Starship là tên lửa vũ trụ sử dụng lại được, với thiết kế nhằm giảm chi phí phóng hết mức có thể.[22] Vì tên lửa có khả năng đưa 100 tấn lên đến quỹ đạo Trái đất tầm thấp, Starship được liệt vào hạng tên lửa siêu nặng.[23] Tên lửa trong tư thế phóng nặng gần 5000 tấn,[24] rộng 9 mét,[25] và cao 120 mét.[26] Với chiều cao này, Starship là tên lửa cao nhất thế giới, cao hơn 9 mét so với tên lửa Saturn V.[27] Cả hai tầng Super Heavy và tàu vũ trụ Starship[28] đều được lắp động cơ Raptor và Raptor Vacuum, nhằm đốt nhiên liệu methan lỏng và oxy lỏng đựng trong thùng.[3] Khả năng đáp cánh của hai tầng làm từ thép không gỉ đã góp phần ảnh hưởng tới thiết kế của tên lửa Terran R của công ty Relativity[29] và dự án Jarvis của công ty Blue Origin.[30]

Động cơ Raptor

Raptor là động cơ tên lửa được sử dụng trong tên lửa Starship, và đốt oxy lỏng và methan lỏng theo chu trình đốt gián đoạn và toàn bộ.[lower-alpha 4] Vì động cơ sử dụng hợp kim mới, áp suất trong buồng đốt chính có thể đạt tới 300 bar. Không chỉ vậy, động cơ Raptor có thể khai hỏa nhiều lần,[31] với miệng xả được làm mát bằng nhiên liệu lạnh.[3] Trong tương lai, động cơ dự kiến sẽ được sản xuất hàng loạt,[31] với giá khoảng 230.000 đô la Mỹ một chiếc.[3]

Raptor là động cơ theo chu trình chu trình đốt gián đoạn và toàn bộ duy nhất hiện đang được sản xuất. Liên Xô và Hoa Kỳ đã từng chế tạo các động cơ với chu trình như vậy, nhưng các động cơ nói trên chưa bao giờ được đưa vào trong tên lửa.[31] Nói chung, động cơ tên lửa theo chu trình đốt nói trên gồm có hai buồng đốt trước[lower-alpha 5] được kết nối với tua bin bơm[lower-alpha 6] tương ứng.[32] Sau khi nhận hỗn hợp giàu oxy hoặc giàu methan, buồng đốt trước một lượng nhỏ hỗn hợp và làm quay tua bin. Từ đó, nguyên liệu lỏng được bơm và đốt ở trong buồng đốt chính. Chu trình đốt này không phí một giọt nhiên liệu nào cả so với các chu trình động cơ khác. Chu trình này có thêm tác dụng phụ làm tăng áp suất buồng, làm động cơ hiệu quả và tạo ra nhiều lực đẩy hơn.[31]

Động cơ Raptor dùng nhiên liệu methan do methan rẻ tiền, ít tích bồ hóng,[31] sản xuất được trên Sao Hỏa dùng phản ứng Sabatier,[33] cùng nhiều lý do khác.[31] Trong buồng chính, động cơ đốt oxy trên methan theo tỉ lệ 3,6 : 1.[34] Dù đốt hỗn hợp tỉ lệ 4 : 1 sẽ tạo ra nhiều xung lực nhất, động cơ chạy hỗn hợp như vậy sẽ bị nóng quá và hỏng.[3] Động cơ Raptor sau khi đốt thải ra khí cacbon dioxide và nước, với một lượng nhỏ cacbon monoxide và nitơ monoxide. Khi động cơ chạy tại công suất tối đa, lửa thải ra tại miệng xả có thể dài tới 65 mét,[34] dài hơn tàu vũ trụ Starship khoảng 15 mét.[35] Khi nhiều động cơ được lắp thành chùm, lửa của các động cơ trong chùm không tương tác với không khí ngay lập tức. Vì vậy, lửa thải ra khỏi chùm sẽ dài hơn rất nhiều.[34]

Từ các thông tin chung đó, công ty SpaceX sản xuất nhiều biến thể của động cơ Raptor. Động cơ Raptor thông thường có tỷ lệ diện tích họng trên diện tích miệng xả là 1:34.[34] Động cơ Raptor Vacuum[lower-alpha 7] được thiết kế để khai hỏa trong không gian, nên động cơ được trang bị thêm miệng xả làm từ thép được hàn vảy. Từ đó, tỉ lệ diện tích họng trên diện tích miệng xả tăng lên thành 1:90 và xung lực đẩy riêng của động cơ tăng lên thành 380 giây. Raptor 2 là thế hệ thứ hai của các động cơ trên, với lực đẩy tăng lên thành 2,3 triệu newton và xung lực đẩy riêng bị giảm đi 3 giây.[3] Không chỉ vậy, thiết kế của Raptor 2 đã được đơn giản hóa đi rất nhiều.[36] Về lâu dài, SpaceX dự định sẽ sản xuất ba biến thể của động cơ Raptor: động cơ với khớp các đăng chuyên chạy trong khí quyển, động cơ vô khớp chuyên chạy trong khí quyển và động cơ vô khớp chuyên chạy trong không gian.[3]

Tầng Super Heavy

Super Heavy là tầng vũ trụ có chiều cao 70 mét, là phần dưới của tên lửa Starship.[25] Cụm 33 động cơ Raptor lắp trong tầng có lực đẩy mạnh hơn gấp đôi so với tên lửa Saturn V.[37] Tổng các thùng trong tầng Super Heavy chứa được khoảng 3600 tấn nhiên liệu, bao gồm 2800 tấn oxy lỏng và 800 tấn metan lỏng.[38] Sau khi rút cạn nhiên liệu, khối lượng khô của tầng tên lửa nằm trong khoảng 160 tấn đến 200 tấn. Trong đó, thùng chứa nhiên liệu có trọng lượng rơi vào tầm 80 tấn, đầu ghép với tàu vũ trụ nặng 20 tấn, và hệ thống động cơ có trọng lượng là 2 tấn.[3]

Tầng Super Heavy được trang bị bốn chiếc vây lưới nặng 3 tấn, mỗi chiếc chỉ xoay được theo trục vuông góc với điểm gắn. Để điều khiển độ chốc của tầng tên lửa dễ hơn, các vây lưới không được xếp cách đều nhau.[3] Hệ thống vây lưới này có chức năng chính là điều khiển tầng tên lửa khi đang bay xuyên khí quyển, và đáp vào hai thanh sắt tại tháp phóng. Dù bắt tầng tên lửa như vậy đòi hỏi độ chính xác cao, chức năng này có thể làm giảm thời gian chuẩn bị và cho phép phóng tên lửa lại thường xuyên hơn.[39] Để điều khiển hướng của tầng tên lửa, bộ động cơ nhỏ sẽ phụt nhiên liệu đã bốc hơi bên trong thùng chứa. Để tách ra khỏi tàu vũ trụ, tầng tên lửa quay động cơ của mình và thả chốt khi đạt lượng mô men cần thiết. Thao tác tách tàu này áp dụng định luật bảo toàn mô men động lượng ở trong không gian.[3]

Tàu vũ trụ Starship

Starship là tàu vũ trụ có chiều cao 50 mét[25] và khối lượng khô nhỏ hơn 100 tấn,[3] là phần trên của tên lửa Starship cùng tên.[25] Tàu chứa được khoảng 1200 tấn nhiên liệu oxy lỏng hoặc methan lỏng,[40] với mỗi loại nhiên liệu[19] được cho vào một thùng chính và thùng phụ tương ứng.[41] So với cặp tùng nhiên liệu chính, cặp thùng nhiên liệu phụ được sử dụng để cấp nhiên liệu đáp cánh tàu.[19] Sau khi được tiếp nhiên liệu từ các tàu Starship chở nhiên liệu khác, tầm của tàu vũ trụ được mở rộng đến Mặt Trăng, Sao Hỏa, và nhiều địa điểm khác trong Hệ Mặt trời.[28] Ở đuôi tàu là sáu động cơ Raptor, gồm có ba động cơ Raptor chuyên chạy trong khí quyển và ba động cơ Raptor Vacuum chuyên chạy trong không gian.[3]

Tàu Starship có bốn cánh tà để chỉnh hướng và vận tốc rơi. Hai cánh tà to hơn được gắn gần đuôi tàu, còn hai cánh tà bé hơn được gắn ở chóp tên lửa.[19] Ở đấy, chóp của tàu vũ trụ được làm từ hai hàng thép được kéo giãn ra. Do khớp nối của các cánh tà dễ bị hỏng nhất khi thâm nhập khí quyển, các khớp được bịt kín bằng kim loại.[3] Tấm chắn nhiệt của tàu dự tính sẽ được sử dụng nhiều lần và không cần sửa giữa các chuyến bay.[22] Để đạt được mục tiêu nói trên, tấm chắn nhiệt được làm từ rất nhiều gạch hình lục giác[42] và được gắn giãn cách nhau một chút nhằm tránh bị hỏng khi các viên bị giãn nở do nhiệt.[22] Gạch hình lục giác ngăn plasma được tạo ra khi thâm nhập khí quyển làm hỏng, cho phép tàu chịu được đến nhiệt độ 1400 °C.[43] Thể tích tải của tàu Starship rơi vào tầm 1000 mét khối, lớn hơn rất nhiều so với bất kỳ tàu vũ trụ nào khác.[23]

Các biến thể tàu

Tàu vũ trụ Starship chuyên chở hàng sẽ có một chiếc cửa lớn ở chóp tên lửa. Khi sử dụng, vệ tinh sẽ được cho vào khoang trong phòng sạch cấp 8 của Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế ISO. Vệ tinh sau đó có thể được gắn thẳng tại đế của khoang, hoặc tại thành bên cạnh bằng cái ngõng. Cách gắn cuối phù hợp hơn cho các hàng hóa phụ khi đi cùng với vệ tinh lớn hơn. Sau khi tàu lên đến quỹ đạo, tàu mở cửa và nhả các vệ tinh ra ngoài. Dùng cánh cửa nói trên, vệ tinh có thể được lấy về Trái Đất nếu cần thiết.[44]

Tàu vũ trụ Starship có thể trở hành khách lên Mặt trăng, Sao Hỏa, và các điểm đến khác trong Hệ Mặt Trời. Không chỉ vậy, tàu chuyên trở hành khách có thể thực hiện các chuyến bay xuyên lục địa. Một tàu có thể chở đến 100 hành khách, với "buồng ngủ riêng, phòng sinh hoạt chung, kho lưu trữ, hầm tránh bức xạ và phòng kính".[45] Hệ thống hỗ trợ sự sống trên tàu là loại "kín", nghĩa là vật chất ở trong tàu được tái sử dụng và tái chế liên tục. Còn lại, ta biết rất ít thông tin về các hệ thống khác của tàu.[46]

Tàu vũ trụ Starship chuyên chở nhiên liệu sẽ được dùng để tăng tầm bay của các tàu khác. Theo Musk, để đưa một tàu Starship lên Mặt trăng, ta cần phóng tối đa bảy tàu chở nhiên liệu.[23] Ý tưởng này được Musk trình bày vào tháng 9 năm 2019, bằng cách gắn đuôi của hai tàu vũ trụ vào nhau. Sau đó, cả hai tàu tăng tốc một chút về phía tàu chở nhiên liệu bằng các động cơ phụ, đẩy nhiên liệu vào tàu kia.[40] Vào tháng 10 năm 2020, NASA trao cho SpaceX 53,2 triệu đô la Mỹ để chuyển thử 10 tấn nhiên liệu qua hai tàu vũ trụ Starship ở không gian.[47]

Starship HLS là một biến thể tàu Starship nhằm để đáp trên Mặt Trăng trong chương trình Artemis, kế thừa chương trình Apollo. Tại chóp của tàu Starship HLS là các cửa sổ và cửa khóa khí,[48] cùng với thang máy và hệ thống động cơ định hướng để hạ cánh trên Mặt Trăng.[49] Tính năng quan trọng nhất của tàu là trọng tải rất lớn khi bay hai chiều giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Trong một chuyến bay của chương trình Artemis, tàu sẽ bay trước phi hành đoàn tối đa một trăm ngày, và sau đó các tàu vũ trụ sẽ chuyển nhiên liệu vào tàu Starship HLS. Một biến thể khác của tàu từng dự kiến được sử dụng trong chương trình Dịch vụ Thương mại Tải lên Mặt Trăng.[lower-alpha 8][48] Chương trình sẽ chọn một trong số các công ty cạnh tranh với nhau để chở hàng hóa nghiên cứu, thám hiểm và thương mại hóa Mặt Trăng.[50]