HOTOL (Hot -Off and Landing, despegue y aterrizaje horizontales ) fue un diseño británico de la década de 1980 para un avión espacial de una sola etapa a órbita (SSTO, por sus siglas en inglés) que iba a ser propulsado por un motor a reacción que respiraba aire . El desarrollo lo estaba llevando a cabo un consorcio liderado por Rolls-Royce y British Aerospace (BAe).
Diseñado como un vehículo de lanzamiento alado reutilizable de una sola etapa a órbita (SSTO), HOTOL iba a estar equipado con un motor único que respiraba aire, el RB545 o Swallow, que estaba siendo desarrollado por el fabricante de motores británico Rolls-Royce. El propulsor del motor técnicamente consistía en una combinación de hidrógeno líquido / oxígeno líquido ; sin embargo, iba a emplear un nuevo medio para reducir drásticamente la cantidad de oxidante necesario para ser llevado a bordo mediante el uso de oxígeno atmosférico a medida que la nave espacial ascendía a través de la atmósfera inferior. Dado que el oxidante generalmente representa la mayor parte del peso de despegue de un cohete, HOTOL iba a ser considerablemente más pequeño que los diseños normales de cohetes puros, aproximadamente del tamaño de un avión de pasajeros de media distancia como el McDonnell Douglas DC-9 / MD-80 .
Mientras se llevaba a cabo el estudio de diseño de prueba de concepto de HOTOL , tanto la industria como el gobierno británico intentaron establecer una cooperación internacional para desarrollar, producir y desplegar la nave espacial. A pesar del interés estadounidense en el programa, había poco interés entre los miembros de la Agencia Espacial Europea (ESA), y el gobierno británico no estaba dispuesto a abandonar la cooperación con la ESA. Además, surgieron problemas técnicos y hubo acusaciones de que las comparaciones con sistemas de lanzamiento alternativos, como vehículos cohete convencionales que utilizaban técnicas de construcción similares, no mostraban muchas ventajas para HOTOL. En 1989, finalizó la financiación del proyecto. La finalización del trabajo de desarrollo de HOTOL condujo a la formación de Reaction Engines Limited (REL) para desarrollar y producir Skylon , una nave espacial propuesta basada en tecnologías de HOTOL, incluido su motor de respiración de aire.
Las ideas detrás de HOTOL se originaron a partir del trabajo realizado por el ingeniero británico Alan Bond en el campo de los motores a reacción preenfriados. Bond había realizado específicamente esta investigación con la intención de producir un motor viable para propulsar un sistema de lanzamiento espacial . [1] En 1982, British Aerospace (BAe), que era el principal constructor de satélites de Europa , comenzó a estudiar un nuevo sistema de lanzamiento potencial con el objetivo de proporcionar costos de lanzamiento que fueran el 20 por ciento del transbordador espacial estadounidense operado por la NASA . [2] BAe se enteró del trabajo del fabricante de motores británico Rolls-Royce en un motor adecuado, y pronto concibió un avión espacial con alas de una sola etapa a órbita (SSTO) no tripulado y completamente reutilizable como vehículo de lanzamiento. [2]
Así, el proyecto se convirtió pronto en una empresa conjunta entre BAe y Rolls-Royce, dirigida por John Scott-Scott y Bob Parkinson . [2] Desde el principio, hubo una ambición de "europeizar" el proyecto e involucrar a otras naciones en su desarrollo y fabricación, ya que se reconoció que se necesitarían aproximadamente 4 mil millones de libras para financiar el desarrollo a gran escala. [2] En agosto de 1984, BAe presentó una exhibición pública del proyecto de lanzamiento de satélites HOTOL y dio a conocer detalles sobre sus operaciones propuestas. [3]
En diciembre de 1984, un memorando del Departamento de Comercio e Industria (DTI) señaló que Alemania Occidental estaba interesada en el programa, mientras que Francia había adoptado una actitud crítica hacia HOTOL, que el ministerio consideró que podría deberse a que se lo consideraba un competidor de los proyectos liderados por Francia. Según el Ministro de Comercio e Industria Geoffrey Pattie , la presión diplomática francesa para reunir apoyo para su propio vehículo espacial Hermes propuesto había generado inadvertidamente apoyo e interés entre los miembros de la Agencia Espacial Europea (ESA) en el proyecto HOTOL. [3] A pesar de este clima de interés tentativo y posible apoyo europeo, había una actitud general de renuencia dentro del gobierno británico a tomar la iniciativa en un nuevo lanzador espacial. [3]
En marzo de 1985, hubo afirmaciones de que Rolls-Royce estaba en proceso de llevar a cabo conversaciones para la concesión de licencias para la tecnología del motor HOTOL con la empresa de propulsión estadounidense Rocketdyne . [3] En abril de 1985, Pattie escribió al Secretario de Estado de Defensa Michael Heseltine para proponer un estudio de prueba de concepto de dos años por 3 millones de libras esterlinas que se realizaría bajo un acuerdo de asociación público-privada , consistente en 1 millón de libras esterlinas proporcionado por el gobierno del Reino Unido y el resto financiado por los propios Rolls-Royce y BAe. Pattie razonó que el proyecto serviría a la "capacidad estratégica" de Gran Bretaña, y que las pruebas de tecnologías clave podrían fomentar la colaboración internacional. [3] Según la publicación aeroespacial Flight International , el apoyo del Ministerio de Defensa (MoD) era fundamental ya que el diseño del motor de HOTOL había sido clasificado. [3] [2]
En julio de 1985, el director técnico de Rolls-Royce, Gordon Lewis, declaró que la empresa buscaba la participación del grupo de propulsión del Royal Aircraft Establishment (RAE) y que Rolls-Royce no estaba preparada para invertir sus propios fondos en el desarrollo de motores para HOTOL. [3] En la segunda mitad de 1985, se había comenzado a trabajar en el estudio de concepto de prueba de dos años. [3] Desde el principio, hubo una presión considerable para demostrar la viabilidad y credibilidad del proyecto antes de que la ESA tomara las decisiones finales sobre el Hermes y lo que se convertiría en el sistema de lanzamiento Ariane 5 , por lo que el trabajo se concentró en la validación de las tecnologías críticas involucradas. [2]
En noviembre de 1985, las discusiones entre el DTI y la RAE indicaron que Rolls-Royce estaba buscando datos estadounidenses sobre la tecnología de los estatorreactores para apoyar su trabajo en el motor, al que se refería con el nombre de Swallow . [3] Según se informa, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos estaba interesada en la tecnología utilizada en el motor Swallow para sus propios fines. [2] En noviembre de 1985, las discusiones entre la primera ministra Margaret Thatcher , el ministro sin cartera David Young y el asesor científico del presidente estadounidense Ronald Reagan, George Keyworth, señalaron el interés estadounidense en colaborar en el desarrollo de vehículos hipersónicos como el HOTOL, y que un prototipo podría estar volando ya en 1990. [3]
Según los archivos del gobierno británico, ni BAe ni el Ministerio de Defensa estaban entusiasmados con las perspectivas de una participación estadounidense en el programa, y expresaron su reticencia porque creían que el resultado de una medida de ese tipo podría hacer que el Reino Unido se convirtiera en un miembro menor de un proyecto que una vez dirigió. [3] También existía la creencia de que si Gran Bretaña decidía asociarse con los Estados Unidos, se encontraría congelada fuera del trabajo sobre futuros lanzadores europeos. [2] Sin embargo, Rolls-Royce consideraba necesaria la cooperación transatlántica. [3] El director de negocios futuros de BAe, Peter Conchie, declaró que, si era posible, HOTOL debería convertirse en parte del marco espacial europeo. [2] A principios de 1986, el gobierno británico aprobó formalmente el estudio de dos años. [3]
En diciembre de 1984, el consultor de gestión de proyectos David Andrews publicó una crítica de ocho páginas del programa, señalando que el diseño estaba optimizado para el ascenso, al tiempo que se exponía a cargas térmicas prolongadas durante el descenso debido a un bajo nivel de resistencia . También afirmó que el vehículo no ofrecía ninguna capacidad que no estuviera ya disponible; BAe respondió que las críticas realizadas habían sido respondidas. [3] En abril de 1985, el controlador adjunto del departamento de investigación y desarrollo del Ministerio de Defensa, James Barnes, afirmó que el HOTOL carecía de justificación y que no existía ningún requisito de defensa para tales vehículos. También señaló que los "problemas de ingeniería son considerables" y que era poco probable que entrara en servicio hasta la década de 2020; Barnes también observó que el motor HOTOL era "ingenioso". [3]
En noviembre de 1985, la RAE publicó una evaluación de la propuesta de estudio de HOTOL; la organización creía que HOTOL tardaría hasta 20 años en desarrollarse, en lugar del cronograma de 12 años que había previsto la industria. La RAE también proyectó que el proyecto tendría un costo total estimado de £5 mil millones (según su valor en 1985), £750 millones de los cuales se requerirían en una fase de definición de seis años y unos £25 millones en un estudio de viabilidad previo a la definición. [3]
Durante el desarrollo, se descubrió que el motor trasero, relativamente pesado, desplazaba el centro de masas del vehículo hacia atrás, por lo que el vehículo debía diseñarse de modo que desplazara el centro de resistencia aerodinámica lo más atrás posible para garantizar la estabilidad durante todo el régimen de vuelo. El rediseño del vehículo para lograrlo requería una gran cantidad de sistemas hidráulicos, que costaban una proporción significativa de la carga útil y hacían que la economía no fuera clara. [4] En particular, algunos de los análisis parecían indicar que una tecnología similar aplicada a un enfoque basado en cohetes puros daría aproximadamente el mismo rendimiento a un menor costo.
En 1989, las perspectivas para HOTOL se habían vuelto sombrías; desde el inicio del proyecto, el apoyo entre el gobierno británico y los socios industriales había sido desigual, mientras que Estados Unidos había surgido como la única nación extranjera que mostró voluntad de contribuir al programa, [3] en parte debido al secreto que lo rodeaba. Había pocas perspectivas de participación europea, ya que la ESA había decidido continuar con el desarrollo de lo que se convertiría en el Ariane 5 , un sistema de lanzamiento espacial convencional. [3] Rolls-Royce se retiró del proyecto, juzgando que era poco probable que el mercado final para el motor fuera lo suficientemente grande como para compensar los costos de desarrollo. [5] El gobierno británico se negó a ofrecer más fondos para HOTOL. El proyecto estaba casi al final de su fase de diseño, mientras que gran parte de los planes permanecían en un estado especulativo; se informó que la nave todavía estaba plagada de problemas aerodinámicos y desventajas operativas en este punto.
En 1991, BAe promovió un rediseño más económico, el Interim HOTOL o HOTOL 2 , que se lanzaría desde la parte trasera de un avión de transporte Antonov An-225 modificado ; sin embargo, esta propuesta también fue rechazada. El diseño del Interim HOTOL prescindiría de un ciclo de motor con respiración de aire y estaba diseñado para utilizar una mezcla más convencional de LOX e hidrógeno líquido como combustible. [6]
En 1989, el cocreador de HOTOL, Alan Bond, y los ingenieros John Scott-Scott y Richard Varvill formaron Reaction Engines Limited (REL), que desde entonces ha estado trabajando en un nuevo motor de respiración de aire, SABRE , que utilizó diseños alternativos para evitar (y mejorar) las patentes de Rolls-Royce, y el vehículo Skylon destinado a resolver los problemas de HOTOL. Publicaron por primera vez estos conceptos de motor y nave espacial en 1993, [7] y desde entonces han estado desarrollando las tecnologías centrales, en particular el motor y su preenfriador controlado por escarcha; inicialmente apoyado por financiación privada, pero últimamente con el apoyo de la Agencia Espacial Europea , el Centro Espacial Nacional Británico , la Agencia Espacial del Reino Unido , BAe, [8] y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea . A partir de 2017, [actualizar]REL planea demostrar un preenfriador listo para volar que funcione en condiciones de vuelo simuladas en 2018, y probar estáticamente un núcleo de motor de demostración en 2020.
HOTOL fue concebido como un avión espacial no tripulado, totalmente reutilizable, con alas de una sola etapa en órbita (SSTO). La nave no tripulada estaba destinada a poner una carga útil de alrededor de 7 a 8 toneladas en órbita, a 300 km de altitud. [9] Estaba previsto que despegara desde una pista, montada en la parte trasera de un gran carro propulsado por cohete que ayudaría a que la nave alcanzara la "velocidad de trabajo". El motor estaba destinado a cambiar de propulsión a chorro a propulsión a cohete puro a una altura de 26 a 32 km, momento en el que la nave viajaría a Mach 5 a 7. Después de alcanzar la órbita baja terrestre (LEO), HOTOL estaba destinado a volver a entrar en la atmósfera y planear para aterrizar en una pista convencional (aproximadamente 1.500 metros como mínimo). Solo se habría transportado una única carga útil a la vez, ya que BAe había juzgado que esto era más económico, ya que eliminaba cualquier necesidad de interfaz satelital y permitía que las misiones se adaptaran a los requisitos individuales. [9]
Durante su fase de gran altitud, su sistema de control de vuelo habría estado conectado a estaciones terrestres y a la navegación del sistema de navegación global basado en el espacio , mientras que el radar se habría utilizado durante las fases de despegue y aterrizaje. Además de la colocación de satélites en órbita geoestacionaria o LOE, HOTOL también estaba previsto que fuera capaz de realizar la recuperación de satélites y hardware de la LOE. [9] El material promocional de BAe muestra el acoplamiento de HOTOL con la Estación Espacial Internacional (ISS), una hazaña que, según la compañía, habría requerido una operación tripulada, ya que los sistemas automatizados no eran capaces de realizar tales maniobras de acoplamiento en ese momento. [9] HOTOL fue diseñado para realizar vuelos no tripulados totalmente automatizados; sin embargo, en una etapa posterior se había previsto reintroducir potencialmente un piloto. Las operaciones tripuladas habrían requerido la instalación de un módulo presurizado dedicado dentro de la bahía de carga útil. [9]
Tal como estaba diseñado, el HOTOL habría tenido 62 metros de largo, 12,8 metros de alto, un diámetro de fuselaje de 5,7 metros y una envergadura de 19,7 metros. [9] Presentaba un diseño de ala que se había derivado del del Concorde ; su gran área resultó en una carga alar relativamente baja, lo que habría resultado en temperaturas de reentrada más bajas (nunca por encima de los 1.400 °C). [9] Construido a partir de materiales compuestos de carbono , no habría sido necesario el uso de baldosas aislantes similares a las que comprendían el sistema de protección térmica del transbordador espacial . El tren de aterrizaje guardado internamente habría sido demasiado pequeño para soportar el peso del cohete completamente cargado de combustible, por lo que los aterrizajes de emergencia habrían requerido que se arrojara el combustible. [9]
El RB545, que recibió el nombre de "Swallow" por parte de su fabricante, el fabricante de motores británico Rolls-Royce, era un motor de cohete que respiraba aire. [3] Habría funcionado como un motor de doble función integrado, ya que habría sido capaz de respirar aire mientras operaba dentro de la atmósfera y de operar de manera similar a la de un cohete cuando se había acercado a la LEO y dentro de ella. [10] Este motor también habría sido capaz de impulsar la nave espacial a velocidades hipersónicas . Fue un elemento crucial del programa, habiéndose atribuido públicamente como "el corazón de los muy bajos costos de lanzamiento de Hotol". [9]
Los detalles exactos de este motor estaban cubiertos por la Ley de Secretos Oficiales del Reino Unido; en consecuencia, hay relativamente poca información pública sobre su desarrollo y su funcionamiento. Sin embargo, el material fue desclasificado más tarde cuando la política gubernamental cambió para evitar que se mantuvieran patentes secretas sin una justificación atribuida. [11] [5]
Dentro de la atmósfera, el aire se toma a través de dos rampas de admisión montadas verticalmente , luego el flujo se dividiría, pasando la cantidad correcta a los preenfriadores y el exceso a los conductos de derrame. El hidrógeno de los tanques de combustible pasaría a través de dos intercambiadores de calor para preenfriar el aire antes de ingresar a un ciclo de motor tipo turborreactor de alta relación de presión general : el hidrógeno calentado impulsa una turbina para comprimir y alimentar el aire enfriado al motor del cohete, donde se quema con parte del hidrógeno utilizado para enfriar el aire. La mayor parte del hidrógeno caliente restante se libera desde la parte trasera del motor, y una pequeña cantidad se extrae para recalentar el aire en los conductos de derrame en una disposición de estatorreactor para producir "arrastre de momento de admisión negativo". [a]
Para evitar que los preenfriadores se congelaran, el primer preenfriador enfrió el aire a unos 10 grados por encima del punto de congelación, para licuar el vapor de agua en el aire. Luego se habría inyectado oxígeno líquido (LOX) en el flujo de aire para bajar la temperatura a -50 °C (-58 °F) congelando instantáneamente el agua en cristales de hielo microscópicos, lo suficientemente fríos como para que no se derritieran debido al calentamiento cinético si chocaban con los elementos del segundo preenfriador. Se podría haber agregado una trampa de agua después del primer preenfriador si las condiciones de operación resultaran en un exceso de humedad. [12]
Cuando ya no fuera posible utilizar la atmósfera para la combustión, el RB545 pasaría a utilizar LOX a bordo para quemar con el hidrógeno como un cohete de hidrógeno/oxígeno de alta eficiencia. [3]
