Nedräkningen närmar sig för Starships avgörande uppskjutning

2021-09-23 06:00  

Spacex förbereder just nu den första uppskjutningen av Starship i omloppsbana. Mängden ny och oprövad teknik i rymdsammanhang är häpnadsväckande. Klarar Spacex av att ytterligare en gång göra det omöjliga? 

Scenen när Falcon Heavys båda boosterraketer simultant landade oskadda i februari 2018 är oförglömlig. Inte ens vd Elon Musk trodde på förhand att det skulle gå så bra som det gjorde. 

Bara drygt två år innan blev bolaget först i världen med att lyckas landa första steget av en raket för omloppsbana, Falcon 9. Rakethistoria skrevs.

Spacex är numer ett kommersiellt framgångsrikt bolag och skjuter till och med upp människor i rymden. Så sent som i förra veckan genomförde bolaget den första rymdfärden med enbart civilister.

Läs mer: Historisk Spacex-uppskjutning – Inspiration4-gänget i rymden

Målet: kolonisera Mars

Men som alla vet är siktet ställt högre än så. Elon Musks uttalade mål med Spacex är att göra människan till en multiplanetär art genom att starta en koloni på Mars.

En illustration av hur Spacex tänker sig att en koloni på Mars kan se ut. Foto: Spacex

För det ändamålet utvecklar bolaget just nu Starship, ett system för interplanetära rymdfärder. Systemet består av rymdfarkosten Starship (som förvirrande nog har samma namn som hela systemet), bärraketen Super Heavy och en uppskjutningsanläggning inklusive ett torn som ska fånga in bärraketen efter återinträde i atmosfären. 

Den första uppskjutningen till omloppsbana förbereds just nu på Spacex anläggning Starbase, på halvön Boca Chica, i sydöstra Texas, USA.

Foto: Jonas Askergren

Det går nästan inte med ord beskriva vilken succé det skulle innebära om uppskjutningen lyckas. Som Christian Krokstedt, affärsutvecklare på Swedish Space Corporation, uttrycker det: 

– Här gäller samma mentalitet som med Falcon Heavy, men uppskruvat till tio. Falcon Heavy bygger ju till rätt stor del på Falcon 9, med samma motorer och samma upplägg. Men i det här fallet är allt nytt. Det gör Starship fullt ut revolutionerande, säger han till Ny Teknik.

 

Christian Krokstedt, affärsutvecklare på Swedish Space Corporation, kommer att sitta bänkad när det är dags för uppskjutning av Starship. Foto: SSC

Tidigare har Spacex enbart genomfört testuppskjutningar av rymdfarkosten Starship upp till 10 kilometers höjd. Första gången företaget lyckades genomföra en lyckad landning var i maj i år, med prototypen SN15.

Läs mer: Rymdexperten i Kiruna: Starships krascher är en del av Elon Musks strategi

Bärraketen Super Heavy

Men för att nå omloppsbana krävs även bärraketen Super Heavy, som nu alltså för första gången ska skjutas upp tillsammans med Starship. 

Falcon Heavy är en imponerande stor raket men Starship något helt annat. Lyckas uppskjutningen blir den världens största och kraftfullaste, med en dragkraft dubbelt så stor som världens hittills största – månraketen Saturn V.

Med hjälp av Christian Krokstedt går vi här igenom de viktigaste av alla de utmaningar som Spacex står inför med denna uppskjutning.

Foto: Jonas Askergren

Raptor – fullflödes stegad raketmotor  

Tunga lyft kräver en kraftfull motor. För uppgiften utvecklar Spacex motorn Raptor. Bolagets befintliga Merlinmotor (som driver Falcon 9 och Falcon Heavy) är förenklad i jämförelse med Raptor – som bygger på en teknik som aldrig tidigare har flugit. 

Motorn använder sig av en förbränningscykel som benämns fullflödes stegad.

Med fullflödes menas att allt bränsle och allt oxidationsmedel passerar genom förbrännaren som driver turbinpumparna. Men bara en bråkdel förbränns tack vare att de blandas så att de blir antingen bränslerika eller syrerika. Fördelen är att de båda kraftigt nedkylda vätskorna (flytande metan respektive flytande syre) värms upp och förgasas innan de når brännkammaren, vilket betyder ökad verkningsgrad.  

Med stegad, även kallad stängd cykel, menas att de delvis oförbrända avgaserna från förbrännaren inte släpps ut i det fria utan körs in i brännkammaren, vilket också betyder ökad verkningsgrad. Förbränningen sker alltså i två steg. Motsatsen kallas för gasgeneratorcykel eller öppen cykel. 

– En sådan här motor är en delikat tryckbalans. Varje ny koppling in i brännkammaren betyder en ny balans som måste upprättas. Annars uppstår en obalans och hela motorn riskerar att sprängas. Detta är speciellt känsligt vid uppstart, säger Christian Krokstedt.

Foto: Jonas Askergren

Resultatet av arkitekturen är att Spacex hittills lyckats nå upp till ett brännkammartryck om ofattbara 270 bar, med målet 300 bar.  

Mängder av stegade raketmotorer har flugit tidigare – men aldrig någon fullflödes stegad, utöver Raptor. 

Två försök har gjorts: på 1960-talet utvecklade Sovjet RD-270 och i början av 2000-talet konstruerade Rocketdyne The Integrated Powerhead Demonstrator. Men ingen av dem tog sig vidare från testbänken, enligt Everyday Astronaut.

Bärraketen som nu ska skjutas upp, kallad BN4, är utrustad med inte mindre än 29 Raptormotorer. Målet är att klämma in 32 eller 33, enligt Elon Musk. Rymdfarkosten Starship har i sin tur sex stycken, varav ena hälften är optimerade för drift på havsnivå och den andra hälften för drift i vakuum.

Läs mer: Kapplöpningen i full gång – då kan människan nå Mars

Bränslet – flytande metan 

Falcon 9-motorn Merlin använder sig av det högraffinerade fotogenbränslet RP-1 samt flytande syre som oxidationsmedel, liksom många andra raketmotorer.  

Men inte Raptor, som i stället ska drivas av flytande metan och flytande syre. Metan har vissa nackdelar jämfört med RP-1, bland annat lägre energidensitet.  

Fördelen är en betydligt renare förbränning. 

Detta faktum har en viktig funktion i Raptormotorn, eftersom avgaserna från förbrännaren körs rakt in i brännkammaren. Om bränslet vore RP-1 skulle det leda till stora mängder kolavlagringar som skulle riskera att sätta igen vitala funktioner. I Merlinmotorn spelar kolavlagringarna inte så stor roll, eftersom den använder sig av en öppen cykel där avgaserna släpps rakt ut.

Spacex Merlinmotor, som driver Falcon 9 och Falcon Heavy. Till höger syns röret där avgaserna från förbrännaren släpps ut. Foto: Spacex

Detta leder oss också in på bränsleblandningar, en helt egen vetenskap inom raketmotorutveckling. Ofta eftersträvas inte en blandning som ger fullständig förbränning, det vill säga att alla atomer i bränslet och oxidationsmedlet reagerar fullt ut. Detta skulle leda till alltför höga temperaturer med smält turbinpump som följd.  

I stället är målet en bränslerik alternativt syrerik blandning (kallas även fet eller mager), vilket innebär lägre temperatur. Men nackdelarna är uppenbara och måste hanteras: en bränslerik blandning ger besvärliga kolavlagringar medan en syrerik blandning innebär extremt korrosivt slitage. 

Det finns många lösningar på problemen. USA löste till exempel problemet med kolavlagringar och stängd cykel genom att helt enkelt byta ut RP-1 mot vätgas, som ju inte sotar över huvud taget. Rymdfärjan använde till exempel vätgas, och Space Launch System som ska ta astronauter till månen inom Artemisprogrammet ska också använda det. Men bränslet ger i sin tur nya utmaningar, framför allt att hindra den från att läcka eftersom vätgas har så liten molekylstorlek.  

Metan är hittills ett ganska ovanligt bränsle i raketsammanhang. Christian Krokstedt förklarar det med att RP-1 har ett så mycket längre arv, med massor av forskning och praktisk erfarenhet.  

– Är du ett nytt företag eller ett statligt forskningsinstitut och ska utveckla en ny motor har valet varit enklare att använda sig av fotogen, säger han. 

Men Spacex är inte ensamma om att använda metan. Amazongrundaren Jeff Bezos raketbolag Blue Origin driver motorn BE-4 med metan, till exempel.

Blue Origins raket BE-4 drivs precis som Raptor av flytande metan och flytande syre. Detta exemplar har levererats till till United Launch Alliance som ska montera två stycken på raketen Vulcan Centaurs huvudsteg. Foto: ULA

Bakom valet finns ytterligare en avgörande anledning: metan anses av Spacex ha störst potential att kunna framställas på Mars, i en solelsdriven så kallad Sabatierprocess där atmosfärens koldioxid kombineras med vatten i form av is.

Läs mer: Musk om exploderande Mars-raketen Starship: ”Woohoo”

Materialet – rostfritt stål 

Starship har genom åren genomgått många olika designförändringar. Från början var det tänkt att de båda stegen huvudsakligen skulle byggas av kolfiberkomposit, som är både mycket starkt och lätt. Men i slutet av 2018 meddelade Elon Musk en i sammanhanget enorm förändring – kolfibern ersätts med rostfritt stål. Orsakerna var bland annat billigare pris (3 dollar per kilo för rostfritt stål kontra i praktiken 200 dollar för kolfiber) samt betydligt bättre värmetålighet. 

– Det är ett jättestort skifte. Fördelen med kolfiberkomposit är att ytan förkolnar vid återinträde i atmosfären och inte leder värme lika bra. Men det är extremt dyrt och extremt svårt att tillverka, särskilt i dessa storlekar, säger Christian Krokstedt.

Rymdfarkosten Starship monteras ovanpå bärraketen Super Heavy. På bilden syns även bärraketens enorma styrfenor som ska hjälpa till att landa den säkert på marken igen. Foto: Space X

Dessutom, påpekar han, är det svårt att få kolfiber att samverka med delar som behöver vara i metall, eftersom materialen påverkas så olika av värmeutvidgning. 

– Det byggs upp stress i raketens struktur. Då är det bättre med stål eftersom metallerna expanderar tillsammans, säger han. 

Ytterligare en fördel är att rostfritt stål enkelt kan repareras genom svetsning, till skillnad från kolfber som är extremt svårt att laga – inte minst i rymden eller på Mars. 

Att använda rostfritt stål i så här stor omfattning i raketsammanhang är mycket ovanligt. 1963 kollapsade en så kallad ballongtank för bränsle gjord i rostfritt stål monterad på en Atlasraket. Spacex måste därför noga utvärdera hur materialet beter sig under uppskjutningen i omloppsbana. För att skydda extra utsatta delar vid återinträde monteras även keramiska plattor, som leder värme dåligt.

Rymdfarkosten kläs delvis med keramiska plattor för att klara av värmen som uppstår vid återinträde i atmosfären. Foto: Reginald Mathalone/NurPhoto/Shutterstock

Fler oprövade tekniker 

Ovan nämnda punkter är bara några av de många oprövade tekniker Spacex har att utvärdera vid den kommande uppskjutningen. Dessutom behöver bolaget framöver utveckla ytterligare en rad funktioner för att hela systemet ska fungera. Tankning i omloppsbana och ett torn som ska fånga in bärraketen Super Heavy är bara några exempel. Men detta ska alltså inte testas den här gången.

Läs mer: Musk vill fånga in tunga raketen – i luften

Den amerikanska flygsäkerhetsmyndigheten FAA har ännu inte gett sitt godkännande till uppskjutningen. När det finns på plats vet vi förmodligen mer om ungefärligt datum som kan bli aktuellt. 

Tror du att den blir av i år? 

– Jag hoppas det. Det hade varit ett bra sätt att avsluta året, säger Christian Krokstedt.

 

Artikeln är uppdaterad.

Starship - system, farkost, raket och motor

Systemet Starship

Starship är ett system för interplanetära rymdresor som består av uppskjutningsanläggning, bärraketen Super Heavy (steg 1) och
rymdfarkosten Starship (steg 2). Så väl hela systemet som själva farkosten kallas alltså för Starship. I systemet ingår också ett torn för att fånga in Super Heavy efter återinträde.

Höjd: 120 meter.

Diameter: 9 meter.

Nyttolast till LEO: 100+ ton.

Nyttolast till månen/Mars: 100+ ton (fullt återanvändbar) om den tankas i omloppsbana.

 

Rymdfarkosten Starship

Vad: Återanvändbar rymdfarkost för interplanetära resor. Kommer i flera versioner, bland annat en för människor och en för last. Den prototypversion som nu ska skjutas upp kallas för SN20.

Höjd: 50 meter.

Diameter: 9 meter.

Framdrivning: SN20 har sex Raptormotorer. Tre är havsnivåoptimerade, övriga tre vakuumoptimerade (se bild).

Drivkraft: Cirka 12 meganewton.

Bränsle: Flytande metan och flytande syre.

Volym för nyttolast: 1 100 kubikmeter.

Nyttolastkapacitet: 100+ ton.

 

Bärraketen Super Heavy

Vad: Återanvändbar bärraket som ska föra rymdfarkosten Starship ut i omloppsbana. Den prototypversion som nu ska skjutas upp kallas BN4.

Höjd: 70 meter.

Diameter: 9 meter.

Framdrivning: 29 Raptormotorer. Slutversionen kommer att få 32 eller 33 motorer.

Drivkraft: 72 meganewton, med målet att nå 76.

Bränsle: Flytande metan och flytande syre.

Bränslekapacitet: 3 400 ton.


Raketmotorn Raptor

Vad: Spacex egenutvecklade raketmotor som används både på bärraketen Super Heavy och på rymdfarkosten Starship. Den finns i två varianter, standarvarianten med mindre munstycke anpassad för att starta på havsnivå och en med större munstycke för drift i vakuum.

Cykel: Fullflödes stegad förbränningscykel.

Bränsle: Flytande metan och flytande syre.

Dragkraft: Cirka 2 meganewton, med målet att öka till 2,3.

Brännkammartryck: Hittills 270 bar med målet 300 bar.
 

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt