¿Exactamente por qué Starship necesita ser tan grande para los viajes interplanetarios?

Como se discutió en varias respuestas a ¿ No es Starship demasiado grande? El tamaño inusual de Starship se debe a que está destinado a misiones al Planeta Rojo. ¿Pero por qué?

Incluso una nave más pequeña podría satisfacer el delta-V para una misión interplanetaria tripulada.

Seguramente un barco no necesita transportar 100 personas para prevenir problemas psicológicos. Seguramente, un número más modesto como 10 satisfaría.

Una flota más grande de barcos más pequeños podría transportar la misma carga útil que un barco grande

Ventajas:

  • Las economías de escala reducen los costos de producción.
  • Seguridad debido a la experiencia multiplicada en varias embarcaciones y vuelos.
  • Costo y riesgo de desarrollo reducidos.

Contras:

  • No todo escala. Por ejemplo, independientemente del tamaño, cada barco individual necesita una cantidad fija de aviónica, al menos un comandante, etc.
  • Es posible que no se transporten algunos artículos grandes de carga.
Recuerde que no solo necesita llevar a esas personas, sino también alimentos, suministros médicos, AGUA y muchas otras cosas durante los 6 años que durará la misión.
@jwenting um, IIRC, el contexto que usó Elon sugirió que se tomaron en cuenta.
Solo se contabilizan debido al tamaño de Starship. No hay forma de que una sola persona quepa junto con todos los suministros necesarios dentro de Dragon. Podría ser posible salirse con la suya con un cohete un poco más pequeño que Starship si la tripulación se redujera a 4 o más (aunque no menos a la mitad: depuración de aire, sistema de purificación de agua, recuperación de humedad, repuestos, etc. para 4 personas). t ser mucho menor que para 10.) Y la carga de trabajo para establecer una base sostenible en Marte sería demasiado para 4.
Starship es tan grande porque la redujeron un par de veces. En comparación con propuestas anteriores para vuelos tripulados interplanetarios , ¡Starship es minúsculo!
Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .

Respuestas (5)

Muchos costos de lanzamiento son independientes del tamaño del cohete. No es más barato despejar la ruta de vuelo de un cohete más pequeño, por ejemplo. También lleva mucho más tiempo hacer 10 lanzamientos en lugar de un lanzamiento grande, y los vuelos espaciales están llenos de casos en los que tienes oportunidades de lanzamiento limitadas. Un vehículo más grande tendrá un mayor rendimiento y menores costos por kg.

Los vehículos más pequeños son más difíciles de reutilizar. SpaceX consideró reutilizar la segunda etapa del Falcon 9, pero la penalización de la carga útil habría sido severa. La escala de cubo cuadrado significa que cosas como TPS se escalan aproximadamente con el área de superficie del vehículo, no con su masa, y los problemas de calibre significan que muchas partes de un vehículo más pequeño no son tan livianas como sería óptimo, porque serían demasiado pequeñas y frágiles. Partes de la piel de Starship solo tendrán un grosor de 3 mm. Redúzcalo al tamaño de Falcon 9 y la piel solo tendrá un grosor de aproximadamente 1 mm. Esto sería difícil de soldar y fácil de dañar... incluso un pequeño rasguño podría debilitarlo en gran medida... y probablemente tendría que presurizar la estructura para sostenerse a sí misma y todo lo que está unido a ella. Problemas similares también afectan la capacidad de transportar de manera eficiente muchas cargas.

Finalmente, Starship no está destinado a llevar 100 personas a la luna o Marte en sus misiones iniciales. Llevará un número mucho menor de personas, junto con muchos suministros y equipos. El gran tamaño del vehículo significa un enorme presupuesto masivo para suministros adicionales, esclusas de aire y ascensores redundantes, un centro médico dedicado, etc. Una alternativa de masa mínima necesariamente estaría mucho menos equipada y sería capaz de manejar problemas inesperados.

"junto con un montón de suministros y equipos". Esa es la clave: hay más para ir a Marte que simplemente llevar un montón de gente.
@RonJohn: Pero si es sensato, ya lanzó todos los suministros que necesitaría en Marte y su (s) vehículo (s) de regreso, y sabe que están esperando en la superficie o en órbita.
@jamesqf SpaceX ha estudiado esto más que usted y decidió construir StarShip+Heavy.
@RonJohn La NASA también lo estudió y mencionó específicamente los grandes márgenes, la redundancia, las opciones de contingencia, etc. como ventajas de la propuesta HLS de SpaceX. Si eres sensato, no asumes que todo saldrá exactamente como lo planeaste.
Además, a veces SpaceX hace cosas solo porque Elon lo quería de esa manera, o sonaba bien. Consulte "BFR" como solo un ejemplo. Elon no es un científico espacial, no importa lo que diga.
@RonJohn: Es posible que SpaceX lo haya estudiado, pero luego aparece Musk y decide qué harán realmente. Y esa puede ser una gran idea, o puede ser muy, muy tonta. Considere Tesla: prácticos autos eléctricos, genial. Pero, ¿cuánto dinero ha desperdiciado Tesla en su "piloto automático", al tiempo que se exponía a demandas judiciales importantes? Y luego está la pura idiotez de ejecutar todo desde una pantalla táctil gigante, lo que asegura que mucha gente (incluyéndome a mí) nunca comprará un Tesla... O considerará toda su idea de colonizar Marte con la tecnología actual...
¿Qué significa "TPS"?
"en sus misiones iniciales". Tampoco llevará a 100 personas a Marte. Ese es solo otro tonto "número de Elon". Las razones técnicas por las que esto es así se explican en youtube.com/watch?v=SummGvYrHqw
@Michael TPS: Probablemente sistema de protección térmica: en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_thermal_protection_system

¿Por qué no los dos?

Ha identificado correctamente que hay dos economías de escala: la primera está en producción (cuanto más producimos, más barato se vuelve) y la segunda es la carga útil por vuelo (cuanto más llevamos, más barato es).

El problema es que crees que Starship está intentando hacer lo segundo, a costa de lo primero. Esto no es correcto. Starship está haciendo ambas cosas: está destinado a transportar grandes cantidades de carga básicamente a cualquier lugar Y hacerlo a escala con muchas unidades en producción.

La construcción de 100 Starships/año llega a 1000 en 10 años o 100 megatones/año o tal vez alrededor de 100k personas por sincronización orbital Tierra-Marte

https://twitter.com/elonmusk/status/1217990326867988480 (¡Gracias @Robyn por la fuente!)

Me gusta pensar en él como el 747: grande, ambicioso y, sin embargo, un caballo de batalla diario.

Musk ha declarado que tiene la intención de construirlos a granel. Quizás 100 por año, para tener una flota de mil barcos. twitter.com/elonmusk/status/1217990326867988480
Gracias @Robyn por encontrar esa maravillosa cita directa. He incluido esto en la respuesta (con crédito).

Al enviar algo a Marte, parece que las agencias espaciales esperan hasta que Marte esté a punto de alcanzar la distancia más cercana a la Tierra.

Gráfico de lanzamientos a Marte

de: https://en.wikipedia.org/wiki/Launch_window

Enviar una misión en lugar de docenas también abriría sitios de lanzamiento adicionales, ya que la ventana de lanzamiento preferida es limitada.

Parece que esperan hasta justo antes de que Marte se acerque.
@BrendanLuke15: Eso es porque es más eficiente lanzar una sonda para que salga de la Tierra cuando esté a un lado del Sol y llegue a Marte cuando esté al otro lado del Sol. Vea este diagrama . Y dado que Marte gira en su órbita más lento que la Tierra, resulta que el punto de lanzamiento óptimo es unos meses antes de que la Tierra "pase" a Marte en su órbita. (La mecánica orbital es rara).
@MichaelSeifert: No creo que el hecho de que Marte vaya más lento importe. Lo mismo se aplica a los viajes a Venus. Propongo una explicación alternativa: el gráfico solo muestra las fechas de lanzamiento. Si el gráfico también mostrara los tiempos de llegada (y, por lo tanto, los intervalos), quedaría claro que el intervalo de viaje abarcó el tiempo de máxima aproximación.
@MSalters: El hecho de que Marte vaya más lento no tiene relación con la ventana de lanzamiento de Hohmann, pero sí importa en el sentido de que conduce a la naturaleza coincidente de una ventana de lanzamiento que se abre aproximadamente al mismo tiempo que el acercamiento más cercano entre los planetas. Dado que Marte se mueve más lento, la Tierra debería estar casi superando a Marte durante la ventana de lanzamiento, pero no del todo todavía (ver el gráfico). Todo esto es pura coincidencia debido a la velocidad orbital relativa de ambos planetas.
Mi problema con esta respuesta es que su redacción implica que la distancia más cercana define la ventana de lanzamiento. no lo hace Lo que define la ventana de lanzamiento es el tiempo necesario para que la nave y el planeta se encuentren al final de la transferencia interplanetaria, lo que define una posición específica para el planeta objetivo en función de su velocidad relativa con respecto al planeta inicial. Para Marte, esto sucede cerca de un acercamiento más cercano, pero eso es pura coincidencia.
Lo que dijo @Flater. Algo simplificado, una transferencia de energía mínima toma la mitad de una órbita elíptica que va desde el radio orbital de la Tierra hasta el de Marte, llegando al lado opuesto del sol desde donde se lanzó desde la Tierra al mismo tiempo que Marte pasa por esa ubicación. Eso significa que Marte y la Tierra estaban a punto de hacer su acercamiento más cercano cuando partió, pero darle importancia a eso es mirar las cosas más bien hacia atrás... es la posición de Marte y la nave espacial en el otro extremo de la órbita de transferencia lo que determina el ventana de lanzamiento.
Para extender ligeramente el punto de @ChristopherJamesHuff, supongamos que una nave espacial tarda exactamente 200 días en viajar esa media órbita comenzando en la altitud orbital de la Tierra y terminando en la altitud orbital de Marte. Por lo tanto, desea comenzar este viaje de 200 días cuando a Marte le falten 200 días para estar en ese mismo lugar, de modo que su nave y Marte lleguen a ese destino específico al mismo tiempo. Esencialmente, según el tiempo de viaje de la nave, sabes exactamente cuánto tiempo necesita el planeta objetivo para estar "antes" en su trayectoria orbital, lo que significa que sabes en qué ubicación quieres que esté el planeta hoy.

La relación entre la masa total y la masa propulsora mejora cuanto más grande es el tanque de combustible, por lo tanto, un tanque más grande proporciona más delta-v.

(Es decir, el tanque tiene menos masa seca por cantidad de propelente que puede contener cuanto más grande es).

La razón de esto es que el volumen de un cilindro o esfera se escala aproximadamente con el cuadrado de su radio, mientras que su superficie solo aumenta proporcionalmente a su radio. (Esta es también la razón por la que los elefantes tienen orejas tan grandes: necesitan aumentar de alguna manera la superficie de su cuerpo para enfriar su enorme volumen corporal).

Mirando la ecuación del cohete Tsiolkovsky

ingrese la descripción de la imagen aquí

podemos ver que el delta-v depende de la relación entre la masa total m0 y la masa de combustible mf , por lo que una masa seca más baja nos da un delta-v más grande (si mantenemos la misma eficiencia del motor del cohete).

Tomemos algunos números de https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=50049.0 para ver cómo funciona esta escala. Según esta entrada del foro, Starship tiene un diámetro de 9 metros y utiliza acero de 3,97 mm de espesor y una densidad de 7907 kg/m³.

Para simplificar, imaginemos que el tanque de metano es un cilindro de acero simple sin puntales de soporte internos, deflectores contra salpicaduras, mamparos, etc. Si el tanque de metano es un cilindro de 16,5 metros de alto con 9 metros de diámetro, esto da un área de superficie de :

r = 4,5m h = 16,5m

A = 2πrh+2πr^2

A = 466,52 + 127,23 = 593,75 m²

y un volumen de:

V = πr^2h

V = 1049,86 m³

La piel de acero del tanque tiene una masa de

M = 593,75 m² x 0,00397 mx 7907 kg/m³ = 18638,28 kg

Así que para contener propulsor en un cilindro de 9 metros de diámetro necesitamos 18638,28 kg / 1049,86 m³ = 17,75 kg de acero por m³ de propulsor

Para Starship 2 se han propuesto tanques de 18 metros de diámetro.

r = 9 mh = 16,5 m

A = 933,05 + 508,93 = 1441,99 m²

V = 4198,74 m³

La piel de acero del tanque de 18 metros tiene una masa de

M = 1441,99 m² x 0,00397 mx 7907 kg/m³ = 45265 kg

Para contener gas propulsor en un cilindro de 18 metros de diámetro solo necesitamos 45265 kg / 4198,74 m³ = 10,78 kg de acero por m³ de gas propulsor

Observe cómo el área de la superficie del tanque más grande no es ni siquiera 3 veces más grande que la del tanque más pequeño, mientras que su volumen es 4 veces más grande.

Hay un gran problema aquí. El grosor de la piel debe escalar con el radio para una presión y una tensión del material dadas.
Estás en lo correcto. Si suponemos que necesitamos el doble de espesor de piel para el doble de radio, obtendríamos 21,56 kg por m³, lo que sería peor. ¿Tal vez podamos usar secure.outokumpu.com/steelfinder/Storage-Tank/Default.aspx para calcular el grosor necesario?
Además, mi modelo de juguete asumió un grosor de pared uniforme. En realidad, las paredes en el fondo del tanque serán más gruesas porque deben soportar más carga.
Un punto importante es que las superficies superior e inferior del tanque no experimentan más presión si aumentamos el radio, siempre y cuando mantengamos la misma altura del cilindro (el peso de la columna de propulsor sobre una unidad de superficie de acero). en la parte inferior permanece igual). No sé cómo calcular el aumento de presión en las paredes laterales.
Los tanques de cohetes no son recipientes a presión puros, también son columnas que brindan soporte mecánico directo a las etapas superiores, anclan los componentes del cohete, resisten las fuerzas aerodinámicas mientras vuelan en ángulos de ataque distintos de cero, etc. También pueden llevar aislamiento o revestimientos protectores que escala más o menos directamente con el área de la superficie. Por lo tanto, no es una aplicación sencilla de escalado de cubo cuadrado, pero los tanques más grandes son estructuralmente más eficientes.

Ir a Marte va a necesitar mucha carga.

El plan de Elon es enviar 2 naves estelares de carga a Marte antes de cualquier misión tripulada. (Ha sido inusualmente consistente en esto, dado lo mucho que suele cambiar de opinión). Incluso para Elon (y mucho menos para la NASA) este es un requisito mínimo de seguridad. Me gustaría ver la fábrica de propulsores en funcionamiento y al menos una de esas naves estelares repostando para el vuelo de regreso antes de considerar enviar humanos allí.

Starship requiere 1200 toneladas de propulsor. Dados 2 años entre las ventanas de lanzamiento y suponiendo que el Sol brille la mitad del tiempo en Marte, eso significa generar 38 gramos por segundo de propulsor durante el día. Eso puede no parecer mucho, pero requiere alrededor de 600kW de energía eléctrica. Una matriz solar fotovoltaica de ese tamaño sería de 6000 m2 en la Tierra (más en Marte) y podría llenar todas las 2 naves estelares. Dirás que con una nave más pequeña necesitarías menos células solares. Pero a la escala de la nave estelar propuesta, un minirreactor nuclear (similar a los que se encuentran en los submarinos nucleares) se convierte en una opción viable (aunque nunca escuchará hablar a Elon en este momento).

Además, ¿qué van a hacer las personas cuando lleguen a Marte? Supongo que la primera tripulación será de unas 10 personas muy valientes, no 100 porque el riesgo es demasiado alto. Pero si se van, puede apostar que habrá planes para que tengan un empleo remunerado cuando lleguen allí. Realizando todo tipo de exploraciones y experimentos, así como construyendo hábitats para el próximo grupo de exploradores marcianos. Varios cientos de toneladas de carga para mantener ocupada (y feliz) a una tripulación de 10 personas en lo que necesariamente será una misión de varios años no parece demasiado.

2 naves estelares no significa 2 lanzamientos

Todo el concepto de Starship to Mars se basa en el reabastecimiento de combustible en órbita terrestre baja. Tomará alrededor de 6 a 8 lanzamientos por nave estelar para cargar completamente las primeras 2 naves de carga. Así que estás viendo una campaña de 12 a 16 lanzamientos solo para enviar las 2 naves estelares avanzadas llenas de carga. A esto le seguiría una capa de 2 años por otra campaña de 12 a 16 lanzamientos para enviar 2 naves estelares más con una tripulación (como dije anteriormente, probablemente solo 10 personas más una carga de carga). En total, son 24 a 32 lanzamientos para hacer la mayor parte de una misión de 10 personas.

Starship no es tan grande en comparación con su competencia.

Si bien el objetivo de Elon es ir a Marte, la forma de ganar dinero para llegar allí es usar Starship como proveedor de caballos de batalla para las misiones en órbita terrestre. El plan original de un cohete de 12 metros de diámetro era, en mi opinión, excesivo. Pero el Starship que se está desarrollando actualmente tiene una capacidad muy similar a LEO SLS de EE. UU., Long March 9 de China y Yenisei de Rusia, por lo que está claro que otros creen que se necesitará un cohete de este tamaño (incluso uno prescindible) en el futuro previsible.

¿Exactamente por qué Starship necesita ser tan grande para los viajes interplanetarios?
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