Starship (fusée)

Starship
Lanceur super lourd
Le deuxième étage Starship S24 et le premier étage Super Heavy B7 sur le pas de tir.
Données générales
Pays d’origine	États-Unis
Constructeur	SpaceX
Premier vol	20 avril 2023
Période développement	2021-
Statut	En cours de qualification
Lancements (échecs)	6 (2)
Lancements réussis	1
Lancements partiellement réussis	2
Hauteur	121 m
Diamètre	9 m
Masse au décollage	~5 070 tonnes
Étage(s)	2
Poussée au décollage	76 MN
Moteur(s)	Raptor V2 : poussée au sol : 250 t., ISP : 350 s.
Base(s) de lancement	- SpaceX Starbase, Boca Chica Village, Texas - Complexe de lancement 39, LC-39A, Centre spatial Kennedy (Prévu / Futur)
Charge utile
Orbite basse	Réutilisable : 100-150 tonnes Non réutilisable : 250 tonnes
Transfert géostationnaire (GTO)	21 tonnes (sans ravitaillement) 100-150 tonnes (avec ravitaillement)
Motorisation
Ergols	LOX / LCH4
1er étage	20 Raptor V2 Boost + 13 Raptor V2 Center
2e étage	3 Raptor V2 Center + 3 Raptor V2 Vacuum
Missions
Lancement de satellites en orbite basse Transport d'équipage et de fret à la surface de la Lune
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Le Starship^{[trad 1]}, anciennement appelé Big Falcon Rocket^{[trad 2]}, est un lanceur spatial super-lourd entièrement réutilisable développé par la société américaine SpaceX. Il est conçu pour placer une charge utile de plus de 100 tonnes sur une orbite terrestre basse dans sa version réutilisable, soit une capacité proche du lanceur Saturn V utilisé par le programme Apollo pour déposer les premiers hommes sur la Lune en 1969. Il comporte deux étages qui présentent la particularité d'être tous deux réutilisables, ce qui permet théoriquement un abaissement sans précédent du coût des lancements. Les premiers vols (suborbitaux) ont lieu en avril et novembre 2023, sans atteindre les objectifs fixés.

Le Starship est haut de 121 mètres pour un diamètre quasi constant de 9 mètres. Sa masse au décollage est d'environ 5 000 tonnes. Le premier étage (SpaceX Super Heavy), haut de 71 mètres, est commun à toutes les configurations envisagées. Le deuxième étage a des caractéristiques variables selon le type de mission et incorpore la charge utile. Les deux étages sont propulsés par des moteurs Raptor développés par SpaceX. Ceux-ci brûlent un mélange de dioxygène liquide et de méthane liquide en utilisant un cycle à combustion étagée à « flux complet »^{[trad 3]}. Le lanceur peut décoller depuis deux complexes de lancement : la base de lancement de Boca Chica (SpaceX Starbase), située sur la côte du golfe du Mexique dans l'État du Texas à la frontière avec le Mexique, et le complexe de lancement 39A du centre spatial Kennedy, en Floride.

Le vaisseau Starship est sélectionné le 16 avril 2021 par l'agence spatiale américaine, la NASA, dans le cadre de son programme Artemis, pour déposer les astronautes sur la Lune. Pour y parvenir, deux configurations doivent être mises en œuvre : une version comportant l'atterrisseur lunaire qui doit déposer l'équipage sur la Lune et une version comportant un étage supérieur chargé de ravitailler l'atterrisseur sur l'orbite terrestre basse. L'objectif est de déposer le premier équipage en 2026 dans le cadre de la mission Artemis III. Une deuxième application immédiate prévue pour le lanceur est le déploiement de la constellation Starlink. Le Starship pourrait à terme remplacer les fusées Falcon 9 et Falcon Heavy pour devenir le lanceur principal de SpaceX. Le fondateur de l'entreprise, Elon Musk, a l'ambition d'utiliser également son lanceur pour coloniser Mars.

Le lanceur Starship est annoncé en septembre 2017 à l'occasion du Congrès international d'astronautique. Il est développé en utilisant une méthode itérative et incrémentale. Les travaux portent d'abord sur la mise au point du second étage, dont un premier prototype, le Starhopper^{[trad 4]}, effectue un premier vol en 2019. Le développement du premier étage prend de l'ampleur en 2021. Les premiers essais statiques de cet étage ont lieu en 2021. Le premier test en vol du lanceur complet a lieu en avril 2023, mais est un échec qui nécessite plusieurs corrections portant à la fois sur le lanceur et sur les installations de lancement. Durant le deuxième test en vol, le 18 novembre, la phase propulsée se déroule de manière nominale, sauf durant les 30 dernières secondes du vol du deuxième étage. Lors de son troisième vol, le 14 mars 2024, il se place pour la première fois sur la trajectoire quasi orbitale prévue. Si le lancement est un succès, le deuxième étage est détruit lors de la rentrée atmosphérique. À l'occasion du cinquième vol du lanceur complet le 13 octobre 2024, les bras de la tour de lancement attrapent en vol le premier étage SuperHeavy alors qu'il descend vers le sol, démontrant la faisabilité du concept de réutilisation rapide.

Le coût du lancement des engins spatiaux constitue un frein majeur au développement de l'activité spatiale. Dès la création de sa société SpaceX en 2002, son fondateur Elon Musk se donne pour objectif d'envoyer des hommes sur Mars, ce qui nécessite d'abaisser fortement ces coûts. SpaceX, après avoir monté en compétence lors de la mise au point du lanceur léger Falcon 1, développe la fusée Falcon 9, beaucoup plus puissante, qui introduit, pour la première fois sur une fusée opérationnelle, la réutilisation partielle, en l'occurrence celle du premier étage. Musk envisage le développement de fusées réutilisables encore plus puissantes dès 2010, mais les premiers développements ne débutent qu'en 2012. Le lanceur envisagé à cette époque a une architecture déjà éloignée de celle de la famille des lanceurs Falcon, tout en conservant certaines technologies, telles que les modalités de retour sur Terre et l'atterrissage à la verticale^[1],[2].

Lors de la conférence AIAA Joint Propulsion de 2010, la société SpaceX, qui est en train de mettre au point son lanceur Falcon 9 (le premier vol a eu lieu le 4 juin de cette année), présente pour la première fois le concept d'un lanceur super-lourd. Le Falcon X est un lanceur à deux étages de 75 mètres de haut et six mètres de diamètre dont le premier étage est propulsé par trois moteurs Merlin 2. Ce moteur est une évolution du moteurs Merlin 1D dont la poussée a été portée à 545 tonnes, ce qui en aurait fait l'un des moteurs les plus puissants jamais conçus. La poussée au décollage de la fusée est de 1 635 tonnes. Les spécifications du second étage sont moins précises. Pour le propulser, l'équipe de Tom Mueller, le concepteur du moteur Merlin 1, travaille sur un moteur-fusée brûlant un mélange LOx/LH2 qui est baptisé Raptor et développe une poussée d'environ 67 tonnes. Un lanceur encore plus puissant est envisagé, la fusée Falcon XX, haute d'environ 100 mètres et dont le premier étage est propulsé par six Merlin 2 (fournissant une poussée totale au décollage de 4 625 tonnes) et dont le diamètre est de 10 mètres^[3].

L'ensemble des lanceurs envisagés par SpaceX comprend alors la Falcon 9, en cours de mise au point, qui peut emporter 10,9 tonnes en orbite basse terrestre et dont le premier étage est propulsé par neuf Merlin 1D ; une variante de la Falcon 9 propulsée par un unique Merlin 2 (11,5 tonnes en orbite basse) ; la Falcon Heavy (trois premiers étages Falcon 9 jumelés), qui sera effectivement développée (32 tonnes) ; une variante de la Falcon Heavy propulsée par des Merlin 2 (34 tonnes) ; la Falcon X 38 tonnes ; la Falcon X Heavy comportant trois premiers étages jumelés (125 tonnes) ; et la Falcon XX (140 tonnes)^[4].

En 2012, le PDG et fondateur de SpaceX, Elon Musk, confirme que sa société travaille sur un lanceur super lourd, baptisé Mars Colonial Transporter^{[trad 5]}, conçu pour réaliser l'objectif du fondateur de SpaceX, à savoir la colonisation de la planète Mars. Peu de détails sont fournis par la suite sur ce projet, qui ne reçoit pas de confirmation officielle. Gwynne Shotwell, directrice des opérations de SpaceX, précise par la suite que l'entreprise travaille sur un nouveau lanceur de grande taille conçu pour être réutilisable et placer entre 150 et 200 tonnes sur une orbite basse terrestre^[3].

Plusieurs configurations, dont on a des échos indirects, sont étudiées par la suite. En 2014, l'architecture proposée par Tom Mueller semble l'emporter : la fusée, qui comporte trois premiers étages jumelés de 10 mètres de diamètre propulsés chacun par neuf moteurs-fusées Raptor ayant une poussée de 450 tonnes, peut placer 300 tonnes en orbite basse et 100 tonnes en orbite martienne. La fusée doit théoriquement pouvoir transporter 100 personnes jusqu'à la surface de Mars. L'architecture du Raptor, qui était initialement relativement simple, a beaucoup évolué. C'est désormais un moteur-fusée à la pointe de la technique d'environ 500 tonnes de poussée : il utilise un cycle à combustion étagée à flux complet (une technique qui n'a jusqu'à présent été mise en œuvre que sur des prototypes) et est caractérisé par une pression et une température dans la chambre de combustion très élevées , il reste néanmoins léger et peu coûteux à produire. Début 2015, Musk annonce une nouvelle architecture. La fusée comprend désormais un premier étage monobloc de grand diamètre propulsé par des Raptor dont la poussée a été divisée par deux (entre 250 et 270 tonnes). Bien que la charge utile ne soit pas annoncée, il semble manifeste que le premier étage devra comprendre plus d'une trentaine de moteurs pour atteindre la capacité de la fusée Saturn V du programme Apollo. Par ailleurs, les deux étages de la fusée sont réutilisables. Ils reçoivent des noms informels argotiques : BFR (Big Fucking Rocket, soit « Putain de Grosse Fusée », ou Big Falcon Rocket, soit « Grande Fusée Faucon ») pour le premier étage et Big Fucking Spaceship (« Putain de Gros Vaisseau ») pour le second. Fin 2015, les dimensions du lanceur sont précisées : il mesure 120 mètres de haut pour 15 mètres de diamètre tandis que sa masse atteint 10 500 tonnes, soit trois fois celle de la fusée Saturn V. Sa charge utile en orbite basse a été abaissée à 240 tonnes. Le deuxième étage (BFS) est haut de 60 mètres et est décliné en deux versions : l'une destinée à transporter la charge utile et l'autre destinée à ravitailler en ergols l'étage précédent une fois celui-ci placé sur une orbite basse terrestre. Le site de lancement envisagé est le pas de tir 39A du centre spatial Kennedy, mais des rumeurs d'une nouvelle base de lancement située au Texas près de la frontière avec le Mexique commencent à circuler^[3].

En septembre 2016, Elon Musk annonce le développement de l'Interplanetary Transport System (ITS, en français « Système de transport interplanétaire »)^{[Note 1]} lors du Congrès international d'astronautique de septembre 2016, qui se tient à Guadalajara au Mexique. C'est la première fois que le projet d'Elon Musk est porté à la connaissance des médias. Le lanceur décrit à cette occasion a des dimensions similaires à la version précédente (122 mètres de haut pour 12 mètres de diamètre) mais des capacités supérieures (300 tonnes en orbite basse pour la version récupérable et 550 tonnes pour la version non récupérable). Le premier étage est propulsé par 42 moteurs-fusées Raptor répartis sur trois cercles concentriques (21 sur la couronne extérieure, 14 sur la couronne intermédiaire et 7 au centre). Le deuxième étage est haut de 49,5 mètres et est propulsé par neuf Raptor (dont six optimisés pour le vide et trois optimisés pour le niveau de la mer). Les deux étages sont réutilisables. Le premier ne comporte pas de train d'atterrissage et est donc conçu pour atterrir sur le pas de tir. La structure est réalisée en composite carbone, un matériau utilisé habituellement uniquement sur des lanceurs légers. Les ergols (méthane et oxygène liquide) sont sous-refroidis de manière à accroître leur densité (technique mise en œuvre sur les Falcon 9) et les réservoirs utilisent un système de pressurisation autogène. Le moteur Raptor, dans sa version utilisée sur le premier étage, a une poussée de 311 tonnes (impulsion spécifique de 334 secondes avec une tuyère ayant un rapport de section de 40 et une pression dans la chambre de combustion de 300 bars). Dans la version optimisée pour le vide sur le deuxième étage, le moteur a une poussée de 357 tonnes (impulsion spécifique de 382 secondes avec une tuyère ayant un rapport de section de 200)^[3].

Évolution des caractéristiques du lanceur lourd de SpaceX^[3],[4]

Date	Désignation	Masse	Hauteur x diamètre	Charge utile en orbite basse	1er étage	2e étage	Autres caractéristiques
2010	Falcon XX	~4 000 t	100 × 10 m	140 t	6 Merlin 2	?
2012-2014	Mars Colonial Transporter	?	? × 10 m	300 t	3 x 9 Raptor	?	Trois premiers étages jumelés
2015				300 t	~30 Raptor	?	Premier étage monobloc
2015	BFR	10 500 t	120 × 15 m	240 t	~30 Raptor	?
2016	Interplanetary Transport System	10 500 t	122 x 12 m	300 t (réutilisable) 550 t (non réutilisable)	42 Raptor	9 Raptor	Poussée du Raptor : 357 t (au sol), structure en fibre de carbone
2017	BFR	4 400 t	105 × 9 m	150 t (réutilisable)	31 Raptor	6 Raptors	Poussée du Raptor : 170 t (au sol), structure en fibre de carbone
2018	Starship		118 × 9 m		31 Raptor	7 Raptor	Poussée du Raptor : 170 t (au sol), structure en acier inoxydable
2023		5 000 t	121 × 9 m	100 t (réutilisable) (en cible 150 t)	33 Raptor	6 Raptor	Poussée du Raptor : 235 t (au sol), structure en acier inoxydable

Une nouvelle évolution de la configuration du lanceur géant est annoncée par Elon Musk en septembre 2017 durant le Congrès international d'astronautique (IAC) qui se tient à Adélaïde en Australie. Pour la première fois, le projet de Musk connaît une audience planétaire. Le diamètre de la fusée géante passe de 15 à 9 mètres, soit moins que les 10 mètres de la Saturn V, tandis que sa hauteur est ramenée à 106 mètres. Sa masse atteint 4 400 tonnes et la fusée peut placer une charge utile de 150 tonnes en orbite terrestre basse. Le premier étage est propulsé par 31 Raptor dont la poussée n'est plus que de 170 tonnes (pression dans la chambre de combustion : 250 bars). Le second étage comporte six Raptor dont quatre sont optimisés pour l'utilisation dans le vide. L'étage comporte un moignon d'aile et son ravitaillement en ergols s'effectue par son extrémité arrière (côté baie moteurs). Pour la première fois est évoquée l'utilisation du lanceur pour le transport intercontinental de passager. En ce qui concerne la terminologie, les désignations ITS et MCT précédemment utilisées sont abandonnées. « BFR » désigne désormais à la fois le premier étage et le lanceur complet tandis que le deuxième étage est désigné par son acronyme « BFS ». Selon une infographie diffusée à l'époque par SpaceX, l'aller-retour entre la Terre et Mars nécessite cinq lancements dont quatre pour ravitailler le vaisseau (BFR) destiné à se poser à la surface de Mars. Ce vaisseau revient sur Terre après s'être ravitaillé sur Mars en utilisant les ressources locales^[3].

En septembre 2018, le projet évolue encore mais de manière moins radicale. La hauteur du lanceur passe à 118 mètres, principalement en raison de l'allongement du premier étage qui passe à 63 mètres. Le second étage utilise désormais 7 Raptor, qui sont tous optimisés pour le fonctionnement dans le vide. Ce dernier dispose de trois ailerons dont deux comportant des parties mobiles qui sont utilisées pour la rentrée atmosphérique, les manœuvres à vitesse hypersonique et l'atterrissage (deux des ailerons servent de train d'atterrissage). SpaceX confirme que le seconde étage, après une descente planée à travers l'atmosphère, utilisera ses moteurs pour se poser verticalement. Comme dans les versions précédentes, le fuselage doit être réalisé en fibre de carbone. Ce choix est controversé, car ce matériau, qui présente l'avantage d'être plus léger que l'aluminium utilisé habituellement, est difficile à mettre en forme et présente certaines incompatibilités avec les ergols cryogéniques^[3].

En octobre 2018, une décision aux implications particulièrement importantes est annoncée. Le composite carbone est abandonné au profit de l'acier inoxydable. Ce matériau n'est généralement pas utilisé dans le domaine aérospatial à cause de sa densité plus élevée que celle de l'aluminium, mais il est beaucoup moins cher à usiner, car il n'a pas besoin de machines-outils ou d'installations sophistiquées. Pour Musk, ce choix technique est adapté aux installations industrielles très simples du site de Boca Chica au Texas, qui a été choisi pour construire et lancer les premiers prototypes du lanceur géant. Ce matériau, si on le compare aux alliages d'aluminium et à la fibre de carbone, se comporte bien aux températures cryogéniques des réservoirs et face aux chaleurs élevées que le deuxième étage est appelé à rencontrer lors de la rentrée atmosphérique. Cette dernière caractéristique permet d'éliminer la nécessité d'une protection thermique sur la face du deuxième étage qui n'est pas directement exposée aux forces de friction durant la rentrée dans l'atmosphère^[3],[5]. Un mois plus tard, le lanceur géant est rebaptisé Starship (en français « vaisseau des étoiles »). Le premier étage BFR prend le nom Super Heavy (« super lourd ») tandis que le deuxième étage reprend, comme précédemment, le nom du lanceur tout entier, parfois abrégé en Ship (« vaisseau »)^[3].

Par la suite, les évolutions de la configuration du lanceur relèvent d'ajustements qui sont appliqués directement aux prototypes que SpaceX commence à construire sur sa base de Boca Chica. Ce sont notamment l'agrandissement des panneaux de stabilisation du premier étage, le remplacement des Raptor V1 par une version plus puissante et moins coûteuse à produire, le nombre de Raptor propulsant le premier étage qui passe de 29 à 33 et l'introduction d'un anneau inter-étage permettant une séparation à chaud des deux étages. En 2023, le lanceur Starship, dont la masse atteint 5 000 tonnes, la poussée au décollage 7 600 tonnes et les dimensions 120 mètres (hauteur) sur 9 mètres (diamètre), est annoncé comme ayant une capacité de 100 tonnes dans sa version réutilisable en orbite basse, qui doit être portée à terme à 150 tonnes^[3].

Au début des années 2020, l'agence spatiale américaine, la NASA, a fixée la date du retour des hommes à la surface de la Lune à 2028 sans toutefois détailler une programmation. À l'instigation du président américain Donald Trump, cette date est avancée de quatre ans (2024). La NASA met sur pied le programme Artemis, qui englobe l'ensemble des développements nécessaires ainsi que les futures missions lunaires. Pour respecter ces échéances serrées, la NASA se tourne vers le secteur privé pour développer le vaisseau lunaire qui doit déposer l'équipage à la surface de la Lune, l’héberger durant son séjour, puis le ramener en orbite lunaire. L'agence élabore un cahier des charges qui comprend deux niveaux d’exigence (missions antérieures à 2026 et postérieures à cette date). Pour ces dernières, le vaisseau lunaire doit notamment pouvoir déposer jusqu'à quatre astronautes à la surface de la Lune, atteindre les latitudes polaires, réaliser jusqu'à cinq sorties extravéhiculaires et séjourner plus de huit jours sur la Lune^[6],[7].

Le processus de sélection est effectué en deux temps. Trois sociétés sont pré-sélectionnées en avril 2020 : Blue Origin, qui reçoit 579 millions US$ pour détailler son offre, Dynetics, qui reçoit 253 millions US$, et SpaceX, qui reçoit 135 millions US$. Les caractéristiques des propositions sélectionnées sont les suivantes^[8],[9],[10] :

• la proposition de Blue Origin est la plus classique. Elle s'inspire du module lunaire Blue Moon et reprend l'architecture à deux étages du Module lunaire Apollo. Les deux étages sont propulsés par un moteur BE-7 du constructeur. Un troisième module de transfert est chargé d'abaisser l'orbite du vaisseau lunaire de l'orbite NRHO (sur laquelle se trouvent la station spatiale lunaire et le vaisseau Orion) vers l'orbite lunaire basse. Cette version du HLS doit être placée en orbite par le lanceur lourd New Glenn de Blue Origin ou à défaut par le lanceur Vulcan ;
• Dynetics propose un engin comprenant deux modules, dont le module de transfert et le module lunaire proprement dit combinant le rôle de l'étage de descente et de l'étage de remontée. Le DHLS comporte deux réservoirs largables, ce qui simplifie la conception. Les réservoirs sont placés de part et d'autre de la cabine pressurisée afin de réduire la hauteur au-dessus du sol. Les sociétés Sierra Nevada et Thales Alenia Space participent en tant que sous-traitants ;
• SpaceX propose le vaisseau lunaire Starship HLS mono-module (pas d'étage de descente et de remontée séparés), dérivé de son vaisseau Starship. Celui-ci doit être placé sur une orbite terrestre par un étage Starship sur une orbite basse, puis ravitaillé sur cette orbite par plusieurs vaisseaux Starship avant de gagner sans équipage la Lunar Gateway en orbite lunaire, où le vaisseau récupère l'équipage. Le vaisseau Starship lunaire se pose sur la Lune puis redécolle par ses propres moyens. Le vaisseau se distingue des deux autres par le fait qu'il remplit immédiatement les exigences de réutilisabilité prévues par la NASA dans le cadre de la deuxième phase du programme Artemis, au prix d'une grande complexité^[11].

Le 16 avril 2021, la NASA sélectionne la proposition de SpaceX (Starship HLS) pour le développement et le lancement des deux premières missions^[12],[11]. 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^[13],[14].

Le développement du lanceur est effectué en utilisant une méthode itérative et incrémentale. Après le développement du Starhopper en 2019 qui permet de tester la phase finale de l'atterrissage du deuxième étage Starship, les prototypes de cet étage, désignés SN1 à SN6, sont utilisés pour mettre au point le processus de fabrication des réservoirs d'ergols. Les exemplaires SN8 à SN15 sont utilisés pour tester l'ensemble de la phase de retour au sol du deuxième étage. Après plusieurs échecs, ces développements s'achèvent par le vol réussi du SN15 en mai 2021. Les travaux se concentrent par la suite principalement sur le développement du premier étage Super Heavy. Un premier lanceur complet, constitué de Booster 4 (nomenclature utilisée pour le premier étage) et Ship 20 (nomenclature utilisée pour le second étage), est construit pour effectuer le premier vol d'essai, mais il est finalement abandonné pour intégrer plusieurs modifications. Celles-ci sont apportées à la version Booster 7/Ship 24 entre fin 2021 et début 2022 et cet ensemble est déplacé sur le pas de tir fin mars 2022. La campagne de test qui s'ensuit met en évidence plusieurs dysfonctionnements qui sont corrigés. Un test de mise à feu du premier étage sur sa rampe de lancement effectué le 11 juillet déclenche une énorme explosion provoquée par des concentrations de méthane non brûlé à la base du lanceur. Un essai statique de mise à feu de 31 des 33 moteurs du premier étage, qui a lieu le 9 février 2023, est cette fois un succès^[15].

La société SpaceX déclare en 2021 aux autorités américaines qu'elle prévoit de déployer environ 30 000 satellites Starlink de deuxième génération caractérisés par une masse nettement supérieure (1,2 tonne contre 200 kg pour la génération précédente). Pour placer en orbite ces satellites, SpaceX prévoit d'utiliser le lanceur Starship dans une version cargo capable de déployer d'un seul coup une soixantaine de satellites. Outre l'économie réalisée au niveau du coût du lancement, cette solution doit permettre de raccourcir la mise en service des satellites de plusieurs mois à quelques semaines^[16].

Tout au long du développement du lanceur, Elon Musk rappelle régulièrement que la finalité de celui-ci est de mener le projet de colonisation de Mars qui lui tient à cœur. Ainsi en 2020, il annonce qu'un lanceur sans équipage pourrait effectuer un atterrissage sur la planète Mars quatre ans plus tard^[17].

L'utilisation du Starship, d'une grande complexité pour tenir le modèle économique qui nécessite la récupération de l'étage supérieur et pour respecter le scénario des missions lunaires du programme Artemis, nécessite la validation de nombreuses phases de vol : mise en orbite de l'étage supérieur Starship, récupération au sol du premier étage Super Heavy sur son pas de tir, récupération au sol du deuxième étage, ravitaillement de l'atterrisseur Starship en ergols cryogéniques au niveau de l'orbite terrestre basse (une première depuis le début de l'ère spatiale), atterrissage et décollage de la surface de la Lune.

Le premier vol d'essai orbital du lanceur complet a lieu le 20 avril 2023. Le lanceur utilisé comprend le premier étage B7 et le deuxième étage Ship 24. Il est prévu que le lanceur effectue un vol suborbital, le deuxième étage devant effectuer pratiquement un tour complet autour de la Terre avant de rentrer dans l'atmosphère et d'amerrir de manière contrôlée dans l'océan Pacifique près d'Hawaï. Après un vol de près de neuf minutes, le second étage devait atteindre une vitesse proche de celle de la mise en orbite et une altitude d'environ 235 kilomètres^{[18],[19],[20],[21]}. Le premier étage Super Heavy doit de son côté, après sa séparation avec le second étage, effectuer un amerrissage contrôlé dans le golfe du Mexique à environ 30 km au large des côtes du Texas^[22]. Les deux étages devaient ensuite couler, aucune récupération n'étant prévue.

Mais les problèmes débutent dès le décollage qui s'effectue avec seulement 30 des 33 moteurs-fusées en fonctionnement, soit le minimum permettant à la fusée de décoller. Les trois moteurs en panne n'ont pas été mis en marche parce que le système a considéré qu'ils n'étaient pas capables de fonctionner normalement. La dissymétrie de la poussée induite entraîne dès le décollage une inclinaison du lanceur non souhaitée par rapport à la verticale qui aurait pu entraîner des dégâts sévères sur la table de lancement. Des événements anormaux se produisent immédiatement après le décollage au niveau de la baie moteurs. 27 secondes après le décollage, le flux de données en provenance du moteur numéro 19 est interrompu. Des anomalies de fonctionnement déclenchent des phénomènes visibles dans la section arrière par la suite. À t+85 secondes, les communications avec le moteur numéro 6, qui contribue à l'orientation de la poussée, sont perdues. En conséquence, le système de guidage de la fusée ne parvient plus à maintenir l'orientation de celle-ci et la fusée commence à culbuter. Le système de destruction (FTS) est déclenché, mais celui-ci ne parvient pas à démantibuler le lanceur qui se désintègre de lui-même au bout de 40 secondes (illustrant au passage la rigidité de la structure en acier inoxydable) sous l'action combinée des forces de traînée. Faute d'un système de déluge (celui-ci n'a pas encore été installé), la surface du pas de tir a été ravagée par les gaz expulsés au décollage, d'énormes blocs de béton volant dans les airs. Certains réservoirs verticaux, situés à proximité du pas de tir, ont été impactés par des projectiles^{[23],[24],[25]}.

La deuxième tentative de vol IFT-2 (Integrated Flight Test 2) est programmée pour le 18 novembre 2023 après plusieurs tests statiques du premier étage B9 (essai du 6 août interrompu et test du 23 août) et de l'étage supérieur S25 (28 juin) qui seront utilisés. Ce deuxième vol poursuit les mêmes objectifs que le test d'avril. Des leçons ont été tirées des échecs de la tentative du 20 avril. Selon SpaceX, près de 1 000 corrections ou améliorations ont été apportées et les 63 demandes de correction des autorités réglementaires américaines (FAA) ont été traitées. Le système d'autodestruction FTS (Flight Termination System) défaillant a été remplacé (au lieu de charges explosives ponctuelles, les réservoirs sont éventrés), les systèmes d'orientation des tuyères reposant sur l'hydraulique ont été remplacés par des moteurs électriques plus simples. Des systèmes de purge plus efficaces ont été montés à la base des moteurs pour prévenir les incendies qui avaient entraîné l'arrêt prématuré de certains d'entre eux. Une nouvelle procédure de séparation des étages à chaud (la propulsion du deuxième étage est mise à feu avant la séparation des étages) est adoptée, qui comprend la mise en place d'un anneau inter-étages de plusieurs tonnes permettant de faire passer les flammes et de protéger le réservoir supérieur du premier étage. Le pas de tir sévèrement endommagé par le premier tir a été remis en état et le système de déluge a été mis en place pour réduire le choc acoustique au moment de la mise à feu de la fusée^[26].

Le vol du premier étage Super Heavy se déroule comme prévu : les 33 moteurs Raptor fonctionnent à pleine puissance jusqu'à la séparation des deux étages qui intervient 2 minutes et 48 secondes après le décollage à 75 kilomètres d'altitude alors que la fusée a acquis une vitesse de 5600 km/h. Il était prévu, qu'après son utilisation, le premier étage revienne en position verticale au-dessus des eaux du golfe du Mexique, et qu'après avoir plané un court moment au-dessus de la surface, il bascule et coule. Mais peu après la séparation des deux étages, la manœuvre de retournement de l'étage (boostback) qui permet d'entamer la rentrée atmosphérique ne se déroule pas de manière nominale, car certains des moteurs qui devaient être utilisés pour cette opération s'éteignent et l'étage explose peu après. L'origine de ce dysfonctionnement reste à confirmer, mais il semblerait que la décélération de l'étage au moment de la séparation ait déclenché des mouvements des ergols dans les réservoirs qui auraient par effet bélier endommagé ceux-ci et entraîné l'explosion finale. Par contre, la séparation à chaud et la mise à feu des moteurs du deuxième étage se déroulent comme prévu et le vol de celui-ci se déroule initialement sans anomalie. Mais huit minutes et cinq secondes après le décollage et 28 secondes avant l'extinction des moteurs, alors que la fusée a atteint une vitesse de 24 100 km/h et se trouve à une altitude de 148 kilomètres, le centre de contrôle de SpaceX perd le contact avec le lanceur. Le système d'autodestruction a été déclenché automatiquement. Il était prévu que l'étage supérieur Starship effectue une rentrée atmosphérique au-dessus de l'océan Pacifique au large des îles Hawaï et plonge en position horizontale dans ses eaux, mais les restes de l'étage tombent au large des Îles Vierges britanniques. Si le déroulement du test n'est pas un succès total, il marque un progrès sensible en permettant de valider le fonctionnement du premier étage, de la séparation à chaud et du fonctionnement du deuxième étage sur une bonne partie de son domaine de vol. Les modifications effectuées sur le pas de tir pour atténuer les conséquences du décollage semblent avoir rempli leur office, car peu de dégâts sont visibles après le lancement^{[27],[28],[29],[30],[31]}.

Le Starship est haut de 121 mètres pour un diamètre quasi constant de neuf mètres. Sa masse au décollage est d'environ 5 200 tonnes et la poussée est de 7 750 tonnes (rapport poussée sur poids de ~150%). Le lanceur peut placer dans sa version réutilisable une charge utile d'une masse comprise entre 100 et 150 tonnes sur une orbite terrestre basse et environ 250 tonnes en version non réutilisable.

Le Starship (aussi nommée Starship Super Heavy) se compose de deux étages : le propulseur Super Heavy (première étage) et le vaisseau spatial Starship (second étage). Le premier étage est commun à toutes les configurations envisagées. Le deuxième a des caractéristiques variables selon le type de mission (six versions sont envisagées) et joue le rôle d'étage de fusée tout en incorporant la charge utile^[32]. Compte tenu de la méthode itérative et incrémentale utilisée par SpaceX, les caractéristiques décrites ci-dessous, qui sont celles de l'exemplaire ayant volé en novembre 2023, sont susceptibles d'être modifiées par la suite.

Que ce soit par la masse, les dimensions ou la poussée au décollage, le Starship dépasse tous les autres lanceurs superlourds passés, opérationnels ou en développement :

Comparaison du Starship avec les principaux lanceurs super lourds^{[33],[34],[35],[36],[37]}

Lanceur	Premier vol	Masse	Hauteur	Poussée au décollage	Charge utile Orbite basse	Statut
Starship	2023	5 200 t	121 m	76 000 kN 7750 t.	100 t à 150 t¹	En cours de qualification
Saturn V	1967	3 038 t	110 m	34 000 kN 3410 t.	140 t	Retiré du service
SLS Block II	2025	2 948 t	111 m	42 200 kN 4300 t.	130 t	En développement
SLS Block I	2022	2 628 t	98 m	32 000 kN 3990 t.	70 t	Opérationnel
Navette spatiale américaine	1981	2 030 t	56,1 m	34 800 kN 3550 t.	109 t ²	Retiré du service
Falcon Heavy	2018	1 421 t	70 m	22 819 kN	64 t ³	Opérationnel
Energuia	1987	2 371 t	58 m	39 472 kN	105 t	Retiré du service
N-1	1969	2 735 t	103 m	46 000 kN 4500 t.	95 t	Retiré du service
Longue Marche 9	~2030	4 180 t	114 m	6 000 t	150 t	En développement
¹ Version réutilisable et ne comprenant pas la masse de l'étage Starship satellisé ; ² Charge utile + navette spatiale ; ³sans récupération

Super Heavy est le premier étage (Booster) du Starship. Il est haut de 71 mètres, a un diamètre de 9 mètres et une masse au décollage de 3 600 tonnes^[32]. La masse à vide de l'étage, qui est évaluée à 260 tonnes, sera comprise en cible, selon Elon Musk, entre 160 et 200 tonnes dont 80 tonnes pour les réservoir et huit pour l'anneau inter-étage. Sa structure est réalisée en acier inoxydable de type 304L de 4 mm d'épaisseur^{[Note 2]}. L'étage comporte quatre sections qui sont en allant de bas en haut : la baie de propulsion à la base de laquelle sont fixés les moteurs, le réservoir de méthane liquide qui peut en contenir 800 tonnes, le réservoir d'oxygène liquide dont la contenance est de 2 800 tonnes et enfin l'anneau inter-étages. Quatre protubérances verticales (ailettes) courant le long du tiers inférieur de l'étage abritent notamment des bouteilles bonbonnes d'hélium sous pression (COPV) utilisés pour démarrer les turbopompes des 13 moteurs répartis sur les deux couronnes intérieures au moment du décollage, mais également lors du redémarrage de ces moteurs lors de la phase du retour au sol de l'étage^{[Note 3]}. Les ailettes dissimulent également des bonbonnes de dioxyde de carbone. Celui-ci est injecté de manière continue dans la baie de propulsion pour étouffer tout début d'incendie. Au sommet, on trouve également des antennes Starlink qui permettent de transmettre les télémesures aux satellites éponymes qui relaient les données au centre de contrôle de SpaceX. L'alimentation en ergols, en gaz et autres se fait par un ensemble de prises situées à la base de l'étage sur lequel vient se connecter le Quick Disconnect Mechanism (QSD) qui est fixé au bout sur la table de lancement. C'est par là que transite l'azote et les ergols d'abord à l'état gazeux puis à l'état liquide qui viennent remplir les réservoirs^[38].

L'étage Super Heavy est propulsé par 33 moteurs-fusées à ergols liquides Raptor alimentés par un mélange de dioxygène liquide et de méthane liquide qui produisent une poussée au décollage de 76 000 kN (7 750 t). Ces moteurs sont disposés en trois cercles concentriques à la base de l'étage : vingt moteurs forment la couronne extérieure et ne sont utilisés que durant l'ascension de l'étage ; dix moteurs situés sur la couronne intermédiaire ont la particularité d'être orientables grâce à des moteurs électriques^{[Note 4]}. La modification de leur orientation permet de contrôler la trajectoire de la fusée. Ils sont utilisés durant la phase ascensionnelle et durant la manœuvre déclenchant le retour vers la Terre. Enfin, les trois moteurs centraux également orientables sont utilisés durant l'ascension mais également durant les phases propulsées du retour au sol : pour le déclenchement du retour vers la Terre et pour annuler la vitesse résiduelle à l'atterrissage. Par ailleurs, des moteurs à gaz froid (azote) dont les tuyères sont réparties à la surface du corps de l'étage sont utilisées pour contrôler l'orientation durant les phases non propulsées^[39],[32].

L'étage Super Heavy comporte quatre réservoirs de carburant, répartis en deux réservoirs principaux et deux réservoirs auxiliaires situés à la base du réservoir d'oxygène (juste au-dessus de la baie moteur). Les deux réservoirs auxiliaires, beaucoup plus petits, sont utilisés lors des phases de retour sur Terre. Compte tenu de leur petite taille, ils permettent le maintien sous pression du carburant qui doit alimenter les moteurs en situation d'apesanteur (lors des phases de redémarrage des moteurs) en évitant le ballottement des ergols, qui peut induire la formation de bulles et entraîner le « calage » des moteurs ou une cavitation destructrice dans les turbopompes^[39].

L'étage Super Heavy est réutilisable. Le retour au sol se fait d'une manière similaire à celui du premier étage du lanceur Falcon 9 : il a recours au déclenchement et à l'arrivée à la propulsion et durant l'ensemble du vol à quatre panneaux de stabilisation (grid fins). Ceux-ci sont répartis sur le pourtour de l'étage, immédiatement en dessous de l'anneau inter-étages. Ces panneaux sont répartis en deux paires comprenant chacune deux panneaux espacés de 60 degrés. Entre ces deux paires, de part et d'autre, se trouvent les deux points d'attache qui sont utilisés pour déplacer l'étage lors de l'assemblage sur le pas de tir et qui sont attrapés "en vol" par les bras de la tour d'intégration lors du retour sur Terre de l'étage. Les panneaux de stabilisation sont en position déployée dès le lancement pour éliminer des mécanismes de déploiement, source de complexité et de facteur de risque, et masse supplémentaire. Ils sont orientables à l'aide de moteurs électriques. Ils sont utilisés pour contrôler l'orientation et la vitesse de l'étage lors du retour sur Terre avant un atterrissage propulsif sur le pas de tir. Contrairement à l'étage de la fusée Falcon 9, l'étage ne comporte pas de train d'atterrissage pour se poser au sol sur une base stable : dans la phase finale de la descente, il est attrapé par les bras situés sur la tour de lancement qui le déposent sur la table de lancement. Ce processus audacieux doit permettre « 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 ». Si cette technique ne fonctionne pas, SpaceX prévoit de revenir à un train d'atterrissage (landing legs) classique similaire à celui de la Falcon 9 et de la Falcon Heavy^{[40],[39],[38]}.

Un anneau inter-étages de forme cylindrique et haut d'environ deux mètres est intercalé entre les deux étages et solidaire du premier étage. Il permet de mettre à feu la propulsion du second étage avant la séparation des deux étages (séparation à chaud). Cette solution a été adoptée à compter du deuxième vol d'essais pour faciliter cette séparation. Les gaz expulsés sont éjectés via les perforations, ce qui permet de limiter le temps mort entre l'extinction de la propulsion du premier étage et la poussée à pleine puissance de la propulsion du deuxième étage. Ses parois verticales comprennent de larges perforations et il comprend également un bouclier thermique qui protège des flammes et de la chaleur le réservoir supérieur du premier étage.

Starship, dont l'appellation est identique à celle du lanceur complet, ou plus simplement Ship, constitue l'étage supérieur de la fusée Super Heavy et comprend la charge utile (espace pour les équipages ou pour des satellites placés en orbite). Sa configuration dépend en partie du type de mission que le lanceur doit assurer (ravitaillement, atterrisseur lunaire, ravitaillement en ergols du dépôt en orbite basse,...). Dans la configuration utilisée pour la mise au point du lanceur, il mesure 50 mètres de haut et 9 mètres de diamètre et peut emporter 1 200 tonnes d'ergols. Sa masse à vide est d'environ 125 tonnes (masse totale 1 325 tonnes) et la poussée de sa propulsion est de 1 500 tonnes soit un ratio poussée/poids de 1,2. Le volume disponible pour la charge utile est situé au sommet de l'étage et occupe pratiquement un tiers du volume intérieur. Avec un diamètre de 8 mètres pour une hauteur de 18 mètres, l'espace dégagé représente un volume de 1 000 m³, à peu près équivalent à celui de la Station spatiale internationale^{[Note 5]}. La structure de l'étage est entièrement réalisée en acier inoxydable de type 304L de 4 mm et 3,6 mm. Le deuxième étage est fixé au premier étage par trois points d'attache avec un système de verrou actionné mécaniquement. Contrairement au système utilisé sur la Falcon 9, il n'y pas de piston écartant les deux étages après le déverrouillage. L'alimentation en ergols, en gaz... se fait par un ensemble de prises situées à la base de l'étage sur lequel vient se connecter le Quick Disconnect Mechanism (QSD) qui est fixé au bout d'un bras mobile sur la tour d'intégration. C'est par là que transite l'azote et les ergols d'abord à l'état gazeux puis à l'état liquide qui viennent remplir les réservoirs^[39],[32].

L'étage est réutilisable et revient au sol après sa mission, en contrôlant sa trajectoire à l'aide de quatre volets de stabilisation (deux à l'avant et deux à l'arrière) orientables grâce à des moteurs électriques ainsi qu'avec sa propulsion. Cet étage est propulsé par six moteurs-fusées Raptor fixés à la base de l'étage et qui brûlent un mélange de dioxygène liquide et de méthane liquide. Trois d'entre eux, distribués sur la périphérie, sont optimisés pour le vide grâce à leur longue tuyère. Les trois autres, placés en position centrale, qui sont les seuls à être orientables et rallumables sont similaires aux Raptor du premier étage (tuyère courte). Ils sont utilisés non seulement pour l'ascension mais également pour le vol de retour au sol (dont le freinage final). Par ailleurs, des moteurs à gaz froid (azote) dont les tuyères sont réparties à la surface du corps de l'étage sont utilisés pour contrôler l'orientation durant les phases non propulsées^[39],[32].

L'étage Starship comporte quatre réservoirs de carburant, répartis en deux réservoirs principaux et deux réservoirs auxiliaires situés à son sommet. 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. Starship pouvant être amené à effectuer de longs séjours dans l'espace, la petite taille des réservoirs auxiliaires 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^[41].

Le deuxième étage Starship, dans la configuration utilisée pour la mise au point du lanceur^{[Note 6]}, comporte un bouclier thermique sur sa partie ventrale (y compris les ailerons) ainsi que sur la pointe avant^{[Note 7]}, qui le protège de la chaleur lors de sa rentrée atmosphérique. Celui-ci est composé de tuiles thermiques épaisses (plusieurs centimètres) de forme hexagonale, mais dont on ne connaît pas la composition ni le mode de fonctionnement (céramique ?, absorption ou renvoi de la chaleur ?). Lors d'un test, les tuiles thermiques ont résisté à des températures de 1 376,85 °C. Elles sont fixées sur la paroi métallique du vaisseau, mais séparées de celle-ci par une couche de laine minérale, isolant supplémentaire. Si des tuiles thermiques subissent une dégradation, des systèmes de refroidissement supplémentaires seront rajoutés pour protéger l'engin spatial^[42]. Par ailleurs, la structure de l'étage est principalement composée d'acier, alliage bien plus résistant à la chaleur que les alliages d'aluminium utilisés sur les autres véhicules spatiaux, telle la navette spatiale américaine, en raison de la différence de masse volumique entre les deux.

La structure n'est pas suffisamment rigide pour supporter son poids lorsque les réservoirs sont vides. Ceux-ci sont remplis en permanence d'azote maintenu à une pression de plusieurs bars. Cet azote est chassé des réservoirs avec les ergols à l'état gazeux immédiatement avant le remplissage de l'étage. Durant la phase propulsive, la pression est maintenue dans les réservoirs par un système de pressurisation autogène : une faible fraction des ergols passe dans un échangeur de chaleur situé dans la baie moteur. Les ergols qui passent de l'état liquide à l'état de gaz fortement pressurisé, sont amenés par des conduites circulant à l'extérieur du corps de l'étage au sommet des réservoirs où ils sont réinjectés^[38],[39].

Les deux étages du Starship sont propulsés par des moteurs-fusées à ergols liquides Raptor développés par SpaceX. Ces moteurs, hauts de 3,1 mètres pour un diamètre de 1,3 mètre, utilisent un cycle à combustion étagée à flux complet^{[Note 8]} particulièrement performant. Ces moteurs brûlent un mélange de méthane liquide et d'oxygène liquide (LOX). Le méthane permet des performances (impulsion spécifique) relativement proches du kérosène et remplace désormais fréquemment ce dernier dans les moteurs développés récemment parce qu'il encrasse moins les moteurs et facilite donc leur réutilisation. Par contre, contrairement au kérosène qui est stocké à température ambiante, il doit être refroidi pour être stocké à l'état liquide. La pression dans la chambre de combustion est très élevée, à 300 bars, ce qui contribue à sa performance. L'impulsion spécifique atteint 382 secondes dans le vide et la poussée 3 millions de Newtons. Le ratio carburant sur comburant est environ de 3,8. Ces moteurs sont conçus pour être réutilisables après théoriquement une brève inspection, ce qui contribue de manière substantielle à l'abaissement des coûts de lancement^[43],[44].

Comparaison du Raptor avec des moteurs de poussée équivalente^{[45],[46],[47],[48],[49],[50],[51]}

Moteur	Lanceur	Poussée	Impulsion spécifique	Ratio poussée/ poids	Pression	Ergols	Cycle alimentation
Raptor	Starship	2400 kN	~350 s.	200 (but)	300 bars	Méthane/Oxygène	combustion étagée à flux complet
BE-4	New Glenn Vulcan	2400 kN	339 s.	?	134 bars	Méthane/Oxygène	combustion étagée enrichi en oxygène
RD-180	Atlas V	4152 kN	338 s.	78,44	267 bars	Kérosène/Oxygène	combustion étagée enrichi en oxygène
RD-191	Antares Angara	2090 kN	337,5 s.	89	258 bars	Kérosène/Oxygène	combustion étagée enrichi en oxygène
RS-25	SLS	2280 kN	453 s.	73	206 bars	Hydrogène/Oxygène	combustion étagée enrichi en carburant

Le 4 avril 2024, Elon Musk a fourni une mise à jour sur Starship, où deux nouvelles versions de Starship ont été annoncées : Bloc 2 et Bloc 3.

À compter du 19 novembre 2024, Le bloc 1 a été retiré mais a été utilisé pour les 6 premiers vols d'essais quasi orbital.

À compter d’avril 2024, les spécifications exactes ne sont pas connues pour la version Bloc 2. Cependant, cette version de Starship comportera des ailerons avants, plus petites, avec une position aérodynamique différente ; une augmentation de 25% de la capacité de propergol ; une jonction inter-étage ventilée et une poussée de propulsion plus importante. Starship Bloc 2 aura une hauteur totale de 3,1 mètres plus haut que la précédente version (Bloc 1), et devrait avoir une capacité de charge utile d’au moins 100 tonnes en orbite lorsqu’il sera réutilisé. De plus, la version Bloc 2 utilisera les nouveaux moteurs "Raptor 3", ce qui éliminera le besoin d’un blindage secondaire du moteur. Cependant, le premier vaisseau spatial du Bloc 2, le S33, a reçu des moteurs Raptor 2. La capacité de fabrication du Bloc 2 est devenue possible lorsqu’une grande partie de la base de production a été mise en service en 2024. Starship Bloc 2 sera utiliser pour la première fois lors du septième vol d'essai.

À partir de juin 2024, la configuration finale du Bloc 3 est inconnue. La configuration la plus récente, telle qu’elle est décrite dans les documents réglementaires soumis à la FAA, a une hauteur de 150 mètres. Le deuxième étage du Starship sera équipé de 9 moteurs Raptor, tandis que le booster Super Heavy en aura jusqu’à 35. Il est prévu qu'il ai une capacité de charge utile d’au moins 200 tonnes en orbite lorsqu’il sera réutilisé.

Les principales pièces structurelles du lanceur sont fabriquées et assemblées à proximité immédiate du pas de tir. En ce qui concerne la base de lancement de Boca Chica (SpaceX Starbase), le site de fabrication, baptisé Starfactory, comprend notamment en 2023 trois bâtiments de grande taille où s'effectue l'assemblage final des deux étages du lanceur (deux bâtiments Mega Bay pour l'assemblage de l'étage Super Heavy et un bâtiment High Bay pour l'assemblage du second étage). Les moteurs-fusées Raptor sont quant à eux fabriqués sur le site de Hawthorne en Californie, siège et principal site de production de SpaceX. Ces moteurs sont testés sur des bancs d'essais situés à McGregor au Texas. Ce dernier site doit héberger une deuxième chaîne de fabrication des moteurs Raptor.

Le lanceur Starship peut décoller depuis deux bases de lancements : la base de lancement de Boca Chica (SpaceX Starbase) située sur la côte du golfe du Mexique dans l'état du Texas à la frontière avec le Mexique et le complexe de lancement 39A du centre spatial Kennedy en Floride.

La base de lancement de Boca Chica est un site entièrement nouveau développé par SpaceX dans une région faiblement peuplée située à 40 kilomètres à l'ouest de la ville de Brownsville. La base, acquise en 2014^[52], a d'abord servi à assembler et tester les nombreux prototypes du Starship. Elle est devenue véritablement opérationnelle en février 2023 avec le lancement de la première fusée Starship. À terme, la base de lancement pourrait comprendre deux pas de tir. Pour les lancements, cette base est toutefois fortement handicapée car les fusées ne peuvent être lancées que dans un azimut très étroit qui les fait survoler le détroit séparant Cuba de la Floride tout en évitant de passer au-dessus des nombreuses plateforme d'extraction et de production pétrolières présentes dans le golfe du Mexique^[39].

La construction d'un second pas de tir en Floride sur le complexe de lancement 39A, qui avait servi pour le lancement de plusieurs missions Apollo, de la station spatiale Skylab ainsi que de nombreuses navettes spatiales, a débuté en 2019^[53] et était toujours en cours en 2023.

Les installations de lancement orbital (Orbital Launch Site) comprennent la table de lancement, la tour d'assemblage et différents systèmes de stockage d'ergols et d'autres gaz et liquides nécessaires pour le lancement.

La table de lancement OLM (Orbital Launch Mount) a la forme d'un gigantesque tabouret à six pieds, haut d'environ 18 mètres, sur lequel est assemblé le lanceur et qui doit supporter tout son poids (> 5000 tonnes) une fois les réservoirs d'ergols remplis. La base du lanceur repose sur 20 mâchoires (autant que de moteurs sur la couronne extérieure) qui sont équipées de capteurs permettant de vérifier juste avant le décollage que les moteurs exercent une poussée équilibrée. Si ce n'est pas le cas, le décollage est interrompu. À côté de chacune des mâchoires, une prise permet d'injecter de l'hélium, qui met en route les turbopompes des 20 moteurs externes lors de leur allumage. Les mâchoires comme les conduites d'hélium se rétractent dans la structure de la table de lancement dès que la fusée commence à décoller. La table de lancement comprend également un Quick Disconnect Mechanism (QSD) qui permet l'alimentation en ergols et différents fluides le deuxième étage^[39].

La tour d'intégration, surnommée Mechazilla, est haute de 145 mètres. Sa structure en acier de section carrée est constituée de quatre colonnes reliées entre elles par des entretoises. Elle remplit deux rôles : d'une part assembler le lanceur sur la table de lancement en le maintenant en position verticale et contribuer au remplissage des réservoirs de la fusée et d'autre part récupérer le premier étage lors de son retour sur Terre. Les deux branches d'une pince géante articulée pouvant coulisser le long de la tour sont utilisés pour l'assemblage du lanceur et pour la récupération des étages lors de leur retour sur Terre. La tour d'intégration comprend également un Quick Disconnect Mechanism (QSD) qui permet l'alimentation du deuxième étage en ergols et différents fluides^[54].

Les ergols utilisés par les moteurs-fusées du lanceur (oxygène et méthane à l'état liquide) ainsi que l'azote qui permet de maintenir sous pression les réservoirs du lanceur lorsqu'ils sont vides et l'eau utilisé par le système de déluge sont stockés dans des réservoirs cylindriques à proximité immédiate du pas de tir. Ces installations comprennent également des équipements permettant d'abaisser la température de l'oxygène et du méthane liquide pour augmenter leur densité et permettre au lanceur d'en emporter une plus grande quantité.

Le système de déluge installé après le premier test en vol du lanceur, qui avait entrainé au décollage des dégâts importants sur le site de lancement, remplit deux objectifs : réduire le choc acoustique subi par le lanceur au décollage et protéger les installations de lancement des jets de gaz brûlants générés par les moteurs-fusées. Le système adopté ne comporte pas de carneaux dans la mesure où la base de la fusée est située à grande hauteur, ni de déviateur de flammes. Le système puise son eau dans des réservoirs cylindriques horizontaux situés sur le pas de tir. Le liquide est mis sous pression avec de l'azote stocké dans des réservoirs situés à proximité (dans les systèmes de déluge habituels, l'eau est mise sous pression par passage dans un château d'eau). L'eau chemine par des canalisations situées sous le sol et ressort au niveau de la table de lancement. Sous celle-ci et recouvrant le sol sont installées des plaques métalliques perforées fonctionnant comme une pomme de douche inversée. Peu avant la mise à feu des moteurs, l'eau est éjectée par ces perforations (plus nombreuses sous les moteurs) avec une pression de 20 bars, ce qui contrebalance les jets des gaz brûlants sortant des moteurs-fusées dont la pression n'est plus que de 10 bars au niveau du sol. Les gaz sont déviés latéralement par les jets d'eau. Le déluge ne protège toutefois pas les pieds de la table de lancement ni sa partie supérieure qui est frappée par les gaz lorsque la fusée s'élève au-dessus du sol. Ces parties doivent donc recevoir des protections thermiques spécifiques^[39].

Le déroulement d'un vol commence par le remplissage des réservoirs des deux étages. La température des conduites amenant les ergols est d'abord abaissée puis de l'oxygène et du méthane à l'état gazeux sont introduits dans les réservoirs pour en chasser l'azote sous pression qui maintenait leur rigidité. Les réservoirs sont alors progressivement remplis avec les ergols à température très basse. Les réservoirs n'étant pas isolés du point de vue thermique, les ergols s'évaporent en partie : des évents évacuent les ergols à l'état gazeux lorsque la pression devient trop élevée. De même, une couche de glace, condensation de l'humidité ambiante, se forme sur les parois métalliques. Quelques secondes avant le décollage, le système de déluge est déclenché. Les turbopompes des 33 moteurs-fusées du premier étage sont mises en mouvement par de l'hélium sous pression stocké à bord ou injecté depuis des prises présentes sur la table de lancement (pour les 20 moteurs situés sur la couronne externe), ce qui déclenche l'alimentation en ergols des moteurs-fusées. Lorsque la combustion s'est stabilisée et que les capteurs situés sur les mâchoires retenant le lanceur ont mesuré une poussée équilibrée, ces mâchoires s'ouvrent en se rétractant dans la table de lancement, les deux systèmes Quick Disconnect Mechanism (QSD) alimentant en ergols les étages s'écartent et la fusée commence à s'élever en s'écartant légèrement de la tour de lancement pour éviter de la percuter^[39].

Le profil de vol du premier étage Super Heavy du lanceur Starship présente des similarités (récupération de l'étage, atterrissage à la verticale) mais également des différences avec celui du premier étage du Falcon 9 durant la phase de retour au sol. Alors que ce dernier étage initie son retour sur Terre en utilisant sa propulsion pour réduire sa vitesse et l'échauffement de la structure, le SuperHeavy, plus résistant grâce au matériau utilisé, est capable de résister à l'échauffement provoqué par la rentrée à grande vitesse dans les couches denses de l'atmosphère. Par ailleurs, l'étage Super Heavy n'est pas conçu pour venir se poser sur une plateforme motorisée en mer mais revient se poser à son point de départ sur sa plateforme de lancement. Dans la phase finale de l'atterrissage, il est capturé par des pinces géantes fixées sur la tour de lancement (Mechazilla) qui permettent d'éliminer le train d'atterrissage utilisé par la fusée Falcon 9. Ce processus allège le lanceur (et donc augmente sa capacité d'emport) et permet de le remettre rapidement en état pour un nouveau vol^[55].

La rentrée atmosphérique du deuxième étage présente des similarités avec celle de la navette spatiale américaine : comme celle-ci, le Starship pénètre dans l'atmosphère en position cabrée en exposant sa partie ventrale recouverte de tuiles de protection thermique aux températures les plus élevées. Par contre, l'atterrissage se déroule de manière entièrement différente. Le Starship commence par annuler sa vitesse horizontale puis réduit sa vitesse verticale par une manœuvre analogue au "belly flop" des parachutistes avant d'utiliser sa propulsion et ses ailerons pour pivoter et atterrir en position verticale^[55].

Au moins six versions de l'étage Starship sont susceptibles d'être utilisées, selon les missions prévues. Le développement de trois de ces versions répond à des besoins immédiats : d'une part l'atterrisseur lunaire Starship HLS développé pour le compte de la NASA qui doit déposer les équipages à la surface de la Lune et le Starship Tanker qui, selon le scénario retenu pour cette mission lunaire, doit permettre son ravitaillement en ergols sur l'orbite terrestre basse et d'autre part une version cargo qui doit jouer un rôle central dans le déploiement de la constellation de satellites de télécommunications Starlink également développée par SpaceX.

Le HLS Starship est la variante du Starship développée dans le cadre du programme Artemis de la NASA pour amener les astronautes à la surface du sol lunaire. Cette version doit être inaugurée par la mission Artemis III programmée vers 2026.

En 2023, les caractéristiques précises du Starship HLS ne sont pas connues. Contrairement au module lunaire Apollo, l'ensemble du vaisseau monte en orbite. Comme le vaisseau Starship de base, le vaisseau HLS est haut de 50 mètres pour un diamètre de 9 mètres et sa propulsion primaire est constituée par six moteurs Raptor montés à son extrémité, qui sont utilisés pour le transit entre la Terre et la Lune, l'injection en orbite lunaire, la descente vers le sol lunaire et la remontée en orbite. Des moteurs de poussée moindre, placés sur le corps du lanceur, sont ajoutés et utilisés dans la phase finale de l'atterrissage (à partir de 100 mètres d'altitude) pour limiter les jets de poussière. Les astronautes et leurs équipements sont logés à l'extrémité supérieure du HLS, ce qui nécessite un système d'ascenseur pour la dépose au sol. Étant donné que le Starship HLS ne reviendra pas sur Terre comme les autres versions du vaisseau spatial Starship, il n'est pas équipé d'un bouclier thermique ni d'ailerons pour la rentrée dans l'atmosphère terrestre. Pour parvenir à se poser sur la Lune, le HLS est d'abord placé en orbite terrestre basse, puis doit être ravitaillé en ergols pour poursuivre sa mission. Cela impose de mettre en place un dépôt d'ergols constitué par un étage Starship spécialisé, lequel doit être ravitaillé par plusieurs Starships. Cette architecture impose un lancement à fréquence rapprochée de plusieurs Starship et la mise au point d'une technique de transfert d'ergols cryogéniques.

La version Starship Tanker est conçue pour transférer 200 tonnes de carburant vers d'autres vaisseaux Starship, comme cela est envisagé pour le programme Artemis. 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^[56].

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 m^3[32], 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^[57], ou pour transporter des charges utiles très volumineuses ou très massives.

Le HLS Starship est également envisagé dans une version sans système de support de vie pour le transport d'équipements lourds sur le sol lunaire, dans le cadre du programme Commercial Lunar Payload Services (CLPS)^[58]. 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^[59].

La version Starship Surface Cargo est une déclinaison du Starship Cargo d'une capacité d'emport de 100 tonnes (150 tonnes totalement optimisé), et est spécialisée dans le transport de matériel à la surface d'autres corps célestes. C'est notamment cette version qui doit être utilisée par la NASA dans le cadre du programme CLPS, qui doit emmener des instruments scientifiques et des équipements sur la Lune, 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 une fois que la version cargo aura effectué suffisamment de vols pour prouver sa fiabilité^[60]. SpaceX ambitionne à terme d'utiliser cette version pour transporter jusqu'à 100 passagers vers l'orbite terrestre, la Lune ou Mars^[57]. Le Starship Crew sera rempli de moins d'ergols que les autres versions afin d'avoir un rapport poussée sur poids supérieur qui lui permettrait de s'éloigner du premier étage en cas d'anomalie.

Cette version du Starship, sans aileron, bouclier thermique ni 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.

Selon des documents officiels et le témoignage d'un responsable de SpaceX, la société aura dépensé 5 milliards US$ ou un peu plus dans le développement du lanceur Starship et des installations de lancement à la fin de l'année 2023 dont deux milliards au cours de cette dernière année^[61].

Le coût de lancement sur une orbite terrestre basse se chiffre avec les lanceurs existants entre 20 000 (micro lanceurs) et quelques milliers (Falcon 9 réutilisable) US$ par kilogramme. En 2023, un responsable de SpaceX a annoncé que le lanceur Starship pourrait faire descendre ce prix à moins de 200 US$ par kilogramme soit un coût de lancement total de 20 millions US$ avec une charge utile de 100 tonnes. Grâce à la réutilisation complète du lanceur et des coûts de remise en état limités, l'essentiel des coûts serait attribuable aux ergols^[62].

Les premiers essais commencent avec la construction d'un réservoir en fibre de carbone. En 2018, SpaceX change radicalement la conception du vaisseau et opte pour une construction en acier inoxydable cryorésistant^[63] (dont la résistance augmente à basse température) et pour l'utilisation d'un bouclier thermique constitué de tuiles thermiques hexagonales en céramique.

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^[64]. Le véhicule, construit en acier inoxydable, a un diamètre de 9 mètres et une hauteur de 18,4 mètres^[65],[66]. 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^[67]. Deux vols captifs ont lieu en avril 2019, puis le moteur est retiré le temps de régler divers problèmes sur celui-ci^[68]. 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^[69]. 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^[70].

Le 26 août 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^[71].

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^[72]. 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^[73].

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^[74]. 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^[75]. Il est toutefois détruit le 20 novembre 2019, lors d'un test de pressurisation à l'azote liquide^[76]. 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^[77]. 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)^[78], 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^[79].

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^[80]. 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.

La construction d'un nouveau prototype de Starship, dénommé SN5, débute en avril 2020, suivi d'un second nommé SN6 en mai 2020. Ce prototype mesure environ 30 m de haut et 9 m de diamètre. 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^[81] après un vol de 45 secondes. 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^[82]. Le 3 septembre 2020, il effectue avec succès un saut à 150 m d'altitude d'une durée de 45 secondes. SN6 est alors lui aussi transporté au site de construction pour inspection. Il est démantelé en janvier 2021.

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^[83]. 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^[84]. 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^[85]. 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^[86]. 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^[87]. 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^[88]. 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. Cela 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^[89]. Un autre dysfonctionnement ayant eu lieu lors de l'atterrissage du SN10 est le mauvais déploiement de certains pieds d'atterrissage^[90]. 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^[91]. 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^[92],[93]. 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 »^[94].

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^[95]. 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^[96] (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 l'aire (pad) suborbital A, le 1^er juillet 2021 et après avoir subi un test de remplissage cryogénique, trois 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.

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^[94]. 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^[97], il est transporté sur l'aire de lancement A le 8 avril^[98]. Les 26 et 27 avril 2021, SN15 réalise plusieurs mises à feu statiques avec succès^[99]. 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^[100]. 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^[101]. 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 de l'aire d'atterrissage. Après plusieurs jours d'inspection, SN15 est transporté sur l'aire 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 aurait même pu tenter de réaliser un deuxième vol avec le prototype^[102]. Le 26 mai 2021, le prototype SN15 est finalement retiré de l'aire 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^[103].

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^[104]. 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^[105]. 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^[106], 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^[107].

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^[108]. 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.

Nom	Début de la construction	Transport	Désaffecté	Site de construction	Statut	Vols
Prototype Starhopper	Décembre 2018	Mars 2019	Août 2019	Boca Chica Village, Texas	Retraité	2
Starship Mk1		Octobre 2019	Novembre 2019		Détruit	0
Starship Mk2	Mai 2019	N/A		Cocoa Beach, Floride	Abandonné
Starship Mk4	Septembre 2019
Starship SN1 (MK3)	Octobre 2019	Février 2020	Février 2020	Boca Chica Village, Texas	Détruit
Test Tank TT1	Janvier 2020	Janvier 2020	Janvier 2020			N/A
Test Tank LOX HTT
Test Tank TT2
Test Tank SN2	Février 2020	Mars 2020	Mars 2020		Retraité
Starship SN3	Mars 2020		Avril 2020		Détruit	0
Starship SN4		Avril 2020	Mai 2020
Starship SN5	Avril 2020	Juin 2020	Février 2021		Démantelé	1
Starship SN6	Mai 2020	Août 2020	Janvier 2021
Test Tank SN7		Juin 2020	Juin 2020		Détruit	N/A
Test Tank SN7.1	Juillet 2020	Septembre 2020	Septembre 2020
Starship SN8			Décembre 2020			1
Starship SN9	Août 2020	Décembre 2020	Février 2021
Starship SN10	Septembre 2020	Janvier 2021	Mars 2021
Starship SN11		Mars 2021
SuperHeavy BN1		N/A			Démantelé	N/A
Starship SN12			Janvier 2021		Abandonné	0
Starship SN14	Octobre 2020
Starship SN13	Novembre 2020
Starship SN15		Avril 2021	Mai 2021		Retraité	1
Starship SN16	Décembre 2020	N/A	Juin 2021		Abandonné	0
Starship SN17			Mai 2021
Test Tank SN7.2		Janvier 2021	Mars 2021		Démantelé	N/A
Test Tank BN2	Janvier 2021	Juin 2021	Juin 2021		Retraité
Starship SN18		N/A	Avril 2021		Abandonné	0
Starship SN19	Février 2021
Starship S20	Mars 2021	Août 2021	Mars 2021		Retraité
SuperHeavy B3		Juillet 2021	Août 2021		Démantelé
Test Tank B2.1	Avril 2021	Novembre 2021	Janvier 2022		Retraité	N/A
SuperHeavy B4	Juillet 2021	Août 2021	Mars 2021			0
SuperHeavy B5		N/A	Décembre 2021		Abandonné
Starship S21	Août 2021
Starship S22	Septembre 2021
Test Tank B6			N/A			N/A
Starship S23	Octobre 2021		Décembre 2021			0
SuperHeavy B7	Novembre 2021	Mars 2022	Avril 2023		Détruit	1
Starship S24		Juillet 2022	Avril 2023
SuperHeavy B8	Janvier 2022	N/A	N/A		N/A	0
Starship S25	Février 2022	N/A	Novembre 2023		Détruit	1
SuperHeavy B9		N/A
Starship S26	Mars 2022	N/A	N/A		N/A	0

Vol n°	Date et heure (UTC)	Véhicule	Site de lancement	Altitude maximum	Durée	Lancement	Atterrissage
-	4 avril 2019 à 0 h 56[109]	Prototype Starhopper	Boca Chica Village, Texas	1 m	3 secondes	Succès	Succès
	Vol captif.
-	6 avril 2019 à 3 h 37[110]	Prototype Starhopper	Boca Chica Village, Texas	1 m	2 secondes	Succès	Succès
	Vol captif
1	25 juillet 2019 à 3 h 44	Prototype Starhopper	Boca Chica Village, Texas	20 m	22 secondes	Succès	Succès
2	27 août 2019 à 22 h 02	Prototype Starhopper	Boca Chica Village, Texas	150 m	57 secondes	Succès	Succès
3	4 août 2020 à 23 h 57	Starship SN5	Pad A, Boca Chica Village, Texas	150 m	51 secondes	Succès	Succès
4	3 septembre 2020 à 5 h 47	Starship SN6	Pad A, Boca Chica Village, Texas	150 m	51 secondes	Succès	Succès
5	9 décembre 2020 à 21 h 45	Starship SN8	Pad A, Boca Chica Village, Texas	12,5 km	6 min 42 sec	Succès	Échec
	Écrasement puis explosion. Les objectifs principaux du vol (descente stable et contrôlée, rallumage des moteurs et manœuvre de redressement) sont cependant atteints.
6	2 février 2021 à 19 h 25	Starship SN9	Pad B, Boca Chica Village, Texas	10 km[111]	6 min 26 sec	Succès	Échec
	Écrasement puis explosion.
7	4 mars 2021 à 22 h 14	Starship SN10	Pad A, Boca Chica Village, Texas	10 km	6 min 29 sec	Succès	Échec partiel
	Le prototype atterrit à la verticale, mais tape assez fort en arrivant sur l'aire d'atterrissage. Il explose 8 min 11 s après son atterrissage, probablement en raison des déformations subies par sa structure lors de l'impact[112].
8	30 mars 2021 à 13 h 00	Starship SN11	Pad B, Boca Chica Village, Texas	10 km[113]	5 min 49 sec	Succès	Échec
	Explosion à la fin de la chute libre, peu après le ré-allumage des moteurs à l'approche du sol. Une fuite de méthane sur le moteur no 2 a grillé une partie de l'avionique et la pression de la chambre de combustion a dépassé les limites prévues[114]. Lors du vol, un brouillard rendait la visibilité quasi-nulle.
9	5 mai 2021 à 22 h 24	Starship SN15	Pad A, Boca Chica Village, Texas	10 km[115]	6 min 08 sec	Succès	Succès
	Le prototype atterrit à la verticale. Premier vol de test à haute altitude réussi.

Vol	Date et heure (UTC)	Véhicule	Site de lancement	Altitude maximum	Durée	Lancement	Atterrissage du booster	Atterrissage du vaisseau
IFT-1	20 avril 2023[116]	Starship S24 SuperHeavy B7	Pad orbital A, Boca Chica Village, Texas	39 km	00:04:02	Échec	Non prévu (amerrissage)	Non prévu (amerrissage)
	Premier vol d'essai orbital du Starship : premier plan de vol qualifié de « presque orbital »[117].
IFT-2	18 novembre 2023	Starship S25 SuperHeavy B9	Pad orbital A, Boca Chica Village, Texas	149 km	00:08:00	Échec partiel	Échec (amerrissage)	Non prévu (amerrissage)
	Le deuxième vol avait un profil de vol similaire à celui du premier vol, avec l'ajout d'un système de séparation à chaud des deux étages et d'un système complet de refroidissement sous la rampe de lancement. Lors du décollage et de la phase d'ascension, le système de déluge d'eau ainsi que les 33 moteurs du premier étage ont bien fonctionné. L'étape de séparation à chaud s'est déroulée avec succès mais le premier étage explose après la séparation, tandis que le second étage continue de voler avant d'exploser après 8 minutes de vol[118].
IFT-3	14 mars 2024	Starship S28 SuperHeavy B10	Pad orbital A, Boca Chica Village, Texas	224 km	00:49:35	Succès	Échec (amerrissage non contrôlé)	Échec (destruction lors de la rentrée atmosphérique)
	Le troisième vol du Starship garde un cadre similaire aux deux précédents (vol quasi orbital et amerrissage contrôlé des deux étages). Le décollage, la séparation et l'accélération jusqu'à la vitesse prévue sont réalisés avec succès. L'amerrissage du Super Heavy échoue cependant, certains moteurs ne s'allumant pas. Le Starship devait réaliser trois nouveaux tests dans l'espace : l'ouverture de la porte de la soute, le transfert de carburant entre les réservoirs du Starship ainsi qu'un test de rallumage d'un moteur. Seuls les deux premiers tests sont effectués[119]. Le second étage ne parvient pas à stabiliser son attitude lors de la rentrée atmosphérique et est désintégré à environ 65 km d'altitude[120].
IFT-4	6 juin 2024[121]	Starship S29 SuperHeavy B11	Pad orbital A, Boca Chica Village, Texas	213 km	01:05:57	Succès	Succès (amerrissage)	Succès (amerrissage)
	Quatrième vol d'essai orbital du Starship : plan de vol qualifié de « presque orbital », similaire au vol précédent. Le lancement se déroule comme prévu malgré la défaillance d'un moteur. Après séparation, le premier étage parvient à amerrir malgré une défaillance d'un autre moteur. Une quarantaine de minutes plus tard, le second étage entame sa rentrée atmosphérique et transmet un flux vidéo presque continu. Vers cinquante kilomètres d'altitude, à une vitesse hypersonique, au moins un des ailerons subit des dégâts substantiels au niveau de sa charnière, mais reste manœuvrable. L'engin parvient comme prévu à atteindre sa vitesse terminale et à se redresser avant d'amerrir. À l'issue de ce vol, contrairement aux vols précédents, l'administration fédérale de l'aéronautique n'exige aucun rapport d'incident.
IFT-5	13 octobre 2024[122]	Starship S30 SuperHeavy B12	Pad orbital A, Boca Chica Village, Texas	201 km	01:05:53	Succès	Succès (récupération par la tour de lancement)	Succès (amerrissage)
	Cinquième vol d'essai orbital du Starship : le plan de vol prévu est similaire aux précédents. Le premier étage est rattrapé par la tour de lancement, le vaisseau effectue sa rentrée atmosphérique en subissant moins de dégâts qu'au précédent vol, car de nombreuses modifications ont été apportées aux tuiles thermiques, notamment l'ajout d'une nouvelle couche ablative sous les tuiles des zones sensibles du vaisseau. Le but de ce vol est d'effectuer des mesures.
IFT-6	19 novembre 2024[123]	Starship S31 SuperHeavy B13	Pad orbital A, Boca Chica Village, Texas			Succès	Succès (amerrissage)	Succès (amerrissage)
	Sixième vol d'essai orbital du Starship : l'objectif du vol, rallumer l'un des trois moteurs Raptor centraux du vaisseau spatial Starship une fois dans l'espace, a été réussi. La récupération du premier étage Super Heavy par les pinces de la tour de lancement a été annulée faute de conditions favorables. Il a donc été choisi un amerrissage ; après s'être couché en douceur dans l'eau, le Super Heavy a explosé. L'atterrissage du second étage n'ayant pas été prévu, le vaisseau Starship a donc amerri en douceur.

Le lanceur Starship a pour ambition de remplacer tous les véhicules spatiaux actuels de SpaceX^[124]. En effet, d'après Elon Musk, le coût d'un lancement du Starship sera à terme inférieur à celui d'une Falcon 9, voire d'une Falcon 1. Ce coût serait atteint grâce à la réutilisation de tous les étages de Starship/SuperHeavy, à l'atterrissage du lanceur sur son pas de tir pour un nouveau départ rapide et à sa construction en acier inoxydable.

Les missions suivantes sont prévues :

• lancement de satellites (principalement de la constellation de satellites Starlink de SpaceX) ;
• ravitaillement de la Station spatiale internationale (ISS) ;
• transport de personnel à destination de l'ISS ;
• transport de charges utiles sur la Lune ;
• desserte de la Lune pour des missions habitées.

Starship prévoit de lancer la deuxième génération de satellites Starlink, qui fournissent un Internet mondial à haut débit^[125]. Un analyste spatial de la banque Morgan Stanley a déclaré que les développements du Starship et de Starlink sont étroitement liés, la capacité de lancement du Starship permettant des lancements de Starlink moins chers et les bénéfices de Starlink finançant les coûts de développement du Starship^[126].

Depuis le 19 août 2022, le satellite de communication Superbird-9 (en) est le premier contrat connu du Starship pour des satellites commerciaux extérieurs à l'écosystème SpaceX/Starlink. Le satellite pèse trois tonnes de masse sèche et doit être lancé vers 2024 sur une orbite géostationnaire^[127]. À l'avenir, la version habitée du Starship pourrait être utilisée pour le tourisme spatial — par exemple, le projet DearMoon financé par Yusaku Maezawa^[128]. Un autre exemple est le troisième vol du programme Polaris annoncé par Jared Isaacman^[129].

Date (UTC)	Équipage	Véhicule	Site de lancement	Charge utile/mission	Orbite/destination
TBD	N/A	Starship Cargo	TBA	Starlink V2	TBA
	Premier lancement de la constellation Starlink par Starship
TBD	TBA	Starship Crew	TBA	Polaris III	TBA
	Premier vol habité de Starship
NET 2025	N/A	HLS Starship	TBA	HLS Demo	Atterrissage sur la Lune
	Premier alunissage de Starship
NET 2025	N/A	HLS Starship	TBA	Artemis III	Atterrissage sur la Lune
	Premier retour prévu de l'Homme sur la Lune
NET 2026	N/A	Starship Surface Cargo	TBA	TBA	Atterrissage sur Mars

Annoncé en février 2022, le programme Polaris associe SpaceX et Jared Isaacman et doit comprendre 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^[130]. En plus des pilotes, ce survol lunaire sera animé par Yūsaku Maezawa^[131], qui invitera six à huit artistes à le suivre autour de la Lune en 2023^[132]. Le temps de voyage prévu est de six jours environ^[131],[132]. Cependant, en 2024, Maezawa annule la mission.

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^[133],[134] 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^[135]. Le rôle du Starship dans le programme Artemis sera de faire la liaison entre l'orbite et la surface lunaire. L'atterrisseur Starship HLS est accompagné de Starship ravitailleurs et d'un dépôt de propergols qui décollent tous de la Terre. Les ravitailleurs transfèrent le carburant sur le dépôt jusqu'à son remplissage total, puis le dépôt alimente le Starship HLS. L'atterrisseur lunaire est ainsi doté d'une poussée suffisante pour atteindre une orbite lunaire. Ensuite, 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^[136]. Après l'atterrissage et le redécollage depuis la Lune, les équipages retournent sur Orion et retournent sur Terre^[137].

Dans toutes les applications spatiales, le Starship pourrait étendre considérablement les possibilités, simplement en supprimant les contraintes de taille et de masse. Alors que la conception d'engins spatiaux dépend actuellement de ces deux paramètres, soit la capacité d'emport du lanceur et la taille de la coiffe, les limites de Starship sont beaucoup plus élevées : 9 m de diamètre pour plus de 100 tonnes de charge utile ; cette dernière est encore étendue par la possibilité de ravitaillement en orbite, soit la possibilité d'envoyer ces 100 tonnes de charge utile hors de l'orbite basse, quasiment n'importe où dans le système solaire^{[138],[139],[140],[141],[142]}.

La réutilisabilité du Starship devrait réduire les coûts de lancement et ainsi élargir l'accès à l'espace à davantage de charges utiles et d'entités^[143]. Musk a prédit qu'un lancement orbital de Starship coûterait finalement un million de dollars. Le directeur de la recherche d'Eurospace (en), Pierre Lionnet, a toutefois déclaré que le prix de lancement du Starship serait probablement plus élevé en raison de son coût de développement^[141].

Ainsi, l'ensemble des paramètres sur lesquels le Starship agit, la réduction du coût de lancement associée à l'augmentation radicale de la capacité d'emport, en masse comme en volume, devraient donc opérer un changement de paradigme dans le secteur spatial. La conception actuelle, qui est contrainte par les anciens paramètres, peut être modifiée. En particulier, la miniaturisation des composants, qui participe à l'augmentation des coûts des charges utiles, ne serait plus cruciale^{[144],[145],[142],[146],[147]}. Un prototypage et un test en orbite avant renvoi sur Terre deviennent également envisageables^[145]. De même, les ordinateurs très coûteux comme les RAD750 (processeur très fiable, radiorésistant et capable de supporter des températures allant de −55 °C à 125 °C) pourraient être remplacés par des ordinateurs grand public, beaucoup plus puissants et moins chers, certes beaucoup plus fragiles mais protégés par des équipements lourds (enceinte pressurisée, blindage contre les radiations, etc.).

Certaines entreprises commencent à réfléchir au changement de paradigme créé par la disponibilité d'un tel lanceur. K2 Space envisage ainsi des plates-formes satellites lourdes (plusieurs tonnes) utilisant des composants non miniaturisés donc moins onéreux^[148],[149] ; Gravitics, Vast et ThinkOrbital imaginent d'énormes stations spatiales modulaires (de huit mètres de diamètre et plus)^[150],[151].

Outre les missions prévues, d'autres usages sont envisagés :

• vols suborbitaux intercontinentaux commerciaux de transport de passagers : deux villes éloignées pourraient être reliées en moins d'une heure^[152] ;
• exploration habitée de Mars ;
• exploration robotisée du Système solaire (lunes de Jupiter et de Saturne, dont Titan), essentiellement imaginée par des planétologues voulant tirer parti de la capacité du vaisseau ;
• évacuation des débris orbitaux^[153]. Elon Musk a émis l'idée de se servir de ces vaisseaux vides après mission comme éboueurs de l'espace soit en désorbitant les débris, soit en les ramenant sur Terre. En effet, lors de son retour sur Terre, le vaisseau permettrait de ramener au sol au moins 50 tonnes de charge utile^[154] ;
• construction d'un nouveau télescope qui pourrait remplacer Hubble et atteindre une résolution dix fois supérieure^[155]. Cette proposition n'est qu'une idée émise lors d'une discussion entre Elon Musk et l'astrophysicien américain Saul Perlmutter. La capacité d'emport du vaisseau en masse comme en taille permet d'imaginer un télescope bien plus grand qu’Hubble (dont le miroir monolithique fait 2,40 m de diamètre) voire un télescope semblable à James Webb (miroir segmenté pliant de 6,5 m) mais beaucoup plus grand. L'idée est soutenue par la communauté des astronomes américains^[156].

En octobre 2018, la United States Space Force annonce considérer le Starship pour le transport de matériel militaire dans l'espace. Outre les opérations de fret, elle envisage le positionnement d'équipements en orbite, qui seraient alors prêts à être largués sur Terre^[157].

Le Starship pourrait également servir de station spatiale, selon une réflexion de la NASA^[158]. Cette idée rappelle la station Skylab, elle aussi aménagée dans un étage de fusée, et les laboratoires Spacehab et Spacelab, modules prenant place dans la navette spatiale américaine, renvoyés sur Terre après chaque vol. Une station spatiale employant le concept d'atelier humide est également envisageable : elle permettrait d'utiliser l'ensemble du volume du Starship, réservoirs d'ergols inclus.

À une échéance plus lointaine, la fusée Starship pourrait effectuer des vols suborbitaux intercontinentaux, voyageant n'importe où sur Terre en moins d'une heure^[159],[160] (un tour de la planète étant bouclé en 90 min à vitesse orbitale). La COO de SpaceX, Gwynne Shotwell, a déclaré que de tels voyages pourraient devenir compétitifs par rapport aux vols conventionnels en classe affaires^[161]. Cependant, John Logsdon (en), un universitaire spécialisé dans la politique et l'histoire de l'espace, a déclaré que le voyage suborbital intercontinental n'est pas réaliste, car l'appareil passerait de l'apesanteur à 5 g d'accélération^[162], le réservant donc à une infime partie de la population entrainée pour supporter ces g (dont font partie les astronautes actuels). En janvier 2022, SpaceX a obtenu un contrat de 102 millions de dollars sur cinq ans pour développer le programme Rocket Cargo (en) pour la United States Space Force^[163]. Ce programme, plus réaliste à court terme, prévoit de transférer seulement du fret.

La capacité de Starship pourrait permettre le lancement de grands télescopes spatiaux tels que le Large UV/Optical/Infrared Surveyor, qui doit pouvoir détecter les exoplanètes semblables à la Terre. Le Starship pourrait également lancer des sondes en orbite autour de Neptune ou d'Io, ou de grandes missions de retour d'échantillons (plusieurs tonnes) à l'aide de machines lourdes (il serait préférable d'adapter aux conditions de l'espace ou extraterrestres des machines lourdes comme celles de Caterpillar plutôt que d'en faire concevoir de nouvelles, ultralégères, par les centres de recherches et laboratoires de la NASA^[147]), donnant potentiellement un aperçu du volcanisme passé sur la Lune et d'une éventuelle vie extraterrestre^[140]. Le faible coût de lancement pourrait également permettre aux sondes d'utiliser des matériaux plus courants et moins chers, tels que le verre, au lieu du béryllium pour les grands miroirs de télescope^[141].

Les opinions divergent sur la manière dont le faible coût de lancement du Starship affectera le coût de la science spatiale. Selon Waleed Abdalati (en), ancien scientifique en chef de la NASA, le faible coût de lancement réduira le coût du remplacement des satellites et permettra des missions plus ambitieuses pour des programmes à budget limité. Selon Lionnet, un faible coût de lancement pourrait ne pas réduire de manière significative le coût global d'une mission scientifique : sur le coût de la mission de la sonde spatiale Rosetta et de l'atterrisseur Philae de 1,4 milliard d'euros, le coût de lancement (par la fusée non récupérable Ariane 5) ne représentait que 10%^[164]. Ce dernier avis ne tient cependant pas compte du volume et de la capacité d'emport du Starship^[144].

Le Starship est destiné à débarquer des équipages sur Mars^[165]. Il est lancé en orbite terrestre basse et est ensuite ravitaillé par environ cinq Starship ravitailleurs avant de se diriger vers Mars^[166]. Après l'atterrissage sur Mars, la réaction de Sabatier est utilisée pour synthétiser du méthane liquide et de l'oxygène liquide, les ergols du Starship, dans une unité de conversion d'électricité en gaz (méthanation). Les ressources brutes de l'usine sont l'eau martienne et le dioxyde de carbone martien, composant majoritaire de l'atmosphère de Mars^[167]. Sur Terre, la même technologie pourrait être utilisée pour fabriquer un ergol neutre en carbone pour la fusée^[168].

SpaceX et Musk ont déclaré leur objectif de coloniser Mars pour assurer la survie à long terme de l'humanité^[141],[169], avec l'ambition d'envoyer un millier de Starship sur Mars lors d'une fenêtre de lancement vers Mars dans un avenir très lointain^[170]. Musk nourrit un intérêt pour la colonisation de Mars depuis 2001, lorsqu'il a rejoint la Mars Society et a fait des recherches sur les expériences spatiales liées à Mars avant de fonder SpaceX en 2002^[171]. Musk a fait des estimations provisoires de l'atterrissage du Starship sur Mars^[172] ; en mars 2022, il a annoncé la date de 2029 pour le premier atterrissage habité sur la planète^[173]. SpaceX n'a pas publié de plans techniques sur les systèmes de survie de Starship, la radioprotection^[174] (réalisable par des blindages lourds dont l'envoi est désormais possible^[144]), ou le ravitaillement en orbite^[166].

• Les prototypes.
• 
  Le SN9 avec coucher de soleil.
• 
  Starship SN9 pendant la nuit avec la Lune.
• 
  Starship Mk2.
• 
  Test du moteur Raptor sur le Starship SN4, le 5 mai 2020.
• 
  Coucher de soleil sur Starship SN8 et Starhopper.
• 
  Starship SN5 et le parc de réservoirs (tank farm).
• 
  Les Starships SN15 et SN16.
• 
  Starship S20.

• Le site de production « Starbase ».
• 
  Boca Chica Village, au Texas (vue du ciel), le 9 août 2020.
• 
  La base de lancement, avec le Starship S20 et le booster B3.
• 
  Baie haute (high bay) en cours de construction, le 22 août 2020.
• 
  Bâtiment d'assemblage du Starship/SuperHeavy.

• Programme Artemis
• Fusée
• Lanceur réutilisable
• Raptor
• SpaceX
• Falcon 9, Falcon Heavy
• Saturn V
• New Glenn, Space Launch System, N-1

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

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