SpaceX and NASA could take a tentative step toward orbital refueling on the next test flight of Starship, but the US space agency says officials haven't made a final decision on when to begin demonstrating cryogenic propellant transfer capabilities that are necessary to return astronauts to the Moon.

SpaceX parece estar en camino de realizar al menos una prueba preliminar de transferencia de propulsor el próximo año. SpaceX y la NASA podrían dar un paso tentativo hacia el reabastecimiento de combustible orbital en el próximo vuelo de prueba de Starship, pero la agencia espacial estadounidense dice que los funcionarios no han tomado una decisión final sobre cuándo para comenzar a demostrar las capacidades de transferencia de propulsor criogénico que son necesarias para que los astronautas regresen a la Luna.

NASA is keen on demonstrating orbital refueling technology, an advancement that could lead to propellant depots in space to feed rockets heading to distant destinations beyond Earth orbit. In 2020, NASA announced agreements with four companies—Lockheed Martin, United Launch Alliance, SpaceX, and a Florida-based startup named Eta Space—to prove capabilities in the area of refueling and propellant depots using cryogenic propellants.

La NASA está interesada en demostrar la tecnología de reabastecimiento de combustible orbital, un avance que podría conducir a depósitos de propulsor en el espacio para alimentar cohetes que se dirigen a destinos distantes más allá de la órbita terrestre. En 2020, la NASA anunció acuerdos con cuatro empresas (Lockheed Martin, United Launch Alliance, SpaceX y una startup con sede en Florida llamada Eta Space) para demostrar capacidades en el área de reabastecimiento de combustible y depósitos de propulsores que utilizan propulsores criogénicos.

These cryogenic fluids—liquid hydrogen, methane, and liquid oxygen—must be kept at temperatures of several hundred degrees below zero, or they turn into a gas and boil off. Russian supply freighters regularly refuel the International Space Station with hydrazine and nitrogen tetroxide, room-temperature rocket propellants that can be stored for years in orbit, but rockets using more efficient super-cold propellants have typically needed to complete their missions within hours.

Estos fluidos criogénicos (hidrógeno líquido, metano y oxígeno líquido) deben mantenerse a temperaturas de varios cientos de grados bajo cero, o se convierten en gas y se evaporan. Los cargueros rusos abastecen regularmente a la Estación Espacial Internacional con hidracina y tetróxido de nitrógeno, propulsores de cohetes a temperatura ambiente que pueden almacenarse durante años en órbita, pero los cohetes que utilizan propulsores súper fríos más eficientes normalmente han necesitado completar sus misiones en cuestión de horas.

NASA and industry engineers want to extend this lifetime to days, weeks, or months, but this requires new technologies to maintain the propellants at cryogenic temperature and, in some cases like Starship, to transfer the propellants from one vehicle to another.

La NASA y los ingenieros de la industria quieren extender esta vida útil a días, semanas o meses, pero esto requiere nuevas tecnologías para mantener los propulsores a temperatura criogénica y, en algunos casos como Starship, transferir los propulsores de un vehículo a otro.

NASA and several companies are funding efforts in this area, called cryogenic fluid management. NASA's agreements from 2020 committed more than $250 million in government funding for cryogenic fluid management tests in space. These funding agreements announced in October 2020, called "Tipping Point" awards, require substantial private funding from the companies participating in the demonstrations.

La NASA y varias empresas están financiando esfuerzos en esta área, llamada gestión de fluidos criogénicos. Los acuerdos de la NASA de 2020 comprometieron más de 250 millones de dólares en financiación gubernamental para pruebas de gestión de fluidos criogénicos en el espacio. Estos acuerdos de financiación anunciados en octubre de 2020, denominados premios "Tipping Point", requieren una importante financiación privada de las empresas que participan en las manifestaciones.

According to John Dankanich, who leads NASA's efforts in developing new capabilities for in-space transportation, there are "major technical obstacles" for cryogenic fluid management. The real challenge, he said, will be in validating things like automated couplers, flow meters, and advanced insulation all work together in microgravity. These, along with other technologies, are "highly interdependent" on one another to make cryogenic refueling a reality, he said.

Según John Dankanich, que lidera los esfuerzos de la NASA para desarrollar nuevas capacidades para el transporte espacial, existen "obstáculos técnicos importantes" para la gestión de fluidos criogénicos. El verdadero desafío, dijo, será validar elementos como acopladores automatizados, medidores de flujo y aislamiento avanzado que funcionen juntos en microgravedad. Éstas, junto con otras tecnologías, son "altamente interdependientes" unas de otras para hacer realidad el repostaje criogénico, afirmó.

Individual technologies necessary for in-orbit cryogenic refueling are at a stage of development where they are "ready now to go into flight systems," Dankanich said, either with a demonstration in space or on an operational spacecraft.

Las tecnologías individuales necesarias para el repostaje criogénico en órbita se encuentran en una etapa de desarrollo en la que están "listas ahora para entrar en sistemas de vuelo", dijo Dankanich, ya sea con una demostración en el espacio o en una nave espacial operativa.

First, small steps

By the fourth anniversary of those awards, only SpaceX appears to have a chance to complete the tasks outlined in its "Tipping Point" award, valued at $53 million.

This test would involve transferring super-cold propellant from one tank to another inside a Starship spacecraft. It's a precursor to future, more complex demonstrations involving two giant Starships docked together in Earth orbit. Then SpaceX will be ready to send a Starship toward the Moon for a test landing without astronauts onboard. Once that is successful, NASA will clear Starship for a crew landing on the agency's Artemis III mission, marking the astronauts' return to the lunar surface for the first time since 1972.

Primero, pequeños pasosAl cumplirse el cuarto aniversario de esos premios, sólo SpaceX parece tener la oportunidad de completar las tareas descritas en su premio "Tipping Point", valorado en 53 millones de dólares. Esta prueba implicaría transferir propulsor súper frío de un tanque a otro. dentro de una nave espacial Starship. Es un precursor de futuras demostraciones más complejas que involucrarán dos naves espaciales gigantes acopladas juntas en la órbita terrestre. Entonces SpaceX estará listo para enviar una nave espacial hacia la Luna para un aterrizaje de prueba sin astronautas a bordo. Una vez que esto tenga éxito, la NASA autorizará a Starship a aterrizar con una tripulación en la misión Artemis III de la agencia, lo que marcará el regreso de los astronautas a la superficie lunar por primera vez desde 1972.

That's easier said than done; all worthy projects require a first step. That could happen as soon as the next full-scale test flight of SpaceX's gigantic Super Heavy booster and Starship rocket, a stainless steel launcher that stands nearly 400 feet (121 meters) tall. SpaceX has flown the rocket twice, most recently on November 18, when the Starship upper stage reached space for the first time before self-destructing just short of orbital velocity. This test flight was largely successful, achieving several key milestones such as stage separation and demonstrating improved reliability of the rocket's methane-fueled Raptor engines.

Es más fácil decirlo que hacerlo; Todo proyecto digno requiere un primer paso. Eso podría suceder tan pronto como se realice el próximo vuelo de prueba a gran escala del gigantesco propulsor Super Heavy y el cohete Starship de SpaceX, un lanzador de acero inoxidable que mide casi 400 pies (121 metros) de altura. SpaceX ha volado el cohete dos veces, la más reciente el 18 de noviembre, cuando la etapa superior de Starship llegó al espacio por primera vez antes de autodestruirse justo antes de alcanzar la velocidad orbital. Este vuelo de prueba fue en gran medida un éxito, logrando varios hitos clave, como la separación de etapas y demostrando una mayor confiabilidad de los motores Raptor alimentados con metano del cohete.

SpaceX has a $2.9 billion contract with NASA to provide a commercial Human Landing System (HLS) derived from Starship for the Artemis III mission, the first human landing mission planned during NASA's Artemis program. The readiness of the Starship landing craft and new commercial spacesuits are widely seen as drivers of the schedule for Artemis III, which is at risk of a delay from late 2025.

SpaceX tiene un contrato de 2.900 millones de dólares con la NASA para proporcionar un sistema de aterrizaje humano (HLS) comercial derivado de Starship para la misión Artemis III, la primera misión de aterrizaje humano planificada durante el programa Artemis de la NASA. La preparación de las naves de aterrizaje Starship y los nuevos trajes espaciales comerciales se considera ampliamente como factores determinantes del calendario de Artemis III, que corre el riesgo de sufrir un retraso a partir de finales de 2025.

Lakiesha Hawkins, deputy associate administrator for NASA's Moon to Mars program office, discussed the Artemis schedule Monday with a committee from the National Academies charged with reviewing the agency's workforce, infrastructure, and technology programs.

Lakiesha Hawkins, administradora adjunta adjunta de la oficina del programa Luna a Marte de la NASA, discutió el calendario de Artemis el lunes con un comité de las Academias Nacionales encargado de revisar la fuerza laboral, la infraestructura y los programas tecnológicos de la agencia.

Hawkins did not verbally address SpaceX's plans for the next Starship test flight, but one of her slides noted SpaceX is "moving quickly" toward the third Super Heavy/Starship launch, and that this flight "will include a propellant transfer demonstration."

Hawkins no abordó verbalmente los planes de SpaceX para el próximo vuelo de prueba de Starship, pero una de sus diapositivas señaló que SpaceX está "moviéndose rápidamente" hacia el tercer lanzamiento de Super Heavy/Starship, y que este vuelo "incluirá una demostración de transferencia de propulsor".

However, Jimi Russell, a NASA spokesperson, suggested to Ars this is still only a possibility. When it does happen, the tank-to-tank propellant transfer within Starship will demonstrate moving 10 metric tons of liquid oxygen, according to the 2020 Tipping Point award terms. SpaceX is collaborating with NASA's Glenn Research Center and Marshall Space Flight Center on the demonstration.

Sin embargo, Jimi Russell, portavoz de la NASA, sugirió a Ars que esto todavía es sólo una posibilidad. Cuando esto suceda, la transferencia de propulsor de tanque a tanque dentro de Starship demostrará el movimiento de 10 toneladas métricas de oxígeno líquido, de acuerdo con los términos del premio Tipping Point 2020. SpaceX está colaborando con el Centro de Investigación Glenn de la NASA y el Centro Marshall de Vuelos Espaciales en la demostración.

"NASA and SpaceX are reviewing options for the demonstration to take place during an integrated flight test of Starship and the Super Heavy rocket," Russell said in a  statement. "However, no final decisions on timing have been made."

"La NASA y SpaceX están revisando opciones para que la demostración se lleve a cabo durante una prueba de vuelo integrada de Starship y el cohete Super Heavy", dijo Russell en un comunicado. "Sin embargo, no se ha tomado ninguna decisión final sobre el momento".

Elon Musk, the company's founder and CEO, said on November 19 that hardware for the next Super Heavy/Starship test should be ready in three to four weeks. That projection seems dubious because SpaceX hasn't moved any pieces of the rocket to the launch pad for pre-flight testing, but a test flight early next year appears realistic.

Elon Musk, fundador y director ejecutivo de la compañía, dijo el 19 de noviembre que el hardware para la próxima prueba Super Heavy/Starship debería estar listo en tres o cuatro semanas. Esa proyección parece dudosa porque SpaceX no ha movido ninguna pieza del cohete a la plataforma de lanzamiento para realizar pruebas previas al vuelo, pero un vuelo de prueba a principios del próximo año parece realista.

Other factors that could play into the Starship launch schedule include tune-ups or fixes to resolve problems that occurred on the November 18 test flight and receiving a new launch license from the Federal Aviation Administration.

Otros factores que podrían influir en el calendario de lanzamiento de Starship incluyen ajustes o correcciones para resolver los problemas que ocurrieron en el vuelo de prueba del 18 de noviembre y recibir una nueva licencia de lanzamiento de la Administración Federal de Aviación.

When SpaceX tries transferring 10 metric tons of propellant from tank to tank inside Starship, it will be at a scale never before attempted in space. But it's a small fraction of the amount of fuel and oxidizer needed to fill a Starship spacecraft in orbit. The ship's total propellant capacity is some 1,200 metric tons. After the tank-to-tank demonstration, SpaceX will attempt a ship-to-ship propellant transfer between two Starships linked together in Earth orbit.

Cuando SpaceX intente transferir 10 toneladas métricas de propulsor de un tanque a otro dentro de Starship, lo hará a una escala nunca antes intentada en el espacio. Pero es una pequeña fracción de la cantidad de combustible y oxidante necesarios para llenar una nave espacial Starship en órbita. La capacidad total de propulsión del barco es de unas 1.200 toneladas métricas. Después de la demostración tanque a tanque, SpaceX intentará una transferencia de propulsor de barco a barco entre dos Starships unidas en órbita terrestre.

"That’s really when we start maturing the systems, and when it really gets exciting for HLS, because those are the building blocks that we need and, frankly, it’s never been done successfully in orbit," said Lisa Watson-Morgan, NASA's HLS program manager, in an interview with Ars last month.

"Ahí es realmente cuando comenzamos a madurar los sistemas, y cuando realmente se vuelve emocionante para HLS, porque esos son los componentes básicos que necesitamos y, francamente, nunca se ha hecho con éxito en órbita", dijo Lisa Watson-Morgan, del programa HLS de la NASA. gerente, en una entrevista con Ars el mes pasado.

This discussion of propellant transfer leaves out critical work on Starship's life support system needed to accommodate crews on the lunar surface. SpaceX also needs to move forward with more Raptor engine testing, but the company recently completed a ground test to confirm it can reignite a Raptor engine in the extreme cold conditions resulting from extended time in space. SpaceX has also completed Raptor test-firings at different throttle settings to simulate how the engines must perform during a descent burn to reach the lunar surface.

Esta discusión sobre la transferencia de propulsor deja de lado el trabajo crítico sobre el sistema de soporte vital de Starship necesario para acomodar a las tripulaciones en la superficie lunar. SpaceX también necesita avanzar con más pruebas del motor Raptor, pero la compañía completó recientemente una prueba en tierra para confirmar que puede reencender un motor Raptor en condiciones de frío extremo resultantes de un tiempo prolongado en el espacio. SpaceX también ha completado pruebas de disparo del Raptor con diferentes configuraciones de aceleración para simular cómo deben funcionar los motores durante un descenso para llegar a la superficie lunar.

Others in the running

Otros en carrera

The other companies working with NASA on cryogenic fluid management are still at least a couple of years away from any meaningful flight demonstrations.

Las otras empresas que trabajan con la NASA en la gestión de fluidos criogénicos todavía están al menos a un par de años de realizar demostraciones de vuelo significativas.

Lockheed Martin's demo, expected to use liquid hydrogen, is scheduled for 2025 and will test 15 key cryo fluid management technologies. Eta Space is developing a small-scale fuel depot to demonstrate long-duration cryogenic storage of liquid oxygen for nine months. This mission, known as LOXSAT, is scheduled to launch with Rocket Lab in 2025, according to Dankanich.

La demostración de Lockheed Martin, que se espera utilice hidrógeno líquido, está programada para 2025 y probará 15 tecnologías clave de gestión de fluidos criogénicos. Eta Space está desarrollando un depósito de combustible a pequeña escala para demostrar el almacenamiento criogénico de oxígeno líquido de larga duración durante nueve meses. Esta misión, conocida como LOXSAT, está programada para lanzarse con Rocket Lab en 2025, según Dankanich.

Liquid hydrogen is the smallest molecule and needs to be stored at colder temperatures than methane or liquid oxygen. It is the most efficient rocket fuel in common use, but is prone to leaks.

El hidrógeno líquido es la molécula más pequeña y debe almacenarse a temperaturas más frías que el metano o el oxígeno líquido. Es el combustible para cohetes más eficiente de uso común, pero es propenso a sufrir fugas.

United Launch Alliance is working on a liquid hydrogen/liquid oxygen "smart propulsion cryogenic system" on a Vulcan Centaur upper stage, testing precise tank pressure control, tank-to-tank transfer, and multi-week propellant storage, according to NASA. Dankanich said Monday ULA's flight demonstration is scheduled for 2026.

United Launch Alliance está trabajando en un "sistema criogénico de propulsión inteligente" de hidrógeno líquido/oxígeno líquido en una etapa superior de Vulcan Centaur, probando un control preciso de la presión del tanque, la transferencia de tanque a tanque y el almacenamiento de propulsor durante varias semanas, según la NASA. Dankanich dijo el lunes que la demostración del vuelo de la ULA está programada para 2026.

Like Starship, Blue Origin's human-rated lunar lander for Artemis will rely on orbital refueling but with liquid hydrogen. Blue Origin's approach to cryogenic fluid management involves actively controlling the temperature of liquid hydrogen using cryocoolers, while SpaceX is using passive thermal control on Starship.

Al igual que Starship, el módulo de aterrizaje lunar de Blue Origin con calificación humana para Artemis dependerá del reabastecimiento de combustible orbital pero con hidrógeno líquido. El enfoque de Blue Origin para la gestión de fluidos criogénicos implica controlar activamente la temperatura del hidrógeno líquido mediante crioenfriadores, mientras que SpaceX utiliza control térmico pasivo en Starship.

Dankanich said Blue Origin plans "multiple interim demonstrations" with its cryogenic systems before its lander is certified to carry astronauts to the Moon's surface, but he didn't offer a schedule for those flight tests leading up to Blue Origin's first human landing mission, slated for no sooner than 2029.

Dankanich dijo que Blue Origin planea "múltiples demostraciones provisionales" con sus sistemas criogénicos antes de que su módulo de aterrizaje esté certificado para llevar astronautas a la superficie de la Luna, pero no ofreció un cronograma para esas pruebas de vuelo previas a la primera misión de aterrizaje humano de Blue Origin, programada. no antes de 2029.

Aside from technical hurdles, Dankanich said there's another potential barrier to widespread advancements in cryogenic refueling and propellant depots. For most of the tech demos, NASA is partnering with companies on a cost-sharing basis, reducing the cost to taxpayers. NASA would like to use data from the demonstrations to provide "ground truth" for models to predict the behavior of cryogenic fluids in space. Because NASA is a government agency, these models would be available to a broad cross-section of researchers and engineers.

Aparte de los obstáculos técnicos, Dankanich dijo que existe otra barrera potencial para los avances generalizados en el repostaje criogénico y los depósitos de propulsores. Para la mayoría de las demostraciones tecnológicas, la NASA se está asociando con empresas sobre la base de costos compartidos, reduciendo el costo para los contribuyentes. A la NASA le gustaría utilizar los datos de las demostraciones para proporcionar "verdad sobre el terreno" para que los modelos predigan el comportamiento de los fluidos criogénicos en el espacio. Como la NASA es una agencia gubernamental, estos modelos estarían disponibles para una amplia muestra representativa de investigadores e ingenieros.

Under the terms of these public-private partnerships, industry retains ownership, and these companies may consider details about their technology proprietary, limiting NASA's ability to share lessons learned with academic institutions or other outside groups.

Según los términos de estas asociaciones público-privadas, la industria conserva la propiedad y estas empresas pueden considerar detalles sobre su tecnología patentada, lo que limita la capacidad de la NASA para compartir las lecciones aprendidas con instituciones académicas u otros grupos externos.

“In some cases, we can't force them to even instrument the systems in the way that we need them instrumented in order to get the data that we would need to validate," Dankanich said. "If they're willing to provide the telemetry that we need, then we may, on the NASA side, be able to get some of that information. But we can't disclose the design details or the specifics to the community, which is necessary for model validation.

"En algunos casos, ni siquiera podemos obligarlos a instrumentar los sistemas de la forma en que los necesitamos para obtener los datos que necesitaríamos validar", dijo Dankanich. "Si están dispuestos a proporcionar la telemetría que necesitamos, entonces podremos, por parte de la NASA, obtener parte de esa información. Pero no podemos revelar los detalles del diseño o los detalles a la comunidad, lo cual es necesario para la validación del modelo.

"Data right restrictions are a big challenge with the way that we're procuring all of our cryogenic fluid management systems," Dankanich said. "At the same time, the outlook is pretty good, right? We do have the SpaceX large-scale cryo settling propellant transfer planned for next year."

"Las restricciones a los derechos de datos son un gran desafío debido a la forma en que adquirimos todos nuestros sistemas de gestión de fluidos criogénicos", afirmó Dankanich. "Al mismo tiempo, las perspectivas son bastante buenas, ¿verdad? Tenemos planeada la transferencia de propulsor crio-sedimentador a gran escala de SpaceX para el próximo año".