Porównanie rozmiarów superrakiet SLS Block 1 i Starship.
Starship nie będzie pierwszą superrakietą, zdolną do umieszczenia na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) ładunków o masie rzędu 100 t, a w kierunku Księżyca kilkudziesięciu. Palmę pierwszeństwa dzierży tu amerykański Saturn-V, który w latach 1967-72 wykonał 12 udanych startów, umożliwiając po raz pierwszy w historii dotarcie ludzi na Księżyc. Jeśli chodzi o parametry, to jest problem z porównaniem. Rakieta była skrojona wyłącznie do wynoszenia na trajektorię wiodącą ku Księżycowi zestawu statku macierzystego Apollo i lądownika LM, o łącznej masie 47 t. Natomiast by to osiągnąć, nie wystarczały dwa pierwsze stopnie, konieczny był trzeci, którego krótkotrwały zapłon umożliwiał osiągnięcie niskiej orbity okołoziemskiej. Stąd dopiero następował długi strzał w stronę Srebrnego Globu, a łączna masa, która rozpoczynała daleki lot sięgała 118 t. Przez długi czas była to rekordowa masa, jaką udało się umieścić na orbicie LEO, dopiero w latach 80. ub. wieku, nieznacznie, bo zaledwie o 2 t, szala przechyliła się na korzyść wahadłowca systemu STS, używanego w latach 1981-2011.
Tu z kolei należy zauważyć, że sam prom kosmiczny był zazwyczaj środkiem transportu, a ładunek użyteczny, który mógł przewieźć w ładowni, był lżejszy, niż 30 t. W dodatku prom musiał się wspomagać własnymi silnikami, by osiągnąć orbitę. W przypadku Saturna-V doszło w 1973 r. do lotu bez użycia trzeciego stopnia, wyniesiony wówczas na LEO ładunek – stacja orbitalna Skylab – miała masę 76 t, natomiast dwustopniowy Saturn mógłby wynieść na LEO 116 t – ale do takiego jego użycia nigdy nie doszło. Konkurencją dla rakiety amerykańskiej była radziecka księżycowa N-1, która w latach 1969-72 wykonała cztery loty – wszystkie zakończone awarią pierwszego stopnia. Dodać tu należy, że w pierwszym stopniu N-1 miała aż 30 silników NK-15, gdyż Rosjanie nie dysponowali wówczas technologią, umożliwiającą zbudowanie silnika o wysokim ciągu. Dla porównania, Saturn-V miał w pierwszym stopniu jedynie 5 silników. N-1 umożliwiała wyniesienie na LEO około 70 t, z czego większość przypadała na dwa kolejne stopnie oraz kompleks księżycowy Ł-1/Ł-3. Kolejną superrakietą była radziecka Energia, mogąca umieścić na LEO masę 88 t w wersji trzystopniowej, bądź w wersji dwustopniowej orbiter Buran o masie 105 t, który wspomagając się własnymi silnikami wchodził na LEO. Została ona użyta jedynie dwukrotnie, w roku 1987 i 1988. Jak widać, wszystkie wspomniane konstrukcje dawno wyszły z użycia.
Testy prototypów drugiego stopnia: start SN15. 5 maja 2021 r. wykonano z jego udziałem pierwszy w pełni udany lot wykorzystujący wszystkie elementy mechaniki w pojeździe.
Współcześnie parametry nieco zbliżone do nośności superrakiet na LEO może mieć Falcon Heavy w nieużywanej dotąd wersji bez odzyskiwania wszystkich stopni – około 64 t, jednak jest to wartość teoretyczna, gdyż nie są planowane misje na LEO bez odzyskiwania przynajmniej bocznych stopni. Jedyną obecnie superrakietą, która spełnia podane wyżej kryteria jest, amerykański Space Launch System (w skrócie SLS), który zadebiutował w swej najlżejszej wersji w końcu ubiegłego roku. Rakieta generalnie jest przeznaczona do lotów księżycowych, zatem znów trudno mówić o jej teoretycznych osiągach na LEO. Jednak są to wartości oficjalnie podawane, zatem zostaną przytoczone dla jej trzech wersji: Block 1 – 70 t na LEO i 27 t ku Księżycowi, Block 1A 105/42 t i Block 2 130/46 t. A ile udźwigu będzie mieć Starship? 150 t w wersji odzyskiwalnej i 250 t w jednorazowej!
Elon Musk w kilku wywiadach stwierdzał, że jego dalekosiężnym celem jest załogowa eksploracja, a w dalszej perspektywie kolonizacja Marsa. W 2011 r. określił czas potrzebny na realizację projektu wysłania załogowej misji na Marsa na 10-20 lat. W 2013 r. przedstawił wizję założenia na Marsie kolonii liczącej kilkadziesiąt tysięcy ludzi, z których pierwsi mogliby udać się tam już pod koniec lat 20. Koncepcja rakiety nośnej zakładała, że jednorazowo będzie możliwy transport ok. 100 ludzi. Podczas Międzynarodowego Kongresu Astronautycznego, który odbywał się 26-30 września 2016 r. w Guadalajarze w Meksyku, Musk przedstawił bardziej szczegółowo koncepcję systemu transportu marsjańskiego, której nadano nazwę Interplanetary Transport System (ITS) – system transportu międzyplanetarnego. Łączna wysokość planowanego pojazdu miała wynosić 122 m, a średnica 12 m. Statek miał być w stanie wynieść 550 t na niską orbitę okołoziemską.
19 lipca 2017 r. podczas wystąpienia na konferencji ISS Research & Development Musk oświadczył, że do wyprawy marsjańskiej zostanie zaprojektowana znacznie mniejsza rakieta niż ITS, którą można będzie zastosować również do celów komercyjnych w lotach na LEO. Szczegóły zmniejszonej wersji systemu nazwanego BFR (ang. Big Falcon Rocket) zostały przedstawione podczas Międzynarodowego Kongresu Astronautycznego w 2017 r. w Adelajdzie w Australii. Pojazd miał mieć łączną wysokość 106 m i średnicę 9 m i być w stanie wynieść 150 t ładunku na niską orbitę okołoziemską. Pierwszy stopień rakiety miał być wyposażony w 31 silników Raptor 2, natomiast drugi stopnień w 6 identycznych silników, przy czym cztery z nich byłyby zoptymalizowane do używania w próżni. Przedstawiona została propozycja zastosowania rakiety również jako środek transportu między oddalonymi od siebie punktami na Ziemi. We wrześniu 2018 r. SpaceX zaprezentował kolejne zmiany, które zaszły w projekcie. Jednocześnie ogłoszono szczegóły pierwszego planowanego turystycznego lotu załogowego tworzonym statkiem. Lot dookoła Księżyca wykupiony został przez japońskiego biznesmena i mecenasa sztuki Yusaku Maezawa i zaplanowany wówczas na rok 2023.
W listopadzie 2018 r. drugiemu stopniowi pojazdu nadano nazwę Starship, a pierwszy stopień nazwano Super Heavy. W styczniu 2019 r. nazwa całego pojazdu, na który składają się oba człony, zmieniona została również na Starship. Podczas prezentacji we wrześniu 2019 r., Elon Musk omówił zmiany, które zaszły w projekcie, zademonstrowany został również pierwszy pełnowymiarowy prototyp statku. W marcu 2020 r. SpaceX umieścił na swojej stronie internetowej podręcznik użytkownika statku Starship, w którym zawarto informacje istotne z punktu widzenia klientów planujących zamówić transport ładunków. W podręczniku tym zawarto m.in. wartości przeciążeń, a także poziomy natężenia fal akustycznych w zależności od częstotliwości, jakim poddane będą ładunki podczas lotu. W chwili obecnej znane są cztery wersje drugiego stopnia – transportowa, załogowa, lądownik księżycowy oraz zbiornikowiec. Ten ostatni będzie wykorzystywany do lotów poza LEO. Projekt, mimo dość powszechnego niedowierzania co do jego wielkości i rozmachu, zaczął być realizowany.
Starship to dwustopniowy pojazd kosmiczny o łącznej wysokości 120 m i średnicy 9 m. Do budowy obu stopni pojazdu zamiast włókna węglowego użyto stali nierdzewnej. W ten sposób obniżano koszty produkcji, przy jednoczesnym zwiększeniu wytrzymałości w temperaturach kriogenicznych. Stal, ze względu na wyższą temperaturę topnienia, zmniejszyła również potrzebną grubość osłon termicznych. Pierwszy stopień Super Heavy, o wysokości ok. 70 m i średnicy 9 m posiada 33 silniki Raptor 2, dające około dwa razy więcej ciągu niż pierwszy stopień Saturna-V. Zbiorniki Super Heavy mają pojemność 3600 t, przy czym 2800 t przypada na ciekły tlen, a 800 t na ciekły metan. Tutaj pojawia się kolejna wielka zmiana, w stosunku do poprzednich superrakiet. O ile dotychczas stosowano w nich jako paliwo wyłącznie naftę, bądź wodór, teraz pojawił się na arenie metan.
Najłatwiejszym w użyciu jest paliwo rakietowe bazujące na ropie naftowej. Ma ono dużą gęstość (co przekłada się na małą objętość zbiorników) i zapewnia duży ciąg silnika. Podstawową jednak przeszkodą w zastosowaniu tego paliwa w lotach na Marsa jest skomplikowana budowa chemiczna oraz fakt, że nie jest możliwe otrzymywanie go na Marsie. Z kolei najwydajniejszym z paliw rakietowych jest wodór. Spala się oferując bardzo dobre parametry silników. Jest jednak najtrudniejszy i najbardziej kosztowny w użyciu, a jego niewielka gęstość (70 kg/m³ w porównaniu z 1000 kg/m³ dla paliwa rakietowego ropopochodnego) wymaga stosowania ogromnych zbiorników. W dodatku w stanie ciekłym wodór jest paliwem kriogenicznym i ma bardzo niską temperaturę przechowywania -253ºC). Kompromisowym paliwem pod względem parametrów silnika i wygodą użytkowania okazał się skroplony metan. Ma niewielką gęstość, co powoduje, że zbiorniki są znacznie mniejsze niż w przypadku wodoru i zapewnia bardzo dobre parametry silnika. Temperatura ciekłego metanu wynosi około -162ºC, jest on zatem łatwiejszy do przechowywania od wodoru. Podobnych warunków wymaga przechowywanie ciekłego tlenu. Metan jest tani i prosty do uzyskania, można go w prosty sposób wytworzyć na Marsie, wykorzystując dostępne na tej planecie surowce, tj. wodę i dwutlenek węgla. Jest to także bardzo dobre paliwo dla silników wielokrotnego użytku, gdyż nie tworzy osadów węglowych, jak nafta lotnicza.
