil, že SpaceX vyrábí Raptor číslo 12, v prosinci 2019 prozradil, že SpaceX vyrobilo už 17 Raptorů a začátkem března 2020 uvedl: „Teď vyrábíme Raptor číslo 23 nebo 24. Je lehčí, levnější a v téměř všech ohledech lepší než první verze Raptoru, která stála za prd a vybuchovala. Celkem nám vybuchlo asi šest nebo sedm Raptorů, už to ani nepočítám.“ Musk také uvedl, že firma se bude soustředit na zrychlení výroby Raptorů a během léta 2019 chce SpaceX dosáhnout rychlosti jednoho dokončeného motoru každé 3 dny. Toho se však dosáhnout nepodařilo. V listopadu 2019 Musk uvedl, že rychlosti jednoho dokončeného motoru denně bude dosaženo až někdy během roku 2020 (to se však také nestihlo). Do dubna 2020 bylo dokončeno celkem 26 Raptorů, v červnu 2020 SpaceX vyrobilo 30. Raptor, v srpnu 2020 se chystalo testování 40. exempláře a v říjnu 2020 bylo vyrobeno 50 kusů. V dubnu 2021 pak společnost uvedla, že od ledna 2020 vyrobila a otestovala přes 60 Raptorů, které dohromady provedly zkušební zážehy v celkové délce přes 30 000 sekund v rámci 567 testů, které zahrnovaly několik letů prototypů Starship. Elon Musk pak v květnu 2021 prozradil, že SpaceX se blíží rychlosti jednoho dokončeného Raptoru za každých 48 hodin.
Super Heavy (první stupeň)
První stupeň SHS se nazývá Super Heavy a měří necelých 70 metrů na výšku s průměrem 9 metrů a pohání jej 33 motorů Raptor. Jen 13 středových motorů však bude schopných regulace tahu a náklonu o 15 stupňů kvůli přistání. Super Heavy má celkový tah 75,9 MN (86,74 MN v případě Raptoru V3), což představuje světový rekord (raketa SLS je na druhém místě s tahem 39 MN).
První exemplář Super Heavy v plné velikosti se začal vyrábět v září 2020. Prototyp BN1 byl dokončen v březnu 2021, ale nakonec posloužil pouze k natrénování výrobních postupů a po dokončení byl zlikvidován, protože už byl zastaralý. Původně bylo v plánu provést krátké skoky s prototypy Super Heavy, které by byly vybaveny jen 2–4 Raptory, aby se minimalizovaly ztráty hardwaru v případě selhání. Elon Musk odhadoval, že krátký skok prvního prototypu Super Heavy se dvěma Raptory by mohl proběhnout v říjnu 2020, ale nakonec k tomu nedošlo a od plánů provést tyto krátké skoky bylo zcela upuštěno. Super Heavy tedy poletí rovnou na první orbitální testovací misi. Použit by při tom měl být prototyp B7 vybavený 33 Raptory. Jeho testování začalo v dubnu 2022 a zahrnovalo mimo jiné také úplně první statické zážehy s čím dál vyšším počtem motorů najednou.
SpaceX s výrobou Super Heavy nespěchalo, protože chtělo nejdříve vyřešit návrh komplikovanější Starship. Elon Musk uvedl, že vývoj Super Heavy je jednodušší, protože jde v podstatě jen o prodlouženou Starship bez tepelného štítu. Jediným velkým rozdílem je nejspodnější část nádrže, která bude přenášet tah 33 motorů Raptor. Tahle část rakety je tedy unikátní a obtížnější než motorová sekce lodi Starship.
Strukturální pevnost Super Heavy z nerezové oceli je podle Muska zajištěna tak, že nádrže obsahují vnitřní navařené podélné výztuhy a také přepážky zabraňující šplíchání paliva. Prototyp Super Heavy BN1 měl metanovou nádrž umístěnou dole a kyslíkovou nahoře, ale poté došlo ke změně a následující prototypy mají kyslíkovou nádrž dole stejně jako loď Starship.
Raptory na nosiči Super Heavy jsou vybaveny ochrannými kryty, které SpaceX chce do budoucna odstranit, což by ušetřilo dalších 10 tun. Tyto kryty chrání motory před tepelným a mechanickým poškozením, ale zároveň prý zvyšují riziko zadržování unikajícího paliva. To může vést k metanovému výbuchu, a tak SpaceX musí během letu Super Heavy „proplachovat“ kryty všech 33 motorů, aby se tomu zabránilo. Budoucí verze motoru bez krytů tímto problémem trpět nebude, avšak nejdříve musí být schopná sama o sobě odolat nehostinným podmínkám, které vládnou v motorové sekci při startu a během návratu atmosférou.
Super Heavy nakonec nebude mít kromě ocelových roštových kormidel žádné aerodynamické řídicí plochy. Přistávací nohy měly původně být čtyři, ale nakonec došlo ke změně plánů a raketa nemá nohy žádné. Tím se zjednodušila a zlevnila výroba a zároveň se snížila celková hmotnost. Přistání však kvůli tomu bude muset být prováděno tak, že klesající raketu zachytí mechanická ramena na rampě. O tom si můžete přečíst více v sekci Start a přistání.
Starship (druhý stupeň)
Kosmická loď Starship měří 50 metrů na výšku, má průměr 9 metrů, pohání ji 6 Raptorů a hlavní nákladový prostor pojme přes 1000 metrů krychlových nákladu. Kromě paliva nebo jiného nákladu dokáže loď vézt až 100 lidí. Nákladový prostor Starship bude vybaven odklápěcím krytem, který po otevření nabídne otvor s šířkou 8 metrů a výškou až 22 metrů. Náklad bude k lodi připojován vertikálně (oproti tomu u Falconů se náklad připojuje, když je raketa sklopená do horizontální polohy).
Pokud Starship postavíme na výšku, v horní části bude prostor pro náklad nebo pasažéry. Pro lety s posádkou bude loď disponovat 40 kajutami pro 2–3 osoby, dále společnými prostorami, kuchyní, skladem a také krytem, kde se může posádka schovat při slunečních bouřích. Zhruba uprostřed lodi se nachází hlavní nádrž s metanem, pod ní nádrž s kyslíkem a úplně dole pak sekce s motory Raptor. Podle Muska také stále platí, že prázdný prostor kolem motorů bude využit pro uložení dodatečného nákladu. Výhodou prý je, že rozmístění nákladu umožňuje ovlivnit těžiště v případech, kdy je hlavní nákladový prostor ve špičce lodi plný.
Loď je vybavena dvěma velkými stabilizačními plochami na zádi a dvěma na přídi. Všechny lze naklápět pomocí elektromotorů a loď tím řídit během letu atmosférou. Baterie a motory z automobilů Tesla elektromechanicky ovládají řídicí plochy pomocí šnekového převodu. Pro pohyb zadní plochy je prý potřeba výkon 1,5 MW.
Starship bude existovat v několika variantách. Kromě minimálně jedné verze pro přepravu posádky bude potřeba také verze s velkým nákladovým prostorem a časem také verze pro skladování pohonných hmot na orbitě a navíc „tanker“, který bude využíván pro dotankovávání této orbitální „čerpací stanice“ nebo přímo jiných lodí Starship. Musk k tomu řekl: „Zpočátku bude tankování zajišťovat v podstatě obyčejná loď, akorát bude bez nákladu. Později vyrobíme specializovaný tanker, který bude mít extrémně vysoký hmotnostní poměr mezi plným a prázdným stavem (varování: bude vypadat dost zvláštně).“
SpaceX dále připravilo také variantu uzpůsobenou pro vynášení vlastních družic Starlink. Družice budou umístěny v nákladovém prostoru ve speciálním podavači, který bude po dosažení oběžné dráhy „vystřelovat“ družice z úzkého otvoru jednu po druhé. Zástupce SpaceX na konci roku 2021 uvedl, že Starship by mohla pojmout přes 100 družic Starlink.
Rané prototypy Starship měly šest přistávacích nohou, které byly na rozdíl od předchozí verze lodi z roku 2018 oddělené od stabilizačních ploch. Nacházely se složené uvnitř motorové sekce, před přistáním se vyklopily směrem ven a opřely se o zpevněné části „sukně“, která chrání motory během návratu atmosférou. Tyto nohy byly teleskopické a poprvé byly použity při letu prototypu Starship SN5. Elon Musk následně upřesnil, že příští verze přistávacích nohou označovaná „V1.1“ bude o 60 % delší a u verze 2.0 budou nohy ještě o hodně delší a širší, podobně jako ty na Falconech, ale budou schopny přistání na nerovném povrchu díky automatickému vyvažování. To se bude hodit především při prvotních přistáních na Měsíci či Marsu, než tam budou postaveny rovné plošiny. Jak přesně ale budou nohy vypadat, ještě nebylo finalizováno. Elon Musk k tomu uvedl, že přistávací nohy na Starship jsou jedním z neobtížnějších problémů. „Externí nohy vyžadují štít, což zvyšuje hmotnost. Širší postoj zvyšuje hmotnost. Tlumiče nárazu zvyšují hmotnost. Každopádně lepší nohy potřebujeme.“ První orbitální prototypy Starship však přistávací nohy nemají vůbec, protože budou přistávat do oceánu, a v budoucnu má přistávající lodě Starship zachytávat mechanismus na startovní rampě. Přistávací nohy tedy nakonec možná budou potřeba pouze pro přistávání mimo Zemi.
Starship obsahuje 1200 tun pohonných hmot, z čehož přibližně 78 % představuje kyslík. K problematice udržování pohonných hmot při správné teplotě během dlouhých letů na Mars, Musk v roce 2017 řekl: „Hlavní nádrže budou ve vakuu a vnějšek lodi bude dobře izolovaný (především kvůli zahřívání při návratu atmosférou). Předek lodi bude převážně nasměrován ke slunci, takže k nádržím určeným pro přistání se dostane jen malé množství tepla. Nicméně chlazení paliva lze zajistit také pomocí odpařování. Časem pak možná přidáme kryogenní chladič.“
Elon Musk vysvětlil, jak bude fungovat řízení Starship ve vakuu, tedy například při cestě na Měsíc či Mars. Vakuové Raptory budou schopné regulovat svůj tah, ale budou nehybné. Směr lodi tedy bude během provádění zážehů ovládán nakláněním atmosférických motorů, které pojedou na nejnižší možný výkon. Většinu tahu tak stále budou vytvářet efektivnější vakuové Raptory.
Starship na starších oficiálních vizualizacích disponuje vějířovitými solárními panely, které zajišťují přísun elektrické energie. První prototypy však panely vybaveny nejsou a místo toho obsahují několik velkých baterií převzatých z elektromobilů Tesla. Starship je také obvykle vyobrazena s několika řadami malých oken a jedním rozměrným oknem na špičce. Elon Musk uvedl, že okna „možná” budou mít zlatou vrstvu (asi podobně jako tomu je v případě hledí skafandrů pro pohyb astronautů ve volném prostoru). Okna však budou přítomna pouze u varianty lodi určené pro přepravu lidí, která bude mít premiéru později než nákladní nebo tankovací varianty.
Povrch lodi není nijak natírán, protože bude při návratu dosahovat moc vysokých teplot. Co se týče tepelné ochrany motorů Raptor, ty podle Muska „musí být zakryty během vstupu do atmosféry”, a tak vůbec nevyčnívají z trupu.
Co se týče interiéru lodi, tak Elon Musk v září 2018 prohlásil, že byly vypracovány různé koncepty. Podotkl, že interiér se bude lišit v závislosti na tom, pro jaké mise bude loď určena. Interiér lodi pro mise na Mars bude vzhledem k délce letu a počtu pasažérů hodně odlišný od interiéru lodi létající k Měsíci. Podle Muska se při návrhu interiéru nesmí zapomínat na zábavu, a tak bude loď disponovat prostory pro ty co možná nejzábavnější aktivity, které lze provádět ve stavu beztíže. V srpnu 2020 Musk uvedl, že návrhu interiéru lodi se SpaceX zatím moc nevěnovalo, ale v červnu 2023 investor Steve Jurvetson prozradil, že SpaceX už má modely ložnice a toalety ve skutečné velikosti, určené pro budoucí cesty Starship na Mars.
Kosmická loď nebude vybavena únikovým systémem pro posádku. Musk se k tomu v minulosti vyjádřil ve smyslu, že SHS je znovupoužitelná a bude létat tak často, že její bezpečnost bude časem podobně vysoká jako u letadel, takže klasický záchranný systém nebude potřeba. Například dopravní letadlo také nemá padáky pro cestující a člověk se musí smířit s tím, že je určitá malá šance, že dojde k tragické nehodě. Jestli se takové úrovně bezpečnosti SHS opravdu podaří v reálu dosáhnout, však rozhodně není jisté.
Starship má kromě hlavních nádrží ještě menší nádrže, které zůstávají na rozdíl od těch hlavních plné až do přistávacího zážehu. To je podle Muska důležité, protože jinak by hrozilo, že motory po nastartování nasají vzduchovou bublinu vzniklou během poletování paliva ve stavu beztíže. To by nejspíš mohlo motory poškodit. Starship proto má menší nádrže („header tanks“), které obsahují pohonné látky pro přistání. Podle schématu z představení předchozí verze rakety BFR měly obě tyto přistávací nádrže být umístěny uvnitř hlavních nádrží, ale nakonec došlo ke změně.
Od prototypu Starship S24 jsou obě přistávací nádrže umístěny ve špičce lodi. Důvodem je podle Elona Muska vytvoření protiváhy k těžké spodní části rakety, která obsahuje velké aerodynamické plochy a také motory Raptor. Během přistání, kdy jsou hlavní nádrže prázdné, by jinak bylo těžiště moc nízko. U dřívějších prototypů však byla ve špičce umístěna jen kyslíková přistávací nádrž (s hmotností kolem 30 tun), zatímco nádrž s metanem pro přistání byla umístěna ve spodní části hlavní metanové nádrže.
Starship se vyrábí z „barelů“, což jsou prstence vysoké 2 metry s průměrem 9 metrů. Vyrábějí se tak, že se rozvine plech z nerezové oceli, uřízne se a v daném místě se svaří. Výsledný barel má hmotnost 1600 kg a trup každé Starship tvoří přibližně 17 barelů. Na vrch pak patří ještě aerodynamická špička. SpaceX v březnu 2020 vyrábělo dva barely denně a cílem bylo vyrábět čtyři denně.
Start a přistání
Starty SHS budou probíhat buď z odpalovacích ramp na pevnině nebo ze speciálních mořských kosmodromů. Alespoň zpočátku má být před každým startem proveden statický zážeh, při kterém budou zažehnuty všechny motory na Super Heavy po dobu 15 sekund.
Kombinace lodi Starship a nosiče Super Heavy bude mít při startu celkovou hmotnost kolem 5000 tun. Super Heavy bude obsahovat přibližně 3600 tun paliva a okysličovadla, zatímco Starship ponese dalších 1200 tun těchto pohonných hmot. Během startu se očekává, že horko vyvolané zážehem motorů na Super Heavy dosáhne až do vzdálenosti 440 metrů od vypouštěcího stolu. Co se týče úrovně hluku, tak start SHS bude výrazně hlasitější než Falcon 9.
Necelé 3 minuty po startu Super Heavy vypne své motory přibližně ve výšce 70 km, načež dojde k odpojení Starship, která ve výšce kolem 80 km zažehne své motory a poletí na cílovou orbitální dráhu. Super Heavy mezitím doletí až do výšky 130 km a poté začne klesat, přičemž dosáhne rychlostí přesahujících Mach 6. Ve výšce kolem 8 km raketa zpomalí pod rychlost zvuku a poté přistane.
Nosič Super Heavy je schopen tak přesného přistání, že ani nepotřebuje přistávací nohy. Plán je takový, že přistávající raketu zachytí mechanická ramena přímo na rampě. Po zachycení pak může být raketa snadno přesunuta na vypouštěcí stůl pro rychlou kontrolu, natankování a další start. Zachytávací mechanismus je přezdíván Mechazilla.
Ukázka úspěšného zachycení Super Heavy při misi IFT-5:
Starship rocket booster caught by tower pic.twitter.com/aOQmSkt6YE
— Elon Musk (@elonmusk) 13. října 2024
Elon Musk také vysvětlil, že Super Heavy nebude při návratu atmosférou létat „břichem napřed“ jako Starship, jelikož těžiště nosiče bude oproti lodi o dost níže a bude konzistentnější (není třeba brát ohled na variabilní hmotnost nákladu), takže bude mít tendenci letět motory napřed stejně jako první stupně raket Falcon.
Pro zpětný zážeh, který raketu po oddělení nasměruje zpět na místo startu, budou podle Elona Muska použity všechny středové motory, které jsou schopny náklonu o 15 stupňů a tím raketu řídí. Musk doufá, že nosič bude dostatečně bytelný, aby dokázal přečkat návrat do atmosféry i bez provedení zpomalovacího vstupního zážehu, který provádějí rakety Falcon. V takovém případě by si pak raketa Super Heavy vystačila už jen s finálním přistávacím zážehem, což by ušetřilo palivo.
Řízení nosiče před přistáním budou stejně jako v případě raket Falcon zajišťovat roštová kormidla. U Super Heavy však jsou ze svařované oceli místo z titanu. Novinkou je, že kormidla nelze sklopit k trupu, a tak budou při startu i návratu vždy ve vyklopené poloze a budou se pouze otáčet. Podle Elona Muska to má zanedbatelný vliv na aerodynamický odpor a výhodou je zjednodušení celého systému.
Loď Starship bude při návratu z orbity vstupovat do atmosféry pod 70° úhlem a řízení budou zajišťovat čtyři samostatně naklopitelné aerodynamické plochy. Dvě menší se nacházejí na špičce a dvě velké na zádi. Plochy při hypersonických rychlostech vytvářejí vztlak, což je podle Muska důležité kvůli omezení maximálního zahřívání. Vysvětlil, že jelikož Starship má znovupoužitelný tepelný štít, Starship potřebuje strávit co nejvíce času v atmosféře kvůli aerodynamickému brždění. To sice povede k vytvoření většího množství celkového tepla, ale maximální dosažená teplota nikdy nebude tak vysoká jako v případě rychlejšího sestupu, který provádí například lodě Dragon. Při letech na Mars a zpět na Zemi pak podle Muska bude nejspíš potřeba provádět vstup do atmosféry nadvakrát.
Před přistáním se Starship otočí do svislé polohy pomocí motorů Raptor a manévrovacích trysek. Přistávající kosmická loď Starship bude způsobovat sonické třesky, které budou ve srovnání s přistávajícím Falconem 9 slyšitelné v několikanásobně rozsáhlejší oblasti.
Starship měla původně přistávat na pevnině nebo mořské plošině, ale aktuální plán je takový, že bude kosmická loď před přistáním zachycena Mechazillou stejně jako Super Heavy. Zatím však není jasné, kdy bude tento způsob přistání poprvé vyzkoušen v praxi.