¿Por qué SpaceX no está trabajando también en una versión más pequeña de Starship?

Hay varias razones convincentes de ingeniería y diseño por las que una nave espacial más grande tiene sentido y varias razones por las que hacer una mini nave espacial no tiene sentido específicamente para SpaceX (y su visión).

En primer lugar, Elon Musk ha dejado en claro que su objetivo para la compañía y el futuro no es proporcionar capacidades de lanzamiento de satélites baratas, sino llevar personas a Marte. Construir una versión inferior de Starship no está en el "camino crítico" para llevar personas a Marte para Elon. SpaceX es en gran medida la empresa de Elon Musk y sigue su visión.

Dicho esto, aquí hay un par de otras razones por las que SpaceX específicamente podría no querer hacer una Mini-Starship (aunque una Mini-Starship podría tener sentido para algunos fabricantes):

• Los cohetes más grandes pueden ser más eficientes en cuanto al consumo de combustible, ya que la masa seca puede ser una porción más pequeña de la masa total del cohete. Por ejemplo, si su computadora de vuelo y su sistema de aviónica tienen una masa de 100 kg, tendría un gran efecto en un cohete que solo puede elevar 1000 kg a LEO. Si su cohete es capaz de soportar 100.000 kg a la vez, la computadora de vuelo de 100 kg de repente se vuelve mucho menos de la masa seca total y, por lo tanto, su cohete es más eficiente.

• Construir grande vs construir pequeño. Una de las cosas que es "revolucionaria" en el progreso actual de diseño/construcción de Starship es que se está soldando en un campo, al aire libre. SpaceX cree que, cuando su cohete es grande, puede salirse con la suya con tolerancias más flexibles, lo que a su vez equivale a dinero ahorrado. Por ejemplo, la propuesta de Sea Dragon fue diseñada para ensamblarse en un astillero y tenía una enorme capacidad de elevación a un costo muy bajo. Starship es similar. Si se construyera una Mini-Starship, probablemente requeriría tolerancias más estrictas y piezas más pequeñas y exactas. Realmente, esto se reduce a mi primer punto nuevamente. Si está construyendo un cohete pequeño, cada soldadura, perno y cable tiene un impacto más significativo en la eficiencia de un cohete más pequeño y liviano.

• SpaceX cree que funcionará un diseño similar a los dos Starships que se están probando actualmente. Si, en cambio, desecharan lo que han desarrollado hasta ahora y construyeran una Mini-Starship, tendrían que comenzar esencialmente desde cero nuevamente. El diseño de un cohete es tan complejo que no se puede cambiar el tamaño y tener un diseño funcional después. SpaceX aprendió esta lección de la manera más difícil al desarrollar Falcon Heavy. Inicialmente, Elon había pensado que solo sería "unir tres impulsores", pero al final, SpaceX tuvo que desarrollar el núcleo central casi por completo desde cero.

• SpaceX tiene una cantidad limitada de empleados y dinero. Si decidieran trabajar en una Starship y una Mini-Starship al mismo tiempo, el ritmo de ambos proyectos se reduciría a la mitad, si no más. Elon ha declarado que la velocidad de desarrollo es de vital importancia para él y diluir a sus ingenieros con proyectos adicionales significa que Starship tarda más en construirse.

• El mercado de lanzamiento de smallsat se está calentando. Varias empresas, en particular Rocket Labs, se centran en enviar pequeños satélites a la órbita. SpaceX está apostando a que no habrá escasez de demanda de envío masivo al espacio y luego no importará qué tan grande sea el cohete que suba, ya que podrán llenar cada cohete con cargas útiles. Incluso entonces, el costo de lanzamiento de $ 2 millones es tan bajo que incluso si Starship vuela casi vacío, aún estaría obteniendo ganancias.

Anexo: En los comentarios se han planteado varias inquietudes:

• Construir una Mini-Starship sería más barato que una Starship de tamaño completo

  • En esto, no estoy en desacuerdo. Si estuviera comenzando desde cero, construir una nave estelar a escala 1/8 probablemente sería más barato que uno de tamaño completo.
  • SpaceX ya ha invertido mucho dinero y tiempo de desarrollo en ITS/BFR/Starship a lo largo de los años. Simplemente dejar de lado estos esfuerzos para trabajar en un cohete inferior sería visto como una pérdida de dinero.
  • Si bien sería más barato, no creo que sea significativamente más barato. Los grandes costos son los motores Raptor, ya que son muy complejos y tienen un diseño revolucionario. Aún así, todos los prototipos de Starship que hemos visto hasta ahora (Starhopper y el último MK1) no han sido equipados con el complemento completo de motores. Starhopper solo tenía uno y el MK1 solo se probó brevemente con tres motores.
  • Starship y Superheavy booster son dos naves diferentes. Starship está diseñado para estar equipado con tres motores Raptor a nivel del mar y tres motores optimizados al vacío para redundancia. En una Mini-Starship, solo cabría un único motor Raptor, lo que no sería eficiente y no proporcionaría la redundancia que permiten varios motores. Sería necesario desarrollar un motor Methalox del tamaño de Merlín completamente nuevo, lo que simplemente no sucederá cuando SpaceX tenga el Raptor en funcionamiento en producción.

• Una Mini-Starship podría iterarse más rápidamente

  • Tal vez, pero ni la Mini-Starship ni la Starship son pequeños proyectos de construcción de escritorio o garaje. Si bien sería más fácil trabajar con componentes más pequeños, aún se requerirían grúas y equipos pesados ​​para ambos.
  • El trabajo relacionado con el tamaño real del cohete no ocupa gran parte del tiempo total de montaje. Sí, soldar un cohete más grande lleva más tiempo que uno pequeño, pero la instalación de aviónica, sensores, motores, cables y software de escritura no se volvería más rápido de repente si el cohete fuera físicamente más pequeño.
• Mini-Starship podría proporcionar lanzamientos económicos mientras se desarrolla Starship
  • Starship (o Mini-Starship) no son vehículos SSTO. Ambos requieren el desarrollo adicional del refuerzo Superpesado. Además, no hay ninguna razón por la que SpaceX deba dejar de operar la serie Falcon 9. Tienen muchos cohetes con muchos ciclos de reutilización restantes y, a pesar de la segunda etapa no reutilizable, Falcon 9 puede reducir fácilmente el precio de cualquier otro proveedor de lanzamiento. Hasta que el cohete Vulcan o Ariane 6 estén operativos, SpaceX ni siquiera tendrá que bajar sus precios (y márgenes de beneficio) para que Falcon 9 sea el proveedor más barato.
• Creencias de que aumentar la escala de la Mini-Starship a una de tamaño completo sería fácil o que se podrían compartir lotes durante el desarrollo
  • No estoy muy seguro de dónde viene esta creencia. En el mundo de la ingeniería, no se puede escalar algo y esperar que funcione. Por ejemplo, tome el Cessna 172, que es el avión más construido de todos los tiempos. ¿Por qué los aviones más grandes no se parecen al Cessna pero son más grandes? Porque simplemente ampliar un diseño, no importa cuán fantástico sea, no siempre tiene sentido.
  • Las partes del desarrollo que podrían compartirse no justifican la construcción de un cohete completamente nuevo. Los motores ya están construidos y están construyendo tanques de combustible, y la estructura real no es simple en sí misma , pero es bastante sencilla en comparación con el desarrollo de un motor FFSC. La aerodinámica y el control en vuelo también se explorarían en una Mini-Starship y tal vez la tecnología de escudo térmico, y sería transferible, pero nuevamente, SpaceX claramente no cree que esto sea rentable.
• SpaceX podría obtener ganancias en el mercado de satélites pequeños con Mini-Starship
  • El hecho de que el mercado de los satélites pequeños se esté calentando no significa que los satélites más grandes vayan a ninguna parte. Especialmente con Starlink, SpaceX no está sufriendo por el efectivo o los contratos de lanzamiento. Tratar con lanzamientos de satélites pequeños donde cada satélite solo paga como 50k no es donde SpaceX ve ganancias.

Se habló de modificar la segunda etapa de Falcon 9 para darle una reutilización total en noviembre de 2018. La idea era que se usaría una segunda etapa reutilizable para probar las tecnologías de Starship. Este esfuerzo fue descartado 10 días después a favor de acelerar el desarrollo del diseño actual de acero inoxidable de la nave estelar.

La arquitectura superpesada/nave estelar está diseñada para facilitar la exploración y explotación del espacio más allá de la simple órbita terrestre baja, lo que requiere un propulsor y una nave espacial más grandes. Dado que los costos de desarrollo tienden a superar los costos de materiales, fabricación y combustible; tiene más sentido construir un solo vehículo grande que pueda hacer muchos trabajos que dos vehículos para misiones separadas.

Al igual que un avión pequeño no puede transportar personas alrededor del mundo, pero un avión más grande sí, resulta que hay desafíos para hacer cohetes realmente pequeños. Estos se magnifican cuando se tiene en cuenta la reutilización total. Resulta que Starship se trata de la nave espacial más pequeña que tiene sentido para una nave espacial totalmente reutilizable. Algunas cosas a considerar.

La presión de los tanques tiene que permanecer más o menos igual. La fuerza de un tanque depende en gran medida del grosor del tanque, por lo que obtienes mucho más combustible almacenado con un cohete más grande para el peso.

Los motores de cohetes tienen una relación máxima de empuje a peso cuando son más grandes. Starship está destinado a apoyar misiones en órbita incluso cuando fallan algunos cohetes. El tamaño prácticamente vuelve al tamaño de Starship.

El blindaje térmico es un poco más complicado, pero creo que se requiere una masa mínima similar para ser realmente efectivo. Esencialmente tiene que absorber la energía de la nave espacial y disiparla. Con una nave espacial más grande, la relación de densidad por área es menor, lo que permite una desaceleración más efectiva y también se requiere menos protección contra el calor.

Por último, hubo un proceso de pensamiento similar con Falcon 1 vs Falcon 9. Resulta que muchos de los costos de un lanzamiento son fijos, el análisis de vuelo, el análisis de cargas acopladas, etc., todo debe hacerse independientemente de si tiene un solo pequeño satélite o uno enorme. Concentrarse en una carga más grande permite minimizar esos costos.

La conclusión es que es mucho más eficiente para una nave espacial con los objetivos de Starship enfocarse únicamente en una nave espacial aproximadamente del tamaño de Starship. Robert Zubrin incluso mencionó esto en una reunión reciente de la Mars Society.

La respuesta simple, como ya dijeron otros, es que los cohetes pequeños no se alinean con los objetivos de Musk de llevar personas a Marte.

Además, Spacex ya tiene un lanzador pequeño (OK, de tamaño mediano) en forma de Falcon 9. Afirman que Starship + Falcon Superheavy podrán socavarlo.

Una posibilidad que no descartaría (si Spacex decide seguir ese camino en el futuro) es usar la etapa superior de Starship sin un refuerzo para lanzar cargas útiles a velocidades suborbitales. Una carga útil necesitaría entonces su propia etapa de arranque para entrar en órbita. Spacex ya ha revisado su esquema de pasajeros Tierra a Tierra a uno sin refuerzo, por lo que usar la etapa superior de Starship sin refuerzo no es una idea completamente nueva.

La etapa inicial podría ser un simple cohete sólido o una etapa reutilizable, lo que se decida en el futuro. Me gustaría señalar que cuando Falcon 9 se retire, Spacex tendrá varios cientos de motores Merlin excedentes a los que se les podría dar un último uso en una etapa de pateador prescindible.

Spacex ha optado por el extremo de tamaño superior del mercado, con muy pocos competidores, todos ellos prescindibles: SLS (proyectado para estar listo pronto) y Long March 9 y Yenisei (proyectado para estar listo a fines de 2020).

Han evitado el abarrotado extremo del mercado de menor tamaño. Si uno de los jugadores actuales en ese mercado se vuelve lo suficientemente grande como para competir con Spacex, es posible que se arrepienta en 20 años. Pero no hay señales de que eso suceda todavía. No descartaría que Spacex desarrolle un sistema de lanzamiento más pequeño más adelante, pero se haría de una manera oportunista en la parte posterior del programa Starship.

Spacex tiene un proyecto derivado que no está directamente alineado con el objetivo de llegar a Marte y, al estilo típico de Musk, es único: el proyecto de constelación de satélites Starlink. Los spin-offs como este son obviamente una forma necesaria de recaudar fondos.

En este momento, Starship y su refuerzo Superheavy son de diseño abierto. El plan actual es para 35 motores en la 1.ª etapa, 6 en la 2.ª etapa, 150 t de carga útil de ascenso a LEO, 85 t de masa seca, 50 t de carga útil de retorno a la Tierra.

Todo esto podría cambiar durante el desarrollo del cohete, debido a los desafíos tecnológicos, pero también al dinero que tendrá disponible SpaceX durante el proceso de desarrollo.

Ya cambian el diseño de Starship muchas veces (número de aletas, tipos de TPS, diseño de patas) y podrían seguir cambiándolo constantemente después de los primeros vuelos de prueba. Al final, pueden terminar con una versión mediana mucho más pequeña de Starship con menos motores, menos carga útil a LEO, masa bruta más pequeña. Por ejemplo, 20,30 t para LEO Starship/Superheavy con solo un total de 15 Raptors, pero tal vez 20,30 t para la carga útil de LEO, pero aún con 30-40 Raptors en total. Depende de lo que sería óptimo para el menor costo posible por kilogramo a LEO, GTO, que será el objetivo principal.

La cifra de 2 millones por vuelo es solo <objetivo aspirante> y no debe tomarse como un hecho.

Por ejemplo, ESA Arianespace quiere con Ariane 6 consumible (carga útil 20t a LEO, 10t a GTO) lograr el mismo costo por kilogramo que F9R, que es de aproximadamente 5000 $ por kilogramo a LEO (más del doble a GTO) y con el próximo programa de Ariane, que podría usar el motor Prometheus de LOX/metano potencialmente reutilizable, mejorar aún más el costo por kilogramo de Ariane 6 en un factor de dos. Pero eso, por supuesto, aún no se ha dado.

Igual que no se da que el costo por kilogramo de Starship/Superheavy para LEO o GTO sea mejor que el F9R, ya que la reutilización de la segunda etapa es mucho más difícil que la primera etapa (tanto técnica como económicamente), y no hay cohete con el tamaño masivo de Starship/Superheavy ( habrá visto el nivel de confianza 3-5 veces de Saturno 5) alguna vez fue construido, y mucho menos intentar ser reutilizado.

Los cohetes Falcon Heavy y Falcon 9 serían suficientes. Falcon heavy seguirá siendo el segundo vehículo de lanzamiento espacial más poderoso y capaz en la Tierra después de Starship, incluso considerando todos los demás cohetes en desarrollo. Así de lejos está SpaceX.

Creo que hay una apuesta segura de que la NASA está ansiosa por continuar usando los cohetes Falcon más allá del retiro declarado de Musk. Serán probados, probados y aún más capaces que el cohete Vulcan de ULA o New Glenn de Blue Origin. La NASA está atrincherada en el Centro Espacial Kennedy y SpaceX tiene instalaciones cercanas. Las dos organizaciones colaboraron inmensamente durante el desarrollo de Falcon. No veo que Falcon desaparezca si la NASA no quiere. Starship puede ser más barato, pero actualmente solo está planeado lanzarlo desde Boca Chica. Lo importante a tener en cuenta es que Falcon 9 seguirá siendo más barato que cualquier otro vehículo de lanzamiento y, de hecho, puede tener sentido que la NASA adopte un enfoque más "equilibrado" (que no lleve a la competencia a la bancarrota) para mantener su relevancia tradicional, ULA.