miniatuur|Starship-Super Heavy tijdens de eerste integrale testvlucht De ontwikkelingsgeschiedenis van het lanceersysteem Starship van SpaceX omvat de vroege ontwerpen, prototypes, testvluchten en al dan niet tijdelijke bouw- en testplaatsen.
Geschiedenis tot en met 2016 Voorgeschiedenis In 2003, een jaar na de oprichting van SpaceX, gaf Elon Musk al aan te dromen van het bouwen van een "Saturnus 6". Sinds 2007 heeft Musk kleine stukjes van zijn plannen voor Mars-kolonisatie vanaf de jaren 2020 gemaakt en meermaals bijgesteld. Een eerste vrachtmissie met de Mars Colonisation Transport (MCT) zou in zijn planning in 2022 gelanceerd moeten worden. Er zou dan een begin gemaakt worden met de bouw van een zelfvoorzienende stad op Mars voor tienduizenden inwoners.
miniatuur|Vergelijking van SpaceX-raketten Falcon 9 1.0 met Merlin 1C-raketmotoren, Falcon 9 1.1 met Merlin 1D-raketmotoren en een Mars-draagraket van 10 m diameter met (toen nog) enorme Raptors zoals die in 2013 werd voorgesteld In 2010 sprak Elon Musk eenmalig over een serie super-heavy-lift-raketten die "Falcon X", "Falcon X Heavy" en "Falcon XX" zouden heten. Deze waren goed bekeken uitvergrotingen van de Falcon 9 en Falcon Heavy en moesten zeer zware nog te ontwikkelen Merlin 2-raketmotoren gaan gebruiken. Musk toonde daarbij een artistieke impressie van dat plan. Zowel de Merlin 2 als de Falcon X-serie kwamen niet verder dan de conceptuele fase. In de ontwikkeling van een zeer zware raketmotor werd RP1-kerosine als brandstof bij het Merlin 2-concept vervangen door methaan voor de Raptor-raketmotor, waarvan de ontwikkeling in 2012 werd aangevangen. Het idee om op methaan over te stappen gebeurde nadat Elon Musk artikelen over tests met methaanmotoren in de Sovjet-Unie had gelezen. Tweet van Elon Musk, Twitter, 31 januari 2021
Ondertussen beheerst SpaceX het bouwen, lanceren en landen van raketten en ruimteschepen met de Falcon 9, de Dragon en de Dragon 2. Veel van deze bekwaamheid en ontwikkelde technieken zijn nodig voor de veel grotere Starship.
Ontwikkeling Er werd sinds 2014 met meer prioriteit gewerkt aan een nieuwe, op methaan werkende raketmotor genaamd Raptor, die een reusachtige draagraket met de toenmalige werknaam BFR moest gaan voortstuwen. Deze draagraket zou net als de Falcon 9 en Falcon Heavy (deels) herbruikbaar zijn en met een landingsgestel uitgerust worden. Dat betekent dus dat de Raptors voor een landing ook in staat zouden moeten zijn als retroraketten te fungeren voor een zachte landing. De BFR is nodig om de MCT uit de zwaartekracht van de Aarde te krijgen. Maar de MCT, die het formaat zou hebben van zo'n honderd SUV's, kan door de kleinere zwaartekracht en dunnere Mars-atmosfeer zelfstandig terug naar de Aarde vliegen.
De Raptor moest volgens Musk de effectiefste raketmotor ooit worden met de gunstigste "stuwkracht per kilogram brandstof"-verhouding ooit. Het record voor de gunstigste "stuwkracht per kilogram brandstof"-verhouding is overigens al in handen van SpaceX, dat dit record vestigde en door upgrades meermaals verbeterde met de Merlin 1D-raketmotor. De keuze voor methaan als brandstof is gemaakt omdat methaan goedkoop is en "betrekkelijk gemakkelijk" uit de atmosfeer van Mars gewonnen kan worden. Een Mars-rakettrap zou dan kunnen landen en opnieuw volgetankt kunnen worden. Elon Musk heeft in 2015 aangegeven dat er een "vriendelijkere" naam voor de "BFR" bedacht zou worden. miniatuur|Een zuurstof voorverbrander van de Raptor werd in 2015 op NASA Stennis getest. Aanvankelijk werden componenten voor de Raptor getest op NASA’s Stennis Space Center in Mississippi. In januari 2016 kreeg SpaceX een subsidie van het Amerikaanse Department of Defense voor het ontwikkelen van een prototype upperstage-uitvoering van de Raptor. In juli 2016 werd de eerste complete Raptor naar de McGregor Test Facility van SpaceX in Texas vervoerd om testen te ondergaan. Het ging dan nog om een verkleinde, maar volledig werkende uitvoering van de Raptor. De eerste test vond plaats in september 2016 en foto's van die test werden een dag voor de presentatie van het ITS-ontwerp door Musk op Twitter geplaatst. Daarbij meldde Musk de toen beoogde technische gegevens voor de Raptor. (Het formaat en bijbehorende kracht van het Raptor-ontwerp zijn sindsdien aangepast aan het vernieuwde ontwerp van Starship)
Lanceringen zullen waarschijnlijk plaatshebben vanaf de ruimtehaven van SpaceX, SpaceX South Texas Launch Site, in het Texaanse Boca Chica enkele kilometers van de Mexicaanse grens aan de Golf van Mexico. Deze wordt in 2024 nog steeds verder uitgebouwd.
In eerdere plannen bestond de draagraket uit een of drie core-boosters met een diameter van 10 meter. Iedere core-booster zou negen Raptors in een octaweb-ophanging hebben zoals de Merlin 1D-motoren bij de Falcon 9 en Falcon Heavy zijn geplaatst.
In 2015 werd gesproken over een enkele booster met een diameter van 12,5 tot 15 meter.
Op sociale media en dan vooral op Reddit werd rijkelijk gespeculeerd over hoe de MCT en BFR er uit zouden zien. Op 17 september 2016 meldde Musk op Twitter dat gebleken was dat de MCT in staat is veel verder dan Mars te komen en dat er dus een andere naam gekozen moest worden. Het publiek kwam massaal met suggesties. Een dag later bevestigde Musk op Twitter de naam Interplanetary Transport System.
Het in 2016 gepresenteerde ontwerp: ITS Een significante stap in het ontwerp van de Starship was het ITS, een conceptontwerp dat Elon Musk op 27 september 2016 onder grote internationale mediabelangstelling op de International Astronautical Conference in Mexico presenteerde. Het bevatte al veel elementen die in het eindontwerp terugkomen maar was nog een stuk groter. Het ITS zou uit drie grote onderdelen bestaan: een booster-raket, een bemand ruimteschip en een ruimtetankschip. Musk meldde dat het ontwerp gedurende de ontwikkeling er in de details wat anders uit zou komen te zien dan in de animatie, maar dat ze het ruimteschip wel zoveel als mogelijk erop wilden laten lijken. Verder zei hij de bouw van zijn gedroomde stad op Mars niet zelf te willen uitvoeren, maar de vlucht erheen faciliteren opdat anderen Mars gaan inrichten. Om massa te besparen zou het ITS grotendeels van composietmaterialen gebouwd worden.
De ITS-booster miniatuur|Een voorstelling van de ITS-Booster tijdens de vlucht terug naar de Aarde. De motoren van middencluster dienen ook als remraketten. De booster zou een 77,5 meter lange herbruikbare rakettrap zijn die het ruimteschip tot aan de Karmanlijn brengt. Deze zou een diameter van 12 meter hebben en worden voortgestuwd door 42 Raptors die voor gebruik in de atmosfeer zijn bedoeld en gezamenlijk een stuwkracht van 127 meganewton leveren. Ter vergelijking: dat is drieënhalf keer wat een Saturnus V-maanraket leverde. De Raptors zouden in 2 ringen en een middencluster worden geplaatst. De buitenste ring bevatte 21 Raptors, de binnenste ring bevatte er 14. Het middencluster bestond uit een middelste Raptor met daaromheen zes Raptors. Dit middencluster moest beweegbaar zijn voor stuwstraalbesturing. De motoren van ringen eromheen waren vast.
Anders dan de Falcon 9-boosters, zou de ITS-booster drie landingspoten en drie grid fins (rastervinnen) hebben in plaats van vier. Bij het uitvallen van enkele motoren zou de raket door langer te branden toch zijn missie kunnen voltooien. Musk verwachtte de landingstechnieken nog zo te verfijnen dat de booster terug op het lanceerplatform zou kunnen landen.
Het bemande ITS-ruimteschip miniatuur|Het ITS-ruimteschip nadert de ringen van Saturnus miniatuur|Voorstelling van een ITS ruimteschip op het oppervlak van Jupiters maan Europa. Ook het eigenlijke ITS-ruimteschip zou een diameter van 12 meter en drie landingspoten hebben. Het voertuig zou 49,5 meter lang zijn en uitgerust met negen Raptors die gezamenlijk een maximale stuwkracht van 31 meganewton in de ruimte moesten kunnen leveren. Drie Raptors waren voor zeeniveau bedoeld (om te landen) en zes daaromheen geplaatste Raptors zouden verlengde straalpijpen hebben voor effectiever gebruik in het vacuüm van de ruimte. Het voorste deel van het ruimteschip was bedoeld voor de passagiers het achterste deel zou grotendeels uit brandstoftanks bestaan.
Tijdens de presentatie werd een foto van een prototype LOX-tank getoond met een aantal SpaceX-medewerkers ervoor, waardoor het enorme formaat van het ruimteschip zichtbaar werd. Deze tank begaf begin 2017 tijdens een test waarbij de druk bewust werd opgevoerd tot de tank het zou begeven. Aan boord zou ruimte zijn voor 100 ruimtekolonisten inclusief hun bagage. De voorkant bevatte een groot raam in een gemeenschapsruimte die een soort restaurant of kantine moest zijn.
De Raptors moesten het ruimteschip vanaf de Karmanlijn naar een parkeerbaan (om de Aarde) brengen. Daar zou het worden bijgetankt om zijn weg naar Mars te vervolgen. Eén zijde van het ruimteschip werd voorzien van een hitteschild dat van achter iets langer is zodat het ook de Raptors zou beschermen tegen hitte die ontstaat tijdens de binnenkomst in de atmosfeer.
Op Mars had het ruimteschip rechtstandig kunnen landen. Nadat het dan zou worden bijgetankt met een installatie die methaan en zuurstof uit de Martiaanse atmosfeer kan winnen werd het ruimteschip geacht te kunnen terugvliegen. Dit type ruimteschip zou technisch gezien ook gebruikt worden voor bemande ruimtevaart naar manen van Jupiter of Saturnus.
Het ITS-tankschip miniatuur|Een voorstelling van het bijtanken in de parkeerbaan. Het tankschip zou op dezelfde booster als het ruimteschip worden gelanceerd en is qua vorm en voortstuwing identiek. In de ruimte aangekomen moest het brandstof in het bemande ruimteschip laden waarmee het bemande ruimteschip naar Mars zou vliegen om er te kunnen landen. Het tankschip zou terugkeren naar de Aarde om daar rechtopstaand te landen.
De ITS-Raptors miniatuur|Foto van de eerste Raptor test op 25 september 2016 De voor het ITS beoogde Raptor-raketmotor zou kleiner zijn dan eerder werd voorgesteld, ongeveer even groot als de Merlin 1-motoren van de Falcon-raketten, maar levert driemaal zoveel stuwkracht. De Raptor maakt gebruik van een zogenaamde "full-flow stage combustion-cycle". Als brandstof worden vloeibare methaan en vloeibare zuurstof gebruikt (methalox) die tot net boven de stollingstemperatuur zijn gekoeld. Door de brandstoffen zo extreem te koelen slinken ze en past er meer van in de tanks en door de leidingen. Deze techniek werd al eerder in de zuurstoftank van de Falcon 9-full thrust gebruikt.
De beoogde technische gegevens voor de vacuüm-Raptor zijn: een specifieke impuls van 382 seconden; 3.500 kilonewton aan stuwkracht bij 300 bar. een straalpijp met een diameter van ruim 4 meter. de druk in de verbrandingskamer is driemaal die van een Merlin 1D. een expansieratio van 200
Voor de zeeniveau-Raptor zijn de beoogde technische gegevens: een specifieke impuls van 334 seconden; 3.050 kilonewton aan stuwkracht bij 300 bar. de druk in de verbrandingskamer is driemaal die van een Merlin 1D. een expansieratio van 40
Formaat van het ITS Door het ruimteschip in de ruimte bij te tanken kan het formaat van de raket nog enigszins beperkt gehouden worden. Een totale lanceercombinatie is daardoor, met een lengte van 122 meter, maar 12 meter hoger dan de Saturnus V. De combinatie is over bijna de gehele lengte 12 meter in diameter. Om dit in één keer te lanceren had de raket veel groter en duurder moeten zijn.
ITS-lanceringen Volgens de plannen van 2016 zou in eerste instantie het ITS vanaf Lanceercomplex 39A van het Kennedy Space Center gelanceerd worden. Het is volgens Musk groot genoeg. LC-39A wordt momenteel voor de Falcon Heavy en Falcon 9 gebruikt. LC-39A was ook het lanceercomplex voor de meeste Maanvluchten van het Apolloprogramma en later een van de twee lanceerplaatsen van het Spaceshuttleprogramma.
Herbruikbaarheid, kosten en doel