Musk Watch: Status for «Starship» juli 2019

Ifølge Elon Musk skal kjemperaketten «Starship» opp i bane innen et halvår. Hvordan er det mulig?

Kjemperaketten til SpaceX har gjennomgått mange inkarnasjoner i årenes løp. Opprinnelig gikk den under kodenavnet «Mars Colonial Transporter» før den ble lansert som Interplanetary Transport System (ITS) i 2016, så omdøpt til BFR i 2017 og så gitt det (foreløpige) endelige navnet «Starship» i fjor. Raketten har også forandret utseende, og lastekapasiteten er redusert kraftig. Det viktigste som har skjedd det siste året er dog at Starship har gått fra å være Powerpoint-slides i Elon Musks foredrag til en virkelig testversjon i full skala som er under utprøving mens dette skrives. I sin nåværende utgave ser kanskje Starship litt hjemmesnekret ut (onde tunger kaller den for «vanntårnet»), men det buklete utseendet skjuler imponerende tekniske fremskritt.

Starship bygges nå på SpaceX prøveområde i Boca Chika i det sørlige Texas

Raptor-motorene

Det viktigste gjennombruddet det siste året har vært de vellykkede testene med SpaceX nye rakettmotor, Raptor. Å utvikle en avansert rakettmotor med stor skyvkraft er i seg selv en bragd – sist NASA gjorde noe tilsvarende var for over 40 år siden med hovedmotorene til romferge (kalt RS-25). Raptor skiller seg fra SpaceX-forgjengeren Merlin og de fleste andre rakettmotorer på ett viktig punkt: Brennstoffet den bruker er ikke den gamle traveren RP-1, en parafintype som har vært standard i raketter i øst og vest siden 1950-tallet, men flytende metan. Opprinnelig vurderte SpaceX å bygge en motor drevet med hydrogen (som romfergemotoren) og oksygen, fordi dette er den mest effektive kjemiske kombinasjonen man kan få til med dagens teknologi.

Her forklares det godt hvorfor SpaceX valgte metan som brennstoff, og hvorfor Raptors «full flow»-system gjør det unikt.

Men hydrogen har noen store ulemper: Det må lagres ved svært lav temperatur, tar mye plass og er generelt krevende å holde flytende over tid. Det er også enklere og mindre energikrevende å produsere metan av naturlige råstoffer på Mars og andre himmellegemer i Solsystemet. Metan plasserer seg mellom RP-1 og hydrogen i effektivitet, så SpaceX’ valg her et klassisk kompromiss. Et annet kompromiss er størrelsen. Raptor har under en tredel av skyvkraften til F-1-motorene på førstetrinnet til Saturn V-måneraketten. Selv om det er tekniske fordeler med store rakettmotorer, viser erfaringene som produsenten Rocketdyne hadde med F-1 at det også er svært tidkrevende og kostbart å skalere opp teknologien.

Starship blir løftet opp i rommet av det gjenbrukbare førstetrinnet «Super Heavy», som foreløpig bare er på tegnebrettet. Ifølge Elon Musk skal Super Heavy utstyres med opptil 35 Raptor-motorer, mens Starship (som altså er andretrinnet på den samlede raketten) per idag ser ut til å få seks Raptor-motorer. Her er det nok en viktig forskjell på Saturn V og Starship/Heavy: førstnevnte hadde to forskjellige motorer og brennstoff (F-1/RP-1 og J-2/hydrogen), sistnevnte har standardisert på én. Det gjør underverker for økonomien i prosjektet. Flere rakettmotorer gir også ekstra sikkerhet for raketter som skal lande vertikalt – om en motor svikter under landing vil en annen raskt kunne overta.

Konsepttegninger av Starship på Månen og Mars. Det blanke skroget ser pent ut, men har først og fremst en nyttefunksjon.

Stålskroget

Ifjor ble det kjent at SpaceX gikk bort fra karbonfiber som byggemateriale i skroget til rustfritt stål. Den umiddelbare reaksjonen var sjokk, fordi alle vet at karbonfiber er sterkere og lettere enn stål. Elon Musk var raskt på banen med SpaceX-teamets begrunnelser: Stål er tyngre enn karbonfiber, men vekt er noe mindre viktig i et romskip som er bygd for hyppige og billige romferder. Fordelene er dessuten mange: Stål er billig, det er lettere å forme enn karbonfiber (SpaceX brukte f.eks. mange år og millioner av dollar på å lage en stor brennstofftank i karbonfiber, noe som er trivielt i stål), det tåler langt høyere temperaturer og har bedre egenskaper enn karbonfiber i de fleste temperaturregimer.

Et romskip må tåle temperaturer fra -200 på Jordas nattside til 1500 grader på vei ned fra rommet etter en ferd. Ved disse ytterpunktene viser det seg at stål har større styrke i forhold til vekten enn karbonfiber, og det ble utslagsgivende for SpaceX. Ved høye temperaturer reflekterer også stål varme mye bedre, noe som gjør at et varmeskjold kan bli tynnere og lettere. Det nye, sølvskimrende skrogdesignet inkluderte også tre kraftige finner, noe som får skipet til å ligne på romskipet i den klassiske Tintin-tegneserien «Månen tur-retur». Disse finnene er ikke vinger, som på romfergen. Isteden er de ment å bremse opp og styre Starship på vei ned fra rommet, slik at det kommer nær nok landingsplassen til å kunne vende halen ned og lande vertikalt. Når det skjer, vil finnene fungere som stabile landingsbein.

SpaceX-tegning av Starship under gjeninntreden.

Varmeskjoldet

Når et romskip treffer atmosfæren med en fart på nesten 30 000 km/t, utvikles det voldsomme mengder varme. Den klassiske måten å løse dette på er å utstyre romskipet med et varmeskjold som flasser og flaker av på vei ned gjennom atmosfæren, slik at varmen som ellers ville ha stekt astronautene transporertes bort. Romfergen erstattet slike «ablasjonsskjold» med keramiske fliser med ekstremt god varmeledningsevne. Det var et fremskritt, men hadde ulempen at flisene kunne falle av og sette fergen og mannskapet i fare. SpaceX går for en tredje løsning med Starship. Siden av skipet som vender mot atmosfæren vil få et ekstra lag av sekskantede stålfliser, som i seg selv vil gi god beskyttelse fordi stål har et smeltepunkt nær 1500 grader.

I tillegg vil flisene ha små hull som det skal pumpes metan-brennstoff ut gjennom. Det kalde brennstoffet fordamper og danner et tynt, beskyttende gasslag mellom skroget og den superopphetede atmosfæren. Dette kalles for transpirasjonskjøling, og er en variant av en teknikk som ble oppfunnet av tyske rakettforskerne på Peenemünde under annen verdenskrig. De oppdaget at metallveggene i rakettdysen kunne kjøles ned ved å sprøyte brennstoff langs innsiden av dysen, noe som dannet et beskyttende gasslag. Starship-skroget vil fremdeles treffes av varmestråling fra den opphetede luften utenfor det beskyttende gasslaget, og her kommer blankpoleringen inn. Hensikten er rett og slett å reflektere vekk så mye som mulig av den infrarøde strålingen.

På denne måten håper SpaceX på å få et varmeskjold som ikke eroderes vekk under gjeninntreden, som på Sojuz og Apollo-kapslene, og som samtidig er mer solid enn romfergens og derfor kan brukes mange ganger uten å kreve vedlikehold. Men dette er uprøvd teknologi, og såvidt vi vet har SpaceX ikke testet den utenfor datasimuleringer. Varmeskjoldet er nok den komponenten det knyttes mest spenning til.

Super Heavy kobles fra Starship og begynner på ferden tilbake mot landingsplassen på Cape Canaveral.

Super Heavy-førstetrinnet

Vi vet lite konkret om førstetrinnet, kalt Super Heavy. Men basert på konsepttegningene vi har sett til nå, minner det om en forstørret versjon av førstetrinnet til Falcon 9. Det virker som om SpaceX mener erfaringene med Falcon 9 vil gjøre det mulig å få et fungerende førstetrinn på plass relativt raskt. Super Heavy inneholder, i motsetning til Starship, ingen nye og uprøvde teknologier. Det kan virke overmodig, men det er verdt å minne om at de første flygningene med Falcon 9 og Falcon Heavy begge gikk prikkfritt av stabelen. SpaceX bruker dessuten datasimulering i større grad enn andre romselskap, og her kommer data som samles inn under oppskytninger av satellitter til god nytte. I likhet med Tesla-biler er SpaceX-romskip utstyrt med svært mange sensorer.

Elon Musk har sagt at Super Heavy vil få 35 Raptor-motorer, noe som vil gi førstetrinnet en skyvkraft opp mot det dobbelte av Saturn V og gjøre den til den uten sammenligning kraftigste raketten noensinne. Nyttelasten til rommet er imidlertid omtrent den samme som for Saturn V, så hvorfor trenger den så mye ekstra skyvekraft? Det er fordi også den også skal løfte den gjenbrukbare Starship. Uten Starship ombord kan Super Heavy potensielt løfte 250 tonn opp i lav jordbane, noe som kan bli nyttig den dagen man ønsker å bygge et virkelig stort interplanetarisk romskip eller en romstasjon med plass til tusener.

En vellykket Grasshopper-test med Falcon 9, forgjengeren til Starship/Super Heavy

Fra korte hopp til jordbane på seks måneder?

Mens dette skrives er SpaceX i ferd med å gjennomføre de første testene med Starship på selskapets prøvefelt i Boca Chica, Texas (ved kysten like ved grensen til Mexico). Prosjektet kalles «Starhopper» og består av «hopp» der Starship-prototypen først flyr noen meter opp mens den er bundet til bakken, for så å fly fritt stadig høyere. Modellen her er de såkalte «Grasshopper»-ferdene som ble gjennomført med Falcon 9s førstetrinn før det ble testet ut i full skala: Man letter på en rakettflamme, holder seg svevende i noen sekunder før man lander forsiktig (forhåpentligvis) igjen.

På dagen for 50-årsjubileet for månelandingen var Elon Musk ute på Twitter og kom med med flere oppsiktsvekkende utsagn (se over). Ikke bare bedyret han at prototyper av Starship ville ta av til stor høyde innen 2-3 måneder, men innen et halvår skal Starship i bane rundt Jorda. Med tanke på det jeg har skrevet over, virker den tidsfristen absurd kort selv til Musk å være. Såvidt jeg vet er ikke varmeskjoldet testet under virkelige forhold, og Super Heavy er ennå ikke observert i det fri. På den annen side mente mange (inklusive undertegnede) at satellittprosjektet Starlink først var aktuelt på 2020-tallet, og der er SpaceX allerede godt igang.

Vi får se hvordan det går, jeg kommer til å følge utviklingen videre i denne bloggen!

Fakta om Starship

Passasjerkapasitet: Opptil 100
Diameter: 9 m
Høyde: 55 m
Volum: 1,000 m3 (omtrent som ISS)
Starships masse: 85 tonn
Nyttelast: 130-150 tonn
Masse med brennstoff: 1 335 tonn
Motorer: 6 SpaceX Raptor (3 vakuumtilpasset)

Starship (mens det ennå het BFR) sammelignet med andre historiske og planlagte bæreraketter i tungvekterklassen

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *

Dette nettstedet bruker Akismet for å redusere spam. Lær om hvordan dine kommentar-data prosesseres.