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La reciente noticia de la adjudicación del contrato CRS2 de la NASA a Sierra Nevada Corporation, para la versión no tripulada del DreamChaser, supone un espaldarazo para quienes apuestan por el concepto de “avión espacial”, en oposición a las cápsulas balísticas de reentrada.

El Dreamchaser, aunque pueda parecer un concepto novedoso, incluso pensar en él como una versión “en miniatura” del Shuttle, es un tipo de aparato distinto. La lanzadera espacial realiza la reentrada en la Tierra y planea hacia su pista de aterrizaje sustentándose merced a sus planos sustentadores, sus alas, lo mismo que un avión convencional. Por el contrario, el DreamChaser es un cuerpo sustentante.

Pero, ¿qué es un cuerpo sustentante? Se trata de un vehículo volador que se sostiene en el aire gracias a la forma especial del fuselaje y no por las alas. su apariencia puede ser la de un cono «aplastado» o como en los primeros prototipos (ver figura) la de un semicono, es decir, un cono dividido por su plano longitudinal, con el morro redondeado, que incorporan unos planos estabilizadores y superficies de control. Estos cuerpos sustentantes son adecuados para regímenes de vuelo hipersónico (a partir de 5 veces la velocidad del sónico), lo cual les capacita para realizar las misiones de reentrada en tierra desde el espacio. La forma de un avión convencional, con alas alargadas, no permite el vuelo a estas altas velocidades, debido a las cargas aerodinámicas y térmicas ejercidas en este régimen de vuelo. Tendría que tener unas alas muy cortas, como el X-15, por lo cual, si el propio fuselaje es el responsable de la sustentación, y éste se adapta a las condiciones del vuelo hipersónico (una forma semicónica con la punta redondeada es adecuado) un cuerpo sustentante seria un vehículo óptimo para estas condiciones de vuelo, que se dan durante la reentrada en la atmósfera tras una misión en el espacio.

M2F1

cuerpo sustentante M2-F1, mostrando su forma semicónica (NASA)

El concepto de los cuerpos sustentantes surgió a finales en los años cincuenta en los EEUU, cuando la administración aeronáutica de este país, La NACA, estaba investigando problemas asociados con la reentrada de cabezas de misiles en el Ames Aeronautical Laboratory, el actual Ames Research Center de la NASA. El Dr. Eggers, investigador del Ames Research Center de la NASA, descubrió que modificando ligeramente una forma cónica simétrica se podría producir sustentación aerodinámica. Esta sustentación podría permitir a esa forma modificada realizar un vuelo de regreso desde el espacio en lugar de precipitarse hacia la tierra en una trayectoria balística.

En un principio esta idea se estudió como cuerpos de reentrada guiables para cabezas nucleares lanzadas sobre misiles intercontinentales balísticos. Pero pronto surgió entre algunos ingenieros la idea de emplearlos como vehículos de reentrada pilotados, como alternativa a las cápsulas balísticas, como la actual «Soyuz», que para descender a la Tierra, «cae» para frenarse merced a unos paracaídas y a retrocohetes: En una cápsula balística durante esta maniobra de descenso, las fuerzas “g” que tiene que soportar la tripulación durante la reentrada, son del orden de 8g, es decir, de 8 veces su peso. En un cuerpo sustentante, por contra, serian del orden de 2g. Además, las cápsulas balísticas, al descender merced a sus paracaídas, son más vulnerables a las corrientes de aire y su ubicación final puede variar, en algunos casos, en un radio de acción de kilómetros. Por el contrario, un cuerpo sustentante podría planear igual que un avión, y aterrizar lo mismo que éste en una localización exacta, una pista de un aeropuerto o de una base aérea.

Esto animó a la NASA a crear un programa de desarrollo, que abarcó desde 1963 a mediados de los años 70, y del que se construyeron ocho prototipos (desde el HL-10, a los M2F, a los modelos X24) Realizándose numerosos ensayos, tanto en vuelo planeado, en descenso desde una nave nodriza, como propulsado por un motor cohete. Los resultados fueron bastante satisfactorios, que por otro lado les permitieron descubir los principales inconvenientes de estos aparatos.

varios de los cuerpos sustentantes desarrollados por la NASA en los años 60 (fuente:NASA)

Tres modelos de cuerpos sustentantes desarrollados por la NASA en los años 60: X24A, M2-F3 y HL-10 (imagen: NASA)

Si analizamos a priori sobre los inconvenientes, podemos hablar del “peso muerto” que suponen los planos estabilizadores, y que solo tienen utilidad en la fase de descenso. Otro inconveniente radica curiosamente en la propiedad de los cuerpos sustentantes, es decir, en la fuerza de sustentación y de resistencia aerodinámica que éste pueda producir durante su lanzamiento, una fuerza que podría desequilibrar el sistema de lanzamiento. Ante esto, la solución consiste en “encapsular” el cuerpo sustentante, cosa que se ha hecho con el X-37 y el Dreamchaser, éste último plegando las “alas”. Además, la maniobra de aterrizaje es más delicada que en el caso de un avión convencional. En primer lugar, estos aparatos no disponen de dispositivos hipersustentadores, los flaps, que permiten sustentarse a menores velocidades de vuelo. Además de por sí, estos cuerpos no sustentan a bajas velocidades, como el caso de un planeador o un ultraligero, Por tanto, as velocidades de aproximación a pista son elevadas, en el caso del prototipo HL-20 se alcanzaba la velocidad de 320 kilómetros por hora, y en el Dreamchaser está previsto que sea de unos 296 Km/h. Otra cuestión era la necesidad de desplegar el tren de aterrizaje más tarde que con un avión ya que esto incrementa la resistencia aerodinámica, alterando la relación sustentación y resistencia (L/D), de la que depende el ángulo de planeo, y como hemos visto, la sustentación (L) no se puede incrementar.

Pero el inconveniente más preocupante que descubrieron los investigadores de la NASA fue su difícil control y sus problemas de estabilidad en vuelo. Los vuelos de prueba del M2-F1, uno de los primeros prototipos de cuerpo sustentante ensayados por la NASA, habían indicado que éstos tardaban en responder a los mandos del piloto y además se volvían incrementalmente inestables a medida que perdían velocidad. Además, aparecían modos laterales direccionales no esperados durante las acciones de control del piloto, lo que se llama en inglés “pilot-induced oscillations”. Esos problemas produjeron un aparatoso accidente, ocurrido en 1.967 con un prototipo al M2F2 pilotado por Bruce Peterson aunque afortunadamente el piloto sobrevivió. Este problema se solucionó incorporando un tercer estabilizador vertical, que, aparece, como hemos mencionado, en varios cuerpos sustentantes, como el Dreamchaser.

La mala reputación de los cuerpos sustentantes de ser difíciles de pilotar, junto con otras cuestiones tales como los problemas de diseño de sistemas de la aeronave condicionados a la especial forma del fuselaje, debieron influir en 1.972, a la decisión de desarrollar un avión espacial, no como un cuerpo sustentante, sino como un avión en ala delta: el Space Shuttle. Una de las principales razones fue que un cuerpo sustentante no podía cambiar fácilmente su trayectoria de planeo en el caso de que la pista de aterrizaje no estuviese disponible, capacidad que si disponía el Shuttle. A pesar de no haber prosperado entonces el concepto de cuerpo sustentante como nave de reentrada, los ensayos realizados con estos prototipos aportaron una valiosa información para el desarrollo del Shuttle.

No obstante este concepto no cayó en el olvido completo y la NASA retomó a principios de los años 90 la investigación de cuerpos sustentantes, con el HL-20, una versión mejorada del HL-10,  pensada para server de “taxi especial” para la Estación Espacial Internacional. Solamente se construyó una maqueta del HL-20. Más adelante, La NASA se emprendió con el desarrollo del X-38. Este emplea la misma configuración exterior de un X-24. El X-38 no era tripulado, tenía una protuberancia en la parte superior del fuselaje simulando la forma de una cabina. El X-38 empleo además un sistema de aterrizaje como el de las capsulas balísticas, es decir, desplegaba un paracaídas y descendía en vertical, debido a la experiencia anterior de las poco seguras prestaciones de aterrizaje de los cuerpos sustentantes.

X-38 (NASA)

Los soviéticos también consideraron este concepto, habiéndose revelado proyectos como la serie BOR en los años 80 y actualmente con el Kliper. Asimismo, la ESA ha ensayado un tipo de cuerpo sustentante experimental, el Phoenix.

Podemos citar otros más, como el MIG-105, o el Prometeus. De momento, el único proyecto que actualmente tiene visos de convertirse en realidad es el DreamChaser. Esperemos que la experiencia ganada con los primeros prototipos de los cuerpos sustentantes y los últimos avances tecnológicos pueda permitir su éxito y el de otros futuros.

 

Alfonso Martin Erro

http://feynmania.blogspot.com.es

Referencias

 http://www.liftingbody.net/

Evolution of technology of lifting bodies:

http://www.buran-energia.com/bor/bor-desc.php

Wingless Flight: The Lifting Body Story, R. Dale Reed with Darlene Lister, NASA SP-4220, The NASA History Series, 1997.

 

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