Starship (fusée)

Lors de la fondation de SpaceX en 2002, Elon Musk, son fondateur, avait l'ambition d'envoyer des hommes sur Mars. SpaceX commença progressivement à développer des lanceurs, tel que Falcon 1, première fusée de SpaceX, puis Falcon 9, beaucoup plus puissante, introduisant aussi la réutilisation partielle des lanceurs spatiaux. Ces étapes de développement étaient nécessaires, pour que SpaceX puisse acquérir les connaissances nécessaires pour la réalisation d'un lanceur pour la destination de Mars. Les premières idées de fusées super lourdes basées sur la flotte de lanceurs Falcon ont été discutées pour la première fois par SpaceX en 2010, mais lorsque le développement a sérieusement commencé en 2012, le véhicule avait une architecture déjà éloignée de ceux de la famille Falcon, mais gardait néanmoins leurs technologies, comme la réutilisation mise au point par le Falcon 9 booster B1021[8] - [9].

Lors de la conférence AIAA Joint Propulsion de 2010, SpaceX a présenté des concepts de lanceurs lourds et super-lourd, qui n'étaient pas des configurations confirmées de futurs lanceurs et ne représentaient que des idées conceptuelles.

Le Falcon X est un lanceur à deux étages de 75 mètres de haut, environ six mètres de diamètre, propulsé par trois moteurs Merlin 2, des évolutions des moteurs Merlin, créant ainsi une poussée au décollage de 16 000 kN. Moins de spécifications ont été données pour le second étage, cependant, SpaceX travaillait à l'époque sur une version LOx/LH2 du moteur Raptor d'une poussée de 677 kN pour une utilisation sur les étages supérieurs, ce qui en fait un candidat probable. Falcon X pourra envoyer en orbite basse terrestre une charge utile de 38 tonnes. Comme pour le Falcon 9, le Falcon X existe sous une version Heavy, qui aura deux premiers étages sur les côtés du corps central. Ainsi, le Falcon X Heavy pourra envoyer en orbite basse terrestre une charge utile de 125 tonnes.

Le Falcon XX est un lanceur à deux étages, de dix mètres de diamètres et une hauteur estimée à 100 mètres. Le premier étage utilise 6 moteurs Merlin 2, créant une poussée au décollage de 45,36 méganewtons (4 625 tonnes). Comme pour le Falcon X, aucune spécification technique ne fut donnée sur le second étage, mais il est probable qu'il soit propulsé par des moteurs Raptor. Une version Heavy du Falcon XX à trois cœurs n'a pas été présentée par SpaceX, mais serait une option pour augmenter la capacité de charge utile du véhicule à plus de 400 tonnes[10].

Le Mars Colonial Transporter fut évoqué en 2012 lors d'une discussion publique à propos d'un programme conceptuel de colonisation de Mars. Ce lanceur réutilisable devait être capable de placer entre 150 et 200 t en orbite basse. Il devait être propulsé par des Raptor et brûler du dioxygène liquide et du méthane liquide.

Vue d'artiste de l'Interplanetary Transport System.

L'Interplanetary Transport System fut annoncé au grand public lors du Congrès international d'astronautique de septembre 2016, qui s'est tenu au Mexique, durant lequel Elon Musk a déclaré qu'un investissement de 10 milliards de dollars serait nécessaire pour mettre l'ITS en service, appelant le secteur privé et le gouvernement à créer un énorme partenariat public-privé dans cette entreprise[8].

Starship constitue l'étage supérieur de la fusée Super Heavy. Il mesure 50 mètres de haut et 9 mètres de diamètre pour une masse de 1 200 tonnes au décollage[1], et est entièrement construit en acier inoxydable 304L de 4 mm et 3,6 mm. Il est propulsé par six moteurs-fusées Raptor — trois optimisés pour le vide et trois optimisés pour le vol atmosphérique — brûlant un mélange de dioxygène liquide et de méthane liquide. Il est de plus conçu pour retourner sur Terre après sa mission, en contrôlant sa trajectoire à l'aide de 4 volets de stabilisation avant d'atterrir verticalement à l'aide de ses moteurs, rendant le véhicule réutilisable.

Starship a la particularité de posséder quatre réservoirs de carburant, deux réservoirs principaux et deux réservoirs auxiliaires appelés header tanks. Les réservoirs principaux ont pour but d'alimenter les moteurs lors de la mise en orbite et lors des manœuvres. Les deux réservoirs auxiliaires, beaucoup plus petits, contiennent le carburant nécessaire à l'atterrissage propulsif lors du retour sur Terre ou pour un atterrissage sur Mars. Starship pouvant être amené à effectuer de longs séjours dans l'espace, la petite taille des header tanks permet de faciliter le maintien sous pression du carburant, de minimiser son évaporation et d'éviter le ballottement du carburant qui peut induire la formation de bulles et perturber le fonctionnement des moteurs lors de l'atterrissage[11].

Starship est prévu pour être décliné en six versions.

Inspection des tuiles thermiques du Starship prototype SN20.

Le Starship est équipé d'un bouclier thermique, qui le protège de la chaleur lors de sa rentrée atmosphérique. Celui-ci est composé de tuiles thermiques de forme hexagonale, qui n'offrent pas de chemin droit dans les lacunes duquel le gaz chaud risquerait de s'insérer. Lors d'un test, les tuiles thermiques ont résisté à des températures de 1 376,85 °C, a déclaré Elon Musk. Si des tuiles thermiques subissent une dégradation, des systèmes de refroidissement supplémentaires seront rajoutés pour protéger l'engin spatial[12]. Son corps est principalement composé d'acier, métal bien plus résistant à la chaleur que les alliages d'aluminium utilisés sur les autres véhicules spatiaux tels la navette spatiale américaine, en raison de la différence de masse entre ces métaux.

Super Heavy est le premier étage qui propulse le Starship. Il prend la forme d'un cylindre de 69 mètres de haut et de 9 mètres de diamètre pour une masse au décollage de 3 600 tonnes[1]. Il est construit en acier inoxydable 304L de 4 mm d'épaisseur et est propulsé par des moteurs Raptor alimentés par un mélange de dioxygène liquide et de méthane liquide. Il possède 29 Raptor lors des premiers essais et passe ensuite à 33 moteurs pour développer au total une poussée de 76 MN[1]. Tout comme Starship, Super Heavy est entièrement réutilisable. Son plan de vol devrait être très similaire à celui d'un premier étage de Falcon 9, dont il reprend d'ailleurs la silhouette, en particulier les panneaux cellulaires (grid fins) servant à contrôler la redescente avant un atterrissage propulsif sur le pas de tir, où il sera rattrapé par les bras de récupération : selon Elon Musk, cette technique permettrait « d’économiser la masse et le coût des pieds d'atterrissage et de repositionner immédiatement le booster sur le support de lancement — prêt à être ravitaillé en moins d’une heure ». Mais si cette technique insolite ne fonctionne pas, il faudra revenir aux pieds d'atterrissage (landing legs) — déjà présents sur la Falcon 9 et sur la Falcon Heavy — qui fonctionneraient quand même selon Musk[13].

La version Starship Cargo, qui est la première version développée, est principalement destinée au lancement de satellites en orbite terrestre. Elle est capable d'envoyer une charge utile de 100 à 150 tonnes en orbite terrestre basse et jusqu'à 150 tonnes en orbite de transfert géostationnaire. Elle est équipée d'une coiffe en clapet pouvant se refermer avant le retour sur Terre, haute de 17 mètres pour un volume total de 1 000 m³[1], et équipée pour les lancements multiples. SpaceX prévoit d'utiliser cette version pour lancer un grand nombre de satellites d'une constellation (en particulier les satellites de la constellation Starlink, appartenant à SpaceX) en un seul vol, pour effectuer des lancements triples en orbite de transfert géostationnaire[14], ou pour transporter des charges utiles très volumineuses ou très massives.

La version Starship Surface Cargo est une déclinaison du Starship Cargo, avec une capacité d'emport de 100 tonnes (150 tonnes totalement optimisé), et est spécialisé dans le transport de matériel à la surface d'autres corps célestes. C'est notamment cette version qui sera utilisée par la NASA dans le cadre du programme CLPS (Commercial Lunar Payload Services), qui emmènera des instruments scientifiques et des équipements à la surface lunaire, mais il pourra également envoyer des rovers et du ravitaillement. Il agira en tandem avec le Starship Crew pour les missions pour la Lune et Mars.

La version Starship Crew, destinée au vol habité, doit être développée dans un second temps une fois que la version cargo aura effectué suffisamment de vols pour prouver sa fiabilité[15]. SpaceX ambitionne à terme d'utiliser cette version pour transporter jusqu'à 100 passagers vers l'orbite terrestre, la Lune ou Mars[14]. Le Starship Crew sera rempli de moins d'ergols que les autres versions afin d'avoir un rapport poids/poussée supérieur pour pouvoir s'éloigner du premier étage en cas d'anomalie.

La version Starship Tanker est conçue dans le but de transférer 200 tonnes de carburant vers d'autres vaisseaux Starship. La possibilité d'effectuer des ravitaillements en orbite devrait fortement augmenter la capacité d'emport du Starship vers la Lune ou Mars, et est nécessaire aux vols cargos ou habités vers ces destinations[16].

Le HLS Starship est une variante du Starship spécialisé dans le transport de fret et d'équipage vers le sol lunaire. En avril 2020, il est sélectionné par la NASA pour être l’un des trois systèmes étudiés dans le cadre du projet d’atterrisseur lunaire HLS (Human Landing System) du programme Artemis, avec le Dynetics-HLS de Dynetics et l'Integrated Lunar Vehicle (ILV) de la National Team constituée de Blue Origin, Lockheed Martin, Northrop Grumman et Draper[17]. Le 16 avril 2021, il est sélectionné par la NASA comme l'unique atterrisseur lunaire du programme Artemis. SpaceX se voit ainsi attribuer un budget de 2,89 milliards de dollars pour construire, tester et faire atterrir sur la Lune un prototype de HLS Starship[18]. Si les résultats sont concluants, le Starship emmènera les astronautes du programme Artemis depuis la station Lunar Gateway en orbite lunaire jusqu'à la surface de la Lune à partir de 2024 lors de la mission Artemis III.

Le HLS Starship est également envisagé comme transport de marchandises vers le sol lunaire dans le cadre du programme CLPS[19]. Contrairement aux autres versions du Starship, il n'est pas destiné à retourner sur Terre, et n'est donc équipé ni de système de protection thermique, ni de surfaces de contrôle aérodynamiques[20].

Cette version du Starship, sans aileron, bouclier thermique et réservoir auxiliaires pour un atterrissage propulsé, n'est pas destinée à retourner sur Terre : après avoir été ravitaillé en orbite basse, il pourra transporter du matériel (tel que des satellites de la constellation Starlink, de SpaceX) vers l'orbite martienne, jovienne ou saturnienne, voire au-delà.

Le prototype de test Starhopper, le 13 mars 2019.

Le premier prototype, appelé Starhopper, permet d'effectuer les premiers tests d'atterrissage du Starship et de tester en vol une partie de ses sous-systèmes. La construction du prototype est réalisée en plein air sur le site de SpaceX South Texas Launch Site, à Boca Chica Village, au Texas à partir de décembre 2018 et est complétée en janvier 2019[22]. Le véhicule, construit en acier inoxydable, a un diamètre de 9 mètres et une hauteur de 18,4 mètres[23] - [24]. Il est prévu pour n'utiliser qu'un seul moteur Raptor.

Le 11 mars 2019, le premier moteur Raptor est livré sur le site et le prototype est transféré sur l'aire de vol[25]. Deux vols captifs ont lieu en avril 2019, puis le moteur est retiré le temps de régler divers problèmes sur celui-ci[26]. Le 25 juillet 2019, SpaceX tente de faire décoller son prototype Starhopper pour un vol test à une altitude de 20 mètres. À cause d'une pression trop forte dans les réservoirs, l'essai est annulé à T + 2 s après l'allumage du moteur[27]. Le lendemain, le Starhopper effectue son premier vol libre à 20 m de hauteur, réalisant un vol stationnaire de quelques secondes avant de se poser en toute sécurité[28].

Le 26 aout 2019, un vol d'une altitude de 150 mètres est annulé à cause d'un dysfonctionnement du système d'allumage du moteur. Le lendemain, Starhopper réalise ce vol et se pose automatiquement 200 m plus loin[29].

En décembre 2018 débute la construction d'un prototype complet du vaisseau, appelé Starship Mk1, suivi du Starship Mk2 en mai 2019. Les deux prototypes sont construits simultanément, l'un à Boca Chica Village au Texas, l'autre à Cocoa Beach en Floride, mettant en compétition les deux équipes de SpaceX[30]. Ce sont les premiers prototypes à taille réelle du Starship, mesurant 9 mètres de diamètre et 50 mètres de haut pour une masse à vide de 200 tonnes, et équipés d'un nez et de volets aérodynamiques[31].

Le nez du Starship Mk1.

Le Starship Mk1 est achevé en septembre 2019 et sert de maquette pour la présentation des nouveautés du Starship par Elon Musk le 28 septembre 2019. Elon Musk annonce lors de cette présentation qu'il prévoit d'effectuer un vol à 20 km d'altitude avant la fin de l'année[32]. Le prototype est ensuite désassemblé et amené sur le site de lancement le 30 octobre 2019, afin de commencer sa phase de test en vue de son vol à haute altitude[33]. Il est toutefois détruit le 20 novembre 2019, lors d'un test de pressurisation à l'azote liquide[34]. Ce sont les soudures du dôme supérieur qui ont lâché, provoquant ainsi la rupture du réservoir.

Fin octobre 2019, la construction d'un nouveau prototype, le Starship Mk4, est entamée. La construction des prototypes Mk2 et Mk4 est arrêtée à la suite de l'échec du Mk1, et le Mk2 est démantelé en juillet 2020[35]. Malgré leur échec, ces trois exemplaires ont permis à SpaceX d'améliorer ses techniques de construction, notamment concernant les anneaux d'acier inoxydable constituant le corps de la fusée et les soudures.

La construction du Starship Mk3, avant d'être renommé par la suite Starship SN1 (le préfixe « SN » signifie serial number)[36], débute en octobre 2019 à Boca Chica Village. Le 28 février 2020, le prototype est détruit lors d'un test de pressurisation à l'azote liquide. Les soudures du dôme de poussée (thrust puck) — dont le rôle est de transmettre la poussée des moteurs à l'ensemble de la fusée — ont lâché, faisant « décoller » le véhicule de quelques mètres avant que celui-ci ne retombe et n'explose totalement.

Début mars 2020 commence la construction d'un nouveau prototype, Starship SN3, suivi de son jumeau, Starship SN4, fin mars 2020. Starship SN3 est détruit le 3 avril 2020 lors du test de pressurisation à l'azote liquide des réservoirs, en raison d'une erreur de configuration. En effet, le réservoir inférieur (oxygène) est dépressurisé et vide tandis que celui du dessus (méthane) était plein d'azote. De ce fait, le véhicule s'est effondré sur lui-même, ne pouvant supporter cette masse supplémentaire. La jupe du SN3 étant intacte, elle est réutilisée sur SN4.

Une fois les débris du SN3 nettoyés, le SN4 est transporté sur le pas de tir afin d'être testé à son tour. Le SN4 est le premier prototype de taille réelle à réussir le test de pressurisation avec de l'azote liquide. Il est également le premier à réussir un remplissage des réservoirs avec les ergols réels (dioxygène liquide et méthane liquide) et une mise sous pression, l'allumage des pré-brûleurs des moteurs et finalement, une mise à feu statique. Au total, il réalise avec succès deux tests de pressurisation à l'azote liquide, à deux pressions différentes et cinq tirs statiques avec deux moteurs différents. Le 29 mai 2020, lors d'un test des systèmes de déconnexion rapide après la cinquième mise à feu statique, une fuite de méthane s'enflamme au contact de la tuyère chaude du moteur et cause la violente destruction du véhicule ainsi que de sévères dommages aux infrastructures de lancement[37].

Starship Test Tank SN7.

En février 2020, la construction d'un réservoir à échelle réduite dénommé SN2 débute. Il a pour but de tester les procédés de soudure du dôme de poussée à la suite de l'échec du Starship SN1. Le 8 mars 2020, il subit un test de pressurisation à l'azote liquide qu'il réussit. Pendant ce test, des vérins simulent l'action de trois moteurs sur le dôme de poussée.

La construction d'un deuxième réservoir de test à échelle réduite nommé SN7 commence en mai 2020. Son but est de tester la résistance d'un nouvel alliage d'acier inoxydable, l'inox 304L. Le 15 juin 2020, lors d'un premier test de pressurisation à l'azote liquide, le réservoir commence à fuir à une pression de 7,6 bars[38]. Après réparations, le réservoir est testé jusqu'à destruction le 23 juin 2020.

Au mois de juillet 2020, la construction d'un nouveau réservoir de test à échelle réduite en inox 304L, le SN7.1, est entamée. Il est construit dans le but de tester la résistance de l'inox 304L en simulant la poussée de trois moteurs Raptor en parallèle. Le 23 septembre 2020, le réservoir est testé jusqu'à destruction lors d'un test de pressurisation à l'azote liquide.

En janvier 2021 débute la construction d'un nouveau réservoir de test à échelle réduite, le SN7.2, toujours en inox 304L mais dont les parois ont une épaisseur de 3,2 mm, contre 4 mm pour les anciens prototypes. Cette modification permettrait d'alléger la masse à vide du Starship, ce qui augmenterait la charge utile des futures versions destinées à atteindre l'orbite basse.

Starship SN5.

La construction d'un nouveau prototype de Starship, dénommé SN5, débute en avril 2020, suivi d'un second nommé SN6 en mai 2020. Le Starship SN5 est transporté sur le support de test dans le but de faire un saut à 150 m d'altitude. Il est soumis avec succès à un test de pressurisation des réservoirs à l'azote, puis à une mise à feu statique de son moteur Raptor SN27 unique. Après deux tentatives avortées, le 4 août 2020, SN5 décolle jusqu'à 150 m avant de redescendre et de se poser en douceur sur la zone d'atterrissage[39]. Il s'agit du premier vol d'un prototype à taille réelle. Par la suite, SN5 est transporté vers le site de construction pour inspection.

Pendant ce temps, SN6, un prototype identique à SN5, fait le trajet inverse dans l'objectif de réaliser lui aussi un vol à la même altitude. Il subit avec succès le test de pressurisation des réservoirs à l'azote, puis une mise à feu statique de son unique moteur Raptor le 24 août 2020[40]. Le 3 septembre 2020, il effectue avec succès un saut à 150 m d'altitude. SN6 est alors lui aussi transporté au site de construction pour inspection. Il est démantelé en janvier 2021.

SN9 sur le pas de tir B, à proximité des débris du SN8 au coucher du soleil.

Le Starship SN8 est le premier prototype équipé de volets de corps (body flaps), d'un cône aérodynamique et de trois moteurs. Il réussit les tests de pressurisation des réservoirs à l'azote, puis à la mi-octobre 2020 la mise à feu statique (static fire) de ses trois moteurs. Son cône est assemblé aux réservoirs avant qu'une seconde mise à feu statique ne soit effectuée avec succès début novembre[41]. Quelques jours plus tard, une mise à feu supplémentaire endommage l'un des moteurs qui doit être remplacé avant une quatrième mise à feu statique, qui est un succès. Le 8 décembre 2020, une première tentative de vol à 12,5 km est abandonnée 1,3 seconde avant le décollage, à la suite d'une interruption automatique de la séquence d'allumage des moteurs. Le lendemain, une deuxième tentative a lieu. SN8 décolle de manière nominale et atteint l'altitude attendue de 12,5 km avant d'effectuer une manœuvre de basculement à l'horizontale, une chute libre contrôlée jusqu'au site d'atterrissage en position horizontale (dite belly flop) et pour finir une manœuvre de rallumage des moteurs et de passage de la position horizontale à verticale. Cependant, un manque de pression dans un des réservoirs de carburant cause un manque de puissance lors de la phase d'atterrissage, une vitesse trop élevée et la destruction du prototype[42]. Ce vol, globalement réussi, permet d'effectuer certaines des manœuvres qui seront nécessaires au Starship pour revenir sur Terre après un vol orbital, et ainsi d'être réutilisable.

Le Starship SN9 est un prototype qui partage les mêmes caractéristiques que SN8. Le 11 décembre 2020, la structure de support installée sous SN9 s'est effondrée, provoquant le basculement du véhicule et une collision avec les murs à l'intérieur de la High Bay. SN9 est sécurisé le 14 décembre 2020, révélant des dommages à l'un de ses ailerons avant, qui est par la suite remplacé. Puis, le 22 décembre 2020, SN9 est transporté sur le pas de tir B. Après des tests de pressurisation de ses réservoirs, il effectue sa première mise-à-feu statique le 6 janvier 2021. Le 13 janvier, il effectue trois nouvelles mises-à-feu statiques, suivies d'une dernière le 21 janvier 2021. Le vol d’essai à 10 kilomètres d’altitude se tient le 2 février 2021[43]. Comme pour SN8, le décollage, l'ascension, le retournement à l'apogée et la chute libre en position horizontale se déroulent comme prévu. Cependant, et contrairement à SN8, la manœuvre de retournement finale juste avant l'atterrissage échoue et SN9 s'écrase de biais sur la zone d'atterrissage dans une violente explosion[44]. Lors de cette manœuvre de retournement, deux moteurs Raptor sont censés se rallumer afin de faire pivoter le Starship en position verticale et de le ralentir jusqu'à l'arrêt complet. Dans le cas de SN9, un des deux moteurs ne se rallume pas, alors que le moteur restant est insuffisant pour effectuer la manœuvre seul. Ce Raptor n'a pas pu se rallumer car il était en dessous du seuil de puissance minimale nécessaire à l'allumage.

Le Starship SN10 est le troisième prototype, similaire à SN8 et SN9, entièrement assemblé avec un cône aérodynamique et des volets. Il est installé sur le pas de tir à côté de SN9 le 29 janvier 2021, et n'est pas endommagé par l'explosion de SN9 ayant eu lieu une centaine de mètres plus loin. Pour son vol, la procédure de rallumage des moteurs est modifiée, avec le rallumage de trois moteurs, puis l'extinction des deux moteurs dont les données sont les moins bonnes, afin d'augmenter la redondance[45]. SN10 vole le 3 mars 2021 après deux mises-à-feu statiques. Comme pour SN8 et SN9, le vol se déroule de manière normale jusqu'à la manœuvre de retournement finale. Comme prévu, les trois moteurs sont rallumés à la fin de la chute contrôlée, puis deux se sont éteints l'un après l'autre, et la manœuvre d'atterrissage s'est terminée avec un moteur[46]. L'atterrissage est brutal (la vitesse au moment du contact avec le sol est estimée à 10 m/s), les jambes d'atterrissage sont écrasées et le SN10 rebondit légèrement. Malgré tout, SN10 est le premier prototype de Starship à réussir un atterrissage vertical après une manœuvre de retournement. Cependant, des flammes ont pu être observées à la base de la jupe après l'atterrissage, et le prototype a fini par exploser un peu plus de huit minutes après son atterrissage. Par la suite, Elon Musk a donné des explications sur l'origine de l'atterrissage brutal. Il semblerait que la poussée de l'unique moteur fonctionnant lors des dernières secondes de l'atterrissage ait été plus faible que prévue. Ceci serait dû à l'ingestion de bulles d'hélium par le moteur. En effet, pour résoudre les problèmes de basses pressions rencontré par SN8, le méthane gazeux utilisé pour pressuriser le header tank selon la méthode de la pressurisation autogène (une petite partie du carburant est réchauffée au contact de la chambre de combustion et est réinjectée sous pression dans le réservoir) a été remplacé par de l'hélium gazeux sous pression[47]. Un autre dysfonctionnement ayant eu lieu lors de l'atterrissage du SN10 est le mauvais déploiement de certains pieds d'atterrissage[48]. La violence de l'atterrissage semble avoir été à l'origine d'une fuite et d'un incendie, qui ont fini par conduire à l'explosion du véhicule.

Le Starship SN11 est le onzième prototype de Starship, et le quatrième de la série d'architecture similaire à celle du SN8. Après avoir subi les tests usuels dont plusieurs tirs statiques et un échange de moteur, SN11 décolle le 30 mars 2021 dans un épais brouillard[49]. Le SN11 atteint son apogée de 10 km quatre minutes après le décollage, les trois moteurs Raptor sont stoppés pour commencer la chute libre. Après 5 minutes et 49 secondes de vol, à l'instant où le Starship rallume ses moteurs, le contact avec le véhicule est perdu et l'appareil explose avant de toucher le sol[50] - [51]. Selon Elon Musk, une surpression de carburant consécutive à une fuite de méthane serait la cause d'« un incendie sur le moteur 2 et une partie de l’avionique, provoquant un démarrage difficile lors de la tentative d’atterrissage dans une turbopompe méthane ».

Les Starships SN12, SN13 et SN14 sont trois prototypes dont la construction débute en septembre 2020 pour SN12, et respectivement en novembre et en octobre 2020 pour SN13 et SN14, avant d'être abandonnée début janvier 2021. Seul SN12 atteint un stade avancé de construction, avant d'être démantelé à partir du 23 janvier. Les trois prototypes sont identiques dans leur conception aux SN8, SN9, SN10 et SN11. Cependant, devant le succès global (hormis le crash à l'atterrissage) du vol du SN8 le 9 décembre 2020, il est décidé peu après d'abandonner la construction des prototypes SN12, SN13 et SN14 pour laisser plus rapidement place au SN15, ce dernier apportant des « améliorations majeures »[52].

Le SuperHeavy BN1 (Booster Number 1) est le premier prototype de SuperHeavy. Le 18 mars 2021, l'assemblage des deux sections de BN1, à savoir les réservoirs de méthane liquide et d'oxygène liquide, a lieu dans la High Bay. Ce premier prototype de SuperHeavy sert de test de production afin d'acquérir de l'expérience dans la construction d'un tel composant. Il n'est destiné ni à voler ni même à effectuer des tests au sol[53]. Il est désormais démantelé.

Aperçues pendant plusieurs mois, les sections de BN2 ont été longtemps stockées sur le site de production de Boca Chica Village. Néanmoins, une bonne partie de ces sections ont été recyclées pour d'autres prototypes. BN2 est finalement un réservoir d'essai qui a permis de tester les soudures et l'architecture générale du SuperHeavy

L'assemblage du SuperHeavy B3[54] (le préfixe « B » signifie booster) commence le 15 mai 2021 dans la HighBay. Initialement prévu pour être le booster du premier vol orbital, il ne servira finalement que pour des tests au sol. Après avoir été transporté sur le pad suborbital A, le 1^er juillet 2021 et après avoir subi un test de remplissage cryogénique, 3 Raptor sont installés sur B3 afin d'effectuer une mise à feu statique le 20 juillet 2021. Il est ensuite démantelé après avoir effectué tous ses tests.

Starship SN16, Septembre 2021.

Le Starship SN15 prend la suite des Starships SN8 à SN14 en étant le cinquième vol à haute altitude de cette série de prototypes. Par rapport à ces derniers, il apporte des centaines d'améliorations[52]. Parmi celles-ci, on retrouve notamment l'ajout d'une antenne Starlink pour permettre au prototype d'accéder au réseau Internet haut débit, ainsi que plusieurs centaines de tuiles de protection thermiques qui améliorent le bouclier thermique. Assemblé dans la HighBay[55], il est transporté sur le pad de lancement A le 8 avril[56]. Les 26 et 27 avril 2021, SN15 réalise plusieurs mises à feu statiques avec succès[57]. Il est d'ailleurs annoncé que les moteurs Raptor améliorés du prototype SN15 n'ont pas rencontré de problèmes lors des mises à feu statiques, contrairement aux moteurs Raptor des autres prototypes, qui avaient même conduit à un changement[58]. Le SN15 réalise son vol d'essai le 6 mai 2021. Toutes les étapes du vol sont réussies et il devient le premier prototype de Starship à réussir son atterrissage[59]. Comme pour SN10, un incendie se déclare au niveau des moteurs juste après l'atterrissage, mais il est finalement éteint environ huit minutes plus tard grâce aux lances à incendie télécommandées installées aux abords du pad d'atterrissage. Après plusieurs jours d'inspection, SN15 est transporté sur le pad de lancement suborbital B. Il semblerait que SpaceX veuille a minima conduire certains tests sur le premier prototype à avoir survécu à un vol de 10 km d'altitude, et pourrait même tenter de réaliser un deuxième vol avec le prototype[60]. Le 26 mai 2021, le prototype SN15 est finalement retiré du pad B pour être transporté sur le site de production.

Le Starship SN16 est le deuxième prototype similaire à SN15. Après avoir été entièrement construit, il a été déplacé fin juin à côté de SN15 sur le site de production en attente d'instruction supplémentaire, même si Elon Musk a émis la possibilité, qui a par la suite été abandonné, d'utiliser SN16 pour un vol d'essai hypersonique.

Ces trois prototypes ont subi le même sort que les Starship SN12, SN13 et SN14 avant eux et ont été abandonnés. En effet, ils sont rendus obsolètes par le Starship S20 qui apporte des centaines d'améliorations par rapport à ces derniers. Aucun des trois véhicules n'a jamais atteint un stade d'assemblage avancé et les quelques éléments ont depuis été mis au rebut[61].

Le B4 est le premier SuperHeavy équipé de 29 moteurs Raptor disposés en un cercle extérieur de 20 Raptors fixes, un cercle intérieur de 8 moteurs orientables et enfin 1 moteur central orientable[62]. Il demeure aujourd'hui à un site de stockage après avoir subi de nombreux tests au sol, notamment de remplissage de ses réservoirs.

Le SuperHeavy B5 est un prototype très similaire à B4, cependant plusieurs modifications sont faites comme l'ajout d'au moins un réservoir d'atterrissage. Il a néanmoins été démantelé, étant obsolète face au B7.

Le B7 possède de nombreuses améliorations par rapport aux anciens SuperHeavy, la plus notable étant l'utilisation de la deuxième version du moteur Raptor, capable de générer environ 25% de poussée en plus que la précédente. Le nombre de moteurs a également été modifié, passant à 33 Raptors, le cercle intérieur possède maintenant 10 moteurs et trois moteurs centraux sont présents[63]. Le B7 est également doté de nouvelles structures aérodynamiques sur ses côtés. Il est devenu le premier prototype à réaliser un allumage d'un de ses moteurs sur le pas de tir orbital de Boca Chica le 9 août 2022[64], puis deux jours plus tard, c'est un allumage d'une durée de 20 secondes qui est effectué afin de tester la pressurisation autogène du système[65].

Cône du Starship S20.

Le Starship S20 a été le premier prototype assemblé sur un SuperHeavy. Il était prévu initialement qu'il soit le premier prototype à réaliser un vol orbital, mais les retards successifs pour obtenir l'autorisation du vol par la Federal Aviation Administration (FAA) ont conduit SpaceX à choisir le S24 pour le vol orbital[66]. De ce fait, les prototypes suivants ont également été abandonnés. Le S21 a été partiellement construit puis démantelé, le S22 a été entièrement construit puis démantelé et le S23 n'a même pas été assemblé.

À l'exception des prototypes Mk2 et Mk4, qui ont été construits à Cocoa Beach en Floride, tous les articles de tests furent construit sur le site de Boca Chica Village, au Texas.

Annoncé en février 2022, ce programme associant SpaceX et Jared Isaacman, prévoit trois premières missions dont la dernière doit être le premier vol habité du Starship.

En septembre 2018, SpaceX a annoncé la signature d'un contrat pour faire voler un groupe de passagers privés autour de la Lune à bord du Starship[84]. En plus des pilotes, ce survol lunaire sera animé par Yūsaku Maezawa[85], qui invitera six à huit artistes à le suivre autour de la Lune en 2023[86]. Le temps de voyage prévu est de six jours environ[85] - [86].

Le 16 avril 2021, la NASA annonce avoir choisi le Starship dans le cadre du programme Artemis pour l'atterrisseur lunaire HLS (Human Landing System) qui doit ramener l'Homme sur la Lune d'ici 2024. Trois candidats étaient en lice : la National Team, constituée de Blue Origin, Lockheed Martin, Northrop Grumman et Draper, Dynetics et enfin SpaceX[17]. Le rôle du Starship dans le programme Artemis sera de faire la liaison entre l'orbite et la surface lunaire. Pour ce faire, les astronautes décolleront de la Terre à bord du vaisseau Orion lancé par le SLS avant de rejoindre l'orbite lunaire où ils embarqueront à bord du vaisseau de SpaceX pour aller sur la Lune. Par la suite, le transfert d'un vaisseau à l'autre pourra se faire en passant par la station spatiale en orbite lunaire Lunar Gateway[87].

• Astronautique
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• Raptor (moteur-fusée)
• New Glenn
• Space Launch System
• Saturn V
• N-1
• Ares I, lanceur abandonné en cours de développement
• Ares IV, lanceur abandonné en cours de développement
• Ares V, lanceur abandonné en cours de développement

• « Starship : crash test réussi », La Science, CQFD, France Culture, 24 avril 2023.
• (en) Page du constructeur dédiée au projet Starship/SuperHeavy