Бак из углеродного волокна. Сredit: SpaceX
Маск даже упомянул о своём желании совместить систему тепловой защиты (TPS) с внешней оболочкой корабля для экономии массы. Это предвещало возможное решение SpaceX использовать углеродное волокно для всей конструкции. Основной причиной такого выбора был низкий коэффициент теплового расширения, который позволил бы SpaceX разместить теплозащитный экран корабля непосредственно на внешнем корпусе, потенциально экономя ещё больше массы.
В августе 2015 года Маск объявил, что соотношение кислорода к метану в двигателях Raptor составит 3,8:1. MCT должен был представлять собой ракету высотой 180 м, диаметром 12 м и массой 4724 т, с космическим кораблём массой 1125 т, установленным на ускоритель массой 3599 т. Он будет стартовать с тягой 6344 тс 27 двигателей Raptor и выводить 236 т на низкую орбиту в многоразовом варианте.
Интересно, что это также сделало бы его многоразовую версию самой эффективной ракетой-носителем в мире с полезной нагрузкой, равной 4,99% от стартовой массы ракеты.
Корабль и танкер MCT имели длину 60 м и были способны стыковаться для дозаправки корабля. Оба также должны были иметь TPS с абляционным материалом PICA 3.0. Отношение тяги основной ступени к кораблю/заправщику составляло 5:1, в то время как у большинства ракет соотношение тяги составляет 8:1 и более. Вероятно, это означало, что на космическом корабле планировалось 5 вакуумных двигателей Raptor. К этому времени вторая ступень, вероятно, также имела 3 центральных двигателя Raptor. ракета марс космический полет
Сам космический корабль MCT должен был иметь большой жилой отсек с каютами для экипажа, установленными в верхней части. Для транспортировки груза имелся нижний грузовой отсек, установленный над двигателями, которые, в свою очередь, питаются через центральные трубопроводы, проходящие через грузовой отсек. Такая компоновка позволила бы легко выгружать тяжёлые грузы. Космический корабль включал в себя 5 опор, которые выдвигались, а не складывались как опоры Falcon 9. Планов по установке системы прерывания полёта (LAS) на космическом корабле уже тогда не было. Высота ракеты в то время должна была составлять около 105 м.
Версия 6 (февраль 2016 г.)
После 2015 года SpaceX разработали конструкцию второй ступени. Самый тяжёлый вариант, оценивающийся в 80,7 т, имел топливные баки в носовой части, экипаж -- в нижней, а основной грузовой отсек -- чуть выше двигательного. Второй по массе вариант весил 79,8 т и имел отсек для экипажа в верхней части, основное грузовое пространство -- в нижней, и топливные баки между ними. Выбранный вариант весил 73,3 т и имел отсек для экипажа в верхней части, грузовой отсек -- в средней, и топливные баки -- в нижней. Он принёс в жертву лёгкость посадки и разгрузки ради увеличенной дельта-V, критически важной для возвращения на Землю с Марса.
К февралю 2016 года компания спроектировала MCT ещё более крупной конструкции массой приблизительно 5400 т, высотой 81 м и диаметром 12 м с примерно в 2,4 раза большей тягой, чем у Saturn V. Сделанный полностью из углеродного волокна корабль высотой 41 м с 9 двигателями Raptor (6 вакуумных и 3 основных) вмещал 1450 т топлива. Под ним находился 40-метровый ускоритель с 42 двигателями Raptor, вмещающий 3650 т топлива при соотношении кислород/топливо 3,58.
Тяга двигателя Raptor была уменьшена на 13% до 200 тс, в результате чего ускоритель развивал тягу в 8 400 тс, что на 32,4% больше, чем заявлялось ранее. Он должен был приземлиться возле стартовой площадки, а не в море, с помощью комбинации двигателей ориентации на горячем газу и решётчатых рулей.
SpaceX планировали повторно использовать ускоритель, танкер и корабль 1000, 100 и 12 раз соответственно, при этом повторное использование корабля сильно ограничивалось нагревом, который он должен был выдержать во время полёта. Танкер MCT заметно отличался от корабля, с негабаритными баками вместимостью 1650 т и высотой всего 27 м. В качестве возможного предшественника более поздних планов SpaceX рассматривали полёт танкера в виде одноступенчатого корабля с выходом на орбиту (SSTO) с уменьшенными размерами сопла у двигателей и всего 540 т топлива.
Предполагалось, что вакуумная версия двигателя Raptor будет 5,5 м в длину и 3,8 м в диаметре, в то время как основной двигатель Raptor будет значительно меньше. Двигатели будут работать на жидком кислороде и метане, охлаждёнными до -212°C и -178°C перед пуском. В вариантах второй ступени все 9 двигателей запускались после разделения ступеней, чтобы минимизировать гравитационные потери. Оказавшись на орбите, танкер и корабль состыковывались и перекачивали топливо.
Корабль бы имел хранилище для воды и жидких и твёрдых отходов вокруг верхних краёв кислородного бака. Над ним располагался негерметичный грузовой отсек. Он состоял из 3-метровых палуб, поддерживаемых центральной колонной. Эта область включала энергосистемы, тепловые системы, солнечные панели, радиаторы, системы жизнеобеспечения, системы кондиционирования воздуха и авионику. В корабле было достаточно места для перевозки 73 человек на Марс в соответствии с минимальным стандартом свободного пространства (15,1 мі на человека).
SpaceX могли бы компенсировать ухудшенный вариант разгрузки при этой компоновке за счёт большого грузового люка и козлового крана для спуска тяжёлых грузов на поверхность Марса. Экипаж может спуститься через шлюз из герметичного отсека объёмом 1100 мі. Также в него можно попасть через шлюз стыковочного порта. Герметичный отсек имел такую же центральную опорную колонну, что и грузовой. Предполагалось 4 уровня: 3 этажа высотой 2,5 м для экипажа, запасов и используемых помещений, а также верхний уровень намного большего размера.
На этом уровне располагались каюты и кресла экипажа. В носовой части корабля находились RCS-двигатели. Одним из важных элементов стали выдвижные опоры танкера и корабля, 5 из которых были значительно увеличены.
Когда в SpaceX решили полностью использовать углеродное волокно, инженеры отметили огромные производственные проблемы, перекликающиеся с Boeing 787, секции фюзеляжа которого также были сделаны из углеродного волокна. Среди других проблем отмечалась меньшая устойчивость к повреждениям углеродного волокна по сравнению с металлическими конструкциями, с которыми SpaceX надеялись справиться с помощью нового подхода к производству. План заключался в том, что для процесса производства композитных секций использовалось соединение внахлёст.
Ещё в 2016 году компания SpaceX подсчитала, что они могут построить ускоритель для актуальной в то время версии MCT всего с 3 составными секциями и переходным отсеком. Инженеры компании оценили скорость укладки волокна в 16-20 т в месяц для создания только ускорителя.
Теплозащита корабля и танкера также оставалась в центре внимания команды. Когда SpaceX выбрали первоначальную 73,3-тонную версию MCT, инженеры подсчитали, что для неё потребуется ~ 18 т абляционной тепловой защиты PICA. Это означало, что примерно четверть массы корабля будет отдана исключительно теплозащите. Это бы ограничило массовые преимущества углеродного волокна.
Инженеры SpaceX также были озабочены поиском способов снижения стоимости теплозащиты. Нагрузка от многократных вхождений в атмосферу во время марсианских полётов туда и обратно потребует ремонта всего покрытия. Аналогичные опасения высказывались и по поводу снижения затрат на ремонт покрытия танкеров между рейсами, чтобы улучшить возможность их повторного использования.
Версия 7 (Interplanetary Transport System - сентябрь 2016 г.)
Сredit: SpaceX
В феврале 2016 года SpaceX выбрали конструкцию MCT массой ~ 5400 т вместо более крупной конструкции массой 7000 т, высотой 88 м и диаметром 14 м с тягой в 3 раза большей, чем у Saturn V. В ITS, о которой было объявлено в сентябре 2016 года, масса увеличилась до колоссальных 10 500 т! Ракета могла вместить больше, чем крейсер класса «Тикондерога», и более чем в 2 раза превышала проектную массу 4724 т, о которой было заявлено в предыдущем году.
ITS имел высоту 122 м и состоял из 2 ступеней. Первая, высотой 77,5 м развивала поразительную тягу в 13 000 тс, что соответствует 85 Airbus A380, сверху располагался космический корабль ITS высотой 49,5 м и диаметром 17 м с большим панорамным окном.
Его тяга в 3 150 тс позволила бы поднять 2100-тонный корабль и до 300 т груза на НОО. Он мог доставить на поверхность Марса 450 т груза, благодаря 3 выдвигающимся посадочным опорам. Вариант танкера отличался крупногабаритными баками вместимостью 2500 т и уменьшенной на 40% сухой массой.
Тяга двигателя Raptor на уровне моря увеличилась на 55,5% с 200 до 311 тс, а его удельный импульс на уровне моря увеличился на 3,9% (334 с против 321,4 с ранее).
Он даже был способен дросселироваться на 20-100%, а его давление в камере, составляющее 300 бар, было самым высоким в истории ракетных двигателей. Вакуумная версия имела более высокую тягу в 356 тс и удельный импульс в 382 с, это был самый высокий показатель у углеводородного двигателя за всю историю, благодаря очень большому соплу со степенью расширения 200:1.
Скромные 7% (или 469 т) топлива, необходимые для возврата ускорителя ITS на площадку должны были превзойти по массе ранние Falcon 9 и составить 333 т. Полезная нагрузка в одноразовом варианте в 3 раза превышала вес Статуи Свободы. Даже в многоразовой версии полезная нагрузка была эквивалентна массе Boeing 777-300. Однако, была слишком большой, чтобы быть безопасной, практичной или экономичной.
Версия 8 (Big Falcon Rocket-сентябрь 2017 г.)
Сredit: SpaceX
В сентябре SpaceX решили изменить всю систему, чтобы избежать строительства нового завода. Это упростило бы производство за счёт более простой и дешёвой логистики для транспортировки и испытаний. Пересмотренный проект был назван Big Falcon Rocket (BFR).
Когда проект BFR был анонсирован на Международном астронавтическом конгрессе в 2017 году, он имел высоту 106 м, массу 4400 т и мог доставить на орбиту полезную нагрузку массой 150 т в многоразовом варианте. Увеличенные более чем вдвое в период с октября 2015 года по сентябрь 2016 года размер и масса всей системы отныне уменьшились до минимально возможных значений.
Ракета-носитель BFR высотой 58 м и массой 3065 т оснащалась 31 двигателем Raptor с тягой 5 400 тс. Это «всего лишь» 35 авиалайнеров А380. Корабль Big Falcon Ship (BFS) уменьшился до 48 м в длину, его герметичный объём - до 825 мі, а масса - до 1185 т без полезной нагрузки. Он мог возвращать полезную нагрузку до 50 т.
У BFS было 4 выдвижные посадочные опоры. Он также отличался 4 оптимизированными под вакуум двигателями Raptor, расположенными вокруг 2 (позже 3) основных двигателей Raptor. Пара треугольных крыльев была добавлена для обеспечения контроля по тангажу и крену. Это, в свою очередь, позволяло BFS быть управляемым в различных слоях атмосферы. Большое переднее панорамное окно было разделено на 2 больших, расположенных рядами. Установкой укрытия от «солнечного шторма» для жителей 40 кают, были решены проблемы радиации.
С добавлением грузовой версии BFS с огромным отсеком для полезной нагрузки и откидным обтекателем, BFR получил возможность возвращать с орбиты спутники. Это, наряду с его меньшими размерами, дало ему гораздо лучшее экономическое обоснование, чем было у ITS. SpaceX заявили, что этот дизайн станет преемником семейства Falcon 9. Возможные перелёты по маршруту Земля-Земля менее чем за час, пополнение запасов космической станции и полёты на поверхность Луны также упоминались как его дополнительные возможности.
Оснастка для намотки углеволокна в порту Лос-Анджелесса и Tesla Model 3 для масштаба Сredit: SpaceХ
В апреле 2018 года SpaceX объявили о получении разрешения на разработку своей BFR в порту Лос-Анджелеса. К этому моменту около 40 человек работали над проектом в палатке, умещавшей массивную оснастку для намотки углеродного волокна, которую SpaceX заказали для строительства BFR. Планы SpaceX предусматривали сборку ракеты-носителя в порту Лос-Анджелеса, а затем её транспортировку через Панамский канал к пусковому комплексу на мысе Канаверал, Флорида.
Версия 9 (Big Falcon Rocket/Starship-сентябрь 2018 г.)
Сredit: SpaceX
Следующая итерация дизайна значительно эволюционировала и дебютировала в сентябре 2018 года вместе с объявлением о миссии на Луну с участием японского миллиардера Юсаку Маэдзавы (Yusaku Maezawa). В конструкции произошёл скачок роста на 12 м -- до 118 м. Ускоритель BFR увеличился на 5 м -- до 63 м.
Длина BFS увеличилась на 15% -- до 55 м, в основном за счёт увеличенного герметичного отсека объёмом около 1100 мі. У BFS имелось 7 атмосферных двигателей Raptor с общей тягой 1400 тс. Это эквивалентно 9 самолётам А380.
Управлять кораблём помогали 2 передних «крыла» и 3 «крыла» на корме. Новый BFS также должен был иметь большое панорамное окно, которое в последний раз видели на ITS образца 2016 года.
Кроме того, Маск намекнул на возможность повторного внедрения вакуумных двигателей Raptor в Starship, но заявил, что «чувствует, что это последняя итерация с точки зрения широких архитектурных решений для BFR, BFS». В ноябре 2018 года последовало переименование: BFS стал называться Starship, а ускоритель -- Super Heavy. Вся система также стала именоваться -- Starship.
Сredit: SpaceX
В конце ноября SpaceX приступили к активным работам в Бока-Чика. Началось строительство странного сооружения, которое в начале приняли за водонапорную башню. 22 декабря 2018 года Илон Маск подтвердил в своём твите, что радикально переработанный двигатель будет готов к тестам в следующем месяце. На следующий день, после поездки в Бока-Чика, Маск объявил, что лётный стенд для проверки двигателя Raptor -- Starhopper строился там в течение нескольких недель.