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 semble sur la bonne voie pour au moins un test préliminaire de transfert de propulseur l'année prochaine. SpaceX et la NASA pourraient faire un pas provisoire vers un ravitaillement orbital lors du prochain vol d'essai du Starship, mais l'agence spatiale américaine affirme que les responsables n'ont pas pris de décision finale sur la date à laquelle pour commencer à démontrer les capacités de transfert de propulseur cryogénique nécessaires au retour des astronautes sur la Lune.

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 souhaite démontrer la technologie de ravitaillement orbital, une avancée qui pourrait conduire à des dépôts de propulseurs dans l'espace pour alimenter les fusées se dirigeant vers des destinations lointaines au-delà de l'orbite terrestre. En 2020, la NASA a annoncé des accords avec quatre entreprises : Lockheed Martin, United Launch Alliance, SpaceX et une startup basée en Floride nommée Eta Space – pour prouver leurs capacités dans le domaine du ravitaillement et des dépôts de propulseurs utilisant des propulseurs cryogéniques.

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.

Ces fluides cryogéniques – hydrogène liquide, méthane et oxygène liquide – doivent être conservés à des températures de plusieurs centaines de degrés en dessous de zéro, sinon ils se transforment en gaz et s'évaporent. Les cargos de ravitaillement russes ravitaillent régulièrement la Station spatiale internationale avec de l'hydrazine et du tétroxyde d'azote, des propulseurs de fusée à température ambiante qui peuvent être stockés pendant des années en orbite, mais les fusées utilisant des propulseurs très froids plus efficaces doivent généralement terminer leurs missions en quelques heures.

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.

Les ingénieurs de la NASA et de l'industrie souhaitent prolonger cette durée de vie à plusieurs jours, semaines ou mois, mais cela nécessite de nouvelles technologies pour maintenir les propulseurs à température cryogénique et, dans certains cas comme Starship, pour transférer les propulseurs d'un véhicule à un autre.

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 et plusieurs entreprises financent des efforts dans ce domaine, appelé gestion des fluides cryogéniques. Les accords de la NASA de 2020 prévoyaient un financement gouvernemental de plus de 250 millions de dollars pour des tests de gestion des fluides cryogéniques dans l'espace. Ces accords de financement annoncés en octobre 2020, appelés prix « Tipping Point », nécessitent d'importants financements privés de la part des entreprises participant aux manifestations.

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.

Selon John Dankanich, qui dirige les efforts de la NASA pour développer de nouvelles capacités de transport dans l'espace, il existe des « obstacles techniques majeurs » à la gestion des fluides cryogéniques. Le véritable défi, a-t-il déclaré, sera de valider des éléments tels que les coupleurs automatisés, les débitmètres et l'isolation avancée, qui fonctionnent tous ensemble en microgravité. Celles-ci, ainsi que d'autres technologies, sont "fortement interdépendantes" les unes des autres pour faire du ravitaillement cryogénique une réalité, a-t-il déclaré.

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.

Les technologies individuelles nécessaires au ravitaillement cryogénique en orbite sont à un stade de développement où elles sont "prêtes maintenant à être intégrées aux systèmes de vol", a déclaré Dankanich, soit avec une démonstration dans l'espace, soit sur un vaisseau spatial opérationnel.

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.

Tout d'abord, de petits pas. À l'occasion du quatrième anniversaire de ces récompenses, seul SpaceX semble avoir une chance d'accomplir les tâches décrites dans son prix « Tipping Point », évalué à 53 millions de dollars. Ce test impliquerait le transfert de propulseur ultra-froid d'un réservoir à un autre. à l'intérieur d'un vaisseau spatial Starship. C'est un précurseur de futures démonstrations plus complexes impliquant deux vaisseaux géants amarrés ensemble en orbite terrestre. SpaceX sera alors prêt à envoyer un vaisseau spatial vers la Lune pour un atterrissage test sans astronautes à bord. Une fois cela réussi, la NASA autorisera Starship à accueillir un équipage dans le cadre de la mission Artemis III de l'agence, marquant le retour des astronautes sur la surface lunaire pour la première fois depuis 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.

C'est plus facile à dire qu'à faire ; tous les projets valables nécessitent une première étape. Cela pourrait se produire dès le prochain vol d'essai à grande échelle du gigantesque booster Super Heavy et de la fusée Starship de SpaceX, un lanceur en acier inoxydable mesurant près de 400 pieds (121 mètres) de haut. SpaceX a fait voler la fusée à deux reprises, la dernière fois le 18 novembre, lorsque l'étage supérieur du Starship a atteint l'espace pour la première fois avant de s'autodétruire juste avant d'atteindre la vitesse orbitale. Ce vol d'essai a été largement réussi, franchissant plusieurs étapes clés telles que la séparation des étages et démontrant une fiabilité améliorée des moteurs Raptor alimentés au méthane de la fusée.

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 a signé un contrat de 2,9 milliards de dollars avec la NASA pour fournir un système d'atterrissage humain (HLS) commercial dérivé de Starship pour la mission Artemis III, la première mission d'atterrissage humain prévue dans le cadre du programme Artemis de la NASA. L'état de préparation de la péniche de débarquement Starship et des nouvelles combinaisons spatiales commerciales sont largement considérés comme des facteurs déterminants du calendrier d'Artemis III, qui risque d'être retardé à partir de fin 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, administrateur associé adjoint du bureau du programme Moon to Mars de la NASA, a discuté lundi du programme Artemis avec un comité des académies nationales chargé d'examiner la main-d'œuvre, l'infrastructure et les programmes technologiques de l'agence.

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 n'a pas parlé verbalement des plans de SpaceX pour le prochain vol d'essai du Starship, mais l'une de ses diapositives indiquait que SpaceX « avance rapidement » vers le troisième lancement de Super Heavy/Starship, et que ce vol « comprendra une démonstration de transfert de propulseur ».

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.

Cependant, Jimi Russell, porte-parole de la NASA, a suggéré à Ars que ce n'était encore qu'une possibilité. Lorsque cela se produira, le transfert de propulseur de réservoir à réservoir au sein de Starship démontrera le déplacement de 10 tonnes d'oxygène liquide, selon les conditions du prix Tipping Point 2020. SpaceX collabore avec le Glenn Research Center de la NASA et le Marshall Space Flight Center sur la démonstration.

"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 et SpaceX examinent les options pour que la démonstration ait lieu lors d'un test en vol intégré du Starship et de la fusée Super Heavy", a déclaré Russell dans un communiqué. "Cependant, aucune décision définitive sur le calendrier n'a été prise."

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, fondateur et PDG de l'entreprise, a déclaré le 19 novembre que le matériel destiné au prochain test Super Heavy/Starship devrait être prêt dans trois à quatre semaines. Cette projection semble douteuse car SpaceX n'a ​​déplacé aucun morceau de la fusée vers la rampe de lancement pour les tests avant vol, mais un vol d'essai au début de l'année prochaine semble réaliste.

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.

D'autres facteurs qui pourraient jouer dans le calendrier de lancement du Starship incluent des mises au point ou des correctifs pour résoudre les problèmes survenus lors du vol d'essai du 18 novembre et l'obtention d'une nouvelle licence de lancement de la Federal Aviation Administration.

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.

Lorsque SpaceX tentera de transférer 10 tonnes de propulseur d’un réservoir à l’autre à l’intérieur du Starship, ce sera à une échelle jamais tentée auparavant dans l’espace. Mais cela ne représente qu’une petite fraction de la quantité de carburant et de comburant nécessaire pour remplir un vaisseau spatial Starship en orbite. La capacité totale de propulseur du navire est d'environ 1 200 tonnes. Après la démonstration de réservoir à réservoir, SpaceX tentera un transfert de propulseur de navire à navire entre deux vaisseaux spatiaux reliés entre eux en orbite 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.

"C'est vraiment à ce moment-là que nous commençons à faire mûrir les systèmes, et que cela devient vraiment passionnant pour HLS, car ce sont les éléments de base dont nous avons besoin et, franchement, cela n'a jamais été réalisé avec succès en orbite", a déclaré Lisa Watson-Morgan, du programme HLS de la NASA. manager, dans une interview avec Ars le mois dernier.

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.

Cette discussion sur le transfert de propulseur laisse de côté les travaux critiques sur le système de survie de Starship, nécessaire pour accueillir les équipages sur la surface lunaire. SpaceX doit également aller de l'avant avec davantage de tests du moteur Raptor, mais la société a récemment effectué un test au sol pour confirmer qu'elle peut rallumer un moteur Raptor dans les conditions de froid extrême résultant d'un séjour prolongé dans l'espace. SpaceX a également effectué des essais de tir du Raptor avec différents réglages des gaz pour simuler la façon dont les moteurs doivent fonctionner lors d'une descente pour atteindre la surface lunaire.

Others in the running

D'autres en lice

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

Les autres sociétés travaillant avec la NASA sur la gestion des fluides cryogéniques sont encore à au moins quelques années de toute démonstration en vol significative.

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 démonstration de Lockheed Martin, qui devrait utiliser de l'hydrogène liquide, est prévue pour 2025 et testera 15 technologies clés de gestion des fluides cryogéniques. Eta Space développe un dépôt de carburant à petite échelle pour démontrer le stockage cryogénique de longue durée de l'oxygène liquide pendant neuf mois. Cette mission, connue sous le nom de LOXSAT, devrait être lancée avec Rocket Lab en 2025, selon 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.

L'hydrogène liquide est la plus petite molécule et doit être stocké à des températures plus froides que le méthane ou l'oxygène liquide. Il s’agit du carburant de fusée le plus efficace couramment utilisé, mais il est sujet aux fuites.

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 travaille sur un « système cryogénique de propulsion intelligent » à hydrogène liquide/oxygène liquide sur un étage supérieur de Vulcan Centaur, testant un contrôle précis de la pression du réservoir, un transfert de réservoir à réservoir et un stockage de propulseur sur plusieurs semaines, selon la NASA. Dankanich a déclaré lundi que la démonstration en vol de l'ULA était prévue pour 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.

Comme Starship, l'atterrisseur lunaire de Blue Origin pour Artemis s'appuiera sur un ravitaillement orbital mais avec de l'hydrogène liquide. L'approche de Blue Origin en matière de gestion des fluides cryogéniques consiste à contrôler activement la température de l'hydrogène liquide à l'aide de cryo-refroidisseurs, tandis que SpaceX utilise un contrôle thermique passif sur 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 a déclaré que Blue Origin prévoyait « plusieurs démonstrations intermédiaires » avec ses systèmes cryogéniques avant que son atterrisseur ne soit certifié pour transporter des astronautes à la surface de la Lune, mais il n'a pas proposé de calendrier pour ces tests en vol menant à la première mission d'atterrissage humain de Blue Origin, prévue pour au plus tôt 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.

Outre les obstacles techniques, Dankanich a déclaré qu'il existe un autre obstacle potentiel aux progrès généralisés dans le domaine du ravitaillement cryogénique et des dépôts de propulseurs. Pour la plupart des démonstrations technologiques, la NASA s'associe à des entreprises sur une base de partage des coûts, réduisant ainsi le coût pour les contribuables. La NASA aimerait utiliser les données des démonstrations pour fournir une « vérité terrain » aux modèles permettant de prédire le comportement des fluides cryogéniques dans l'espace. La NASA étant une agence gouvernementale, ces modèles seraient accessibles à un large éventail de chercheurs et d’ingénieurs.

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.

Aux termes de ces partenariats public-privé, l'industrie conserve la propriété et ces entreprises peuvent considérer les détails de leur technologie comme étant propriétaires, limitant ainsi la capacité de la NASA à partager les leçons apprises avec des établissements universitaires ou d'autres groupes extérieurs.

“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.

"Dans certains cas, nous ne pouvons même pas les forcer à instrumenter les systèmes de la manière dont nous avons besoin qu'ils soient instrumentés afin d'obtenir les données dont nous aurions besoin pour valider", a déclaré Dankanich. "S'ils sont prêts à fournir le télémétrie dont nous avons besoin, alors nous pourrions, du côté de la NASA, être en mesure d'obtenir certaines de ces informations. Mais nous ne pouvons pas divulguer les détails de conception ou les spécificités à la communauté, ce qui est nécessaire à la validation du modèle.

"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."

"Les restrictions sur les droits en matière de données constituent un défi majeur dans la manière dont nous nous procurons tous nos systèmes de gestion des fluides cryogéniques", a déclaré Dankanich. "En même temps, les perspectives sont plutôt bonnes, n'est-ce pas ? Nous avons prévu le transfert de propulseur cryo-décanté à grande échelle de SpaceX pour l'année prochaine."