Un cuerpo sustentador es una configuración de avión o nave espacial de ala fija en la que el propio cuerpo produce sustentación . A diferencia de un ala volante , que es un ala con un fuselaje convencional mínimo o nulo , un cuerpo sustentable puede considerarse como un fuselaje con poco o ningún ala convencional . Mientras que un ala volante busca maximizar la eficiencia de crucero a velocidades subsónicas eliminando superficies que no se sustentan, los cuerpos sustentadores generalmente minimizan la resistencia y la estructura de un ala para vuelos subsónicos, supersónicos e hipersónicos , o para el reingreso de naves espaciales . Todos estos regímenes de vuelo plantean desafíos para una seguridad de vuelo adecuada.
Los cuerpos elevadores fueron un área importante de investigación en las décadas de 1960 y 1970 como medio para construir una nave espacial tripulada pequeña y liviana. Estados Unidos construyó varios aviones cohete con cuerpo elevador para probar el concepto, así como varios vehículos de reentrada lanzados por cohetes que se probaron sobre el Pacífico. El interés disminuyó a medida que la Fuerza Aérea de EE. UU. perdió interés en la misión tripulada, y el desarrollo importante terminó durante el proceso de diseño del transbordador espacial cuando quedó claro que los fuselajes muy moldeados dificultaban la instalación del tanque de combustible.
Los conceptos avanzados de aviones espaciales de las décadas de 1990 y 2000 utilizaron diseños de cuerpos elevadores. Los ejemplos incluyen el sistema de lanzamiento de personal HL-20 (1990) y el avión espacial Prometheus (2010). El avión espacial Dream Chaser , una extensión de la tecnología HL-20, se propuso como uno de los tres vehículos para transportar potencialmente a la tripulación estadounidense hacia y desde la Estación Espacial Internacional , pero finalmente fue seleccionado como vehículo de reabastecimiento. En 2015, el Vehículo Experimental Intermedio de la ESA realizó el primer reingreso exitoso de una nave espacial con cuerpo sustentador. [1]
El cuerpo sustentador había sido imaginado en 1917, año en el que un avión con algo así como una forma de ala delta con un fuselaje grueso incluido fue descrito en una patente de Roy Scroggs . [2] Sin embargo, a bajas velocidades, el cuerpo de elevación es ineficiente y no entró en el diseño de aviones convencional. [ cita necesaria ]
La investigación sobre cuerpos elevadores relacionada con el sector aeroespacial surgió de la idea de que las naves espaciales volvieran a entrar en la atmósfera de la Tierra y aterrizaran de forma muy parecida a un avión normal . Después del reingreso a la atmósfera, las cápsulas espaciales de las series Mercury , Gemini y Apollo tenían muy poco control sobre dónde aterrizaban. Una nave espacial orientable con alas podría ampliar significativamente su envolvente de aterrizaje. Sin embargo, las alas del vehículo tendrían que diseñarse para soportar las tensiones dinámicas y térmicas tanto del vuelo hipersónico como del reingreso. Una propuesta eliminó las alas por completo: diseñar el cuerpo del fuselaje para que produzca sustentación por sí solo.
Los refinamientos de la NASA del concepto de cuerpo sustentador comenzaron en 1962 con R. Dale Reed del Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA . [3] El primer modelo de tamaño completo que salió del programa de Reed fue el M2-F1 de la NASA , una nave sin motor hecha de madera. Las pruebas iniciales se realizaron remolcando el M2-F1 a lo largo del lecho de un lago seco en la Base de la Fuerza Aérea Edwards en California, detrás de un Pontiac Catalina modificado . [4] Más tarde, la nave fue remolcada detrás de un C-47 y liberada. Dado que el M2-F1 era un planeador , se añadió un pequeño motor cohete para ampliar la envolvente de aterrizaje. El M2-F1 pronto recibió el sobrenombre de "Bañera voladora".
En 1963, la NASA inició programas con vehículos de carrocería elevadora propulsados por cohetes más pesados que se lanzaban desde debajo del ala de estribor de un NB-52B, un derivado del bombardero a reacción B-52 . Los primeros vuelos comenzaron en 1966. De los cuerpos elevadores Dryden, todos, excepto el M2-F1 de la NASA sin motor, utilizaron un motor de cohete XLR11 como el que se usó en el Bell X-1 . [5] En el Centro de Investigación Langley de la NASA se desarrolló un diseño de seguimiento denominado Northrop HL-10 . La separación del flujo de aire provocó la caída del cuerpo elevador Northrop M2-F2 . [ cita necesaria ] El HL-10 intentó resolver parte de este problema inclinando los estabilizadores verticales de babor y estribor hacia afuera y ampliando el central. [ cita necesaria ]
A partir de 1965 se desarrolló el Mikoyan-Gurevich MiG-105 o EPOS (acrónimo ruso de Avión Orbital Experimental de Pasajeros) con cuerpo elevador ruso y se realizaron varios vuelos de prueba. El trabajo finalizó en 1978, cuando los esfuerzos se trasladaron al programa Buran , mientras que el trabajo en otra nave espacial de pequeña escala continuó parcialmente en el programa Bor .
El IXV es un vehículo experimental de reentrada con cuerpo elevador de la Agencia Espacial Europea destinado a validar lanzadores reutilizables europeos que podrían evaluarse en el marco del programa FLPP . El IXV realizó su primer vuelo en febrero de 2015, lanzado por un cohete Vega . [6]
Orbital Sciences propuso un avión espacial comercial con cuerpo elevador en 2010. [7] El Prometheus se describe con más detalle a continuación.
Los cuerpos de elevación plantean problemas complejos de control, estructurales y de configuración interna. Los cuerpos elevadores finalmente fueron rechazados a favor de un diseño de ala delta para el transbordador espacial. Los datos adquiridos en pruebas de vuelo utilizando aproximaciones de aterrizaje de alta velocidad con ángulos de descenso muy pronunciados y altas tasas de caída se utilizaron para modelar los perfiles de vuelo y aterrizaje del Shuttle.
Al planificar el reingreso a la atmósfera, el lugar de aterrizaje se selecciona de antemano. Para los vehículos de reentrada reutilizables, normalmente se prefiere un sitio primario que esté más cerca del sitio de lanzamiento para reducir costos y mejorar el tiempo de respuesta del lanzamiento. Sin embargo, el clima cerca del lugar de aterrizaje es un factor importante en la seguridad del vuelo. En algunas estaciones, el clima en los lugares de aterrizaje puede cambiar rápidamente en relación con el tiempo necesario para iniciar y ejecutar el reingreso y el aterrizaje seguro. Debido al clima, es posible que el vehículo deba realizar un aterrizaje en un sitio alternativo. Además, la mayoría de los aeropuertos no tienen pistas de longitud suficiente para soportar la velocidad de aterrizaje de aproximación y la distancia de balanceo requeridas por las naves espaciales. Existen pocos aeropuertos en el mundo que puedan soportar o modificarse para soportar este tipo de requisitos. Por lo tanto, los sitios de aterrizaje alternativos están muy espaciados en los EE. UU. y en todo el mundo. El diseño del ala delta del Shuttle fue impulsado por estos problemas. Estos requisitos se vieron exacerbados aún más por requisitos que ampliaron la envolvente de aterrizaje del vuelo del Shuttle.
Sin embargo, el concepto de cuerpo elevador se ha implementado en una serie de otros programas aeroespaciales , el anteriormente mencionado NASA X-38 , Lockheed Martin X-33 , el Multi Unit Space Transport And Recovery Device de BAC , el europeo EADS Phoenix y el conjunto ruso. -La nave espacial europea Kliper . De las tres formas de diseño básicas generalmente analizadas para tales programas (cápsula, cuerpo de elevación, avión), el cuerpo de elevación puede ofrecer la mejor compensación en términos de maniobrabilidad y termodinámica y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de la misión de sus clientes.
El Dream Chaser es un avión espacial suborbital y orbital [8] de despegue vertical y aterrizaje horizontal (VTHL) con cuerpo elevador desarrollado por Sierra Nevada Corporation (SNC). Está previsto que el diseño del Dream Chaser transporte hasta siete personas hacia y desde la órbita terrestre baja , y actualmente está previsto que el avión espacial se utilice para entregar carga a la Estación Espacial Internacional en el marco del programa de Servicios de Reabastecimiento Comercial . El vehículo se lanzará verticalmente sobre un Atlas V y aterrizará horizontalmente en pistas convencionales. [9]
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Algunos aviones con alas también emplean cuerpos que generan sustentación. Algunos de los diseños de monoplanos de ala alta de principios de la década de 1930 de Bellanca Aircraft Company , como el Bellanca Aircruiser , tenían fuselajes vagamente en forma de perfil aerodinámico capaces de generar algo de sustentación, e incluso los puntales de las alas en algunas versiones tenían carenados ensanchados para darles algo de sustentación. -capacidad de generación. Del mismo modo, a partir de estudios aerodinámicos más modernos, se ha demostrado que el avión de carreras Gee Bee R-1 Super Sportster de la década de 1930 tenía una capacidad considerable para generar sustentación con el diseño de su fuselaje, importante para el papel de carreras previsto para el R-1, mientras que en El pilón muy peraltado gira durante la carrera. [10] Vincent Burnelli desarrolló varios aviones entre los años 1920 y 1950 que utilizaban elevación del fuselaje. Al igual que los monoplanos Bellanca anteriores, el Short SC.7 Skyvan produce una cantidad sustancial de sustentación gracias a la forma de su fuselaje, casi tanto como el 35% que produce cada una de las alas.
Los cazas como el F-15 Eagle también producen una sustentación sustancial gracias al amplio fuselaje entre las alas. Debido a que el amplio fuselaje del F-15 Eagle es tan eficiente en la sustentación, un F-15 puede aterrizar exitosamente con un solo ala, aunque casi a plena potencia, y el empuje contribuye significativamente a la sustentación. En el verano de 1983, un F-15 israelí organizó un simulacro de combate aéreo con Skyhawks con fines de entrenamiento, cerca de Nahal Tzin, en el desierto de Negev. Durante el ejercicio, uno de los Skyhawk calculó mal y chocó con fuerza con la raíz del ala del F-15 . El piloto del F-15 sabía que el ala había resultado gravemente dañada, pero decidió intentar aterrizar en una base aérea cercana, sin saber el alcance del daño en el ala. Sólo después de aterrizar, cuando salió de la cabina y miró hacia atrás, el piloto se dio cuenta de lo que había sucedido: el ala había sido completamente arrancada del avión y había aterrizado el avión con solo un ala adherida. Unos meses más tarde, al F-15 dañado se le dio una nueva ala y volvió al servicio operativo en el escuadrón. A los ingenieros de McDonnell Douglas les costó creer la historia del aterrizaje con un ala: en lo que respecta a sus modelos de planificación, esto era imposible. [11]
En 2010, Orbital Sciences propuso el vehículo espacial Prometheus de "cuerpo de elevación combinado" , aproximadamente una cuarta parte del tamaño del transbordador espacial , como una opción comercial para transportar astronautas a la órbita terrestre baja bajo el programa de tripulación comercial . [7] El vehículo de despegue vertical y aterrizaje horizontal (VTHL) debía haber sido lanzado en un cohete Atlas V con clasificación humana , pero aterrizaría en una pista. [12] El diseño inicial debía transportar una tripulación de 4 personas, pero podía transportar hasta 6, o una combinación de tripulación y carga. Además de Orbital Sciences, el consorcio detrás de la propuesta incluía a Northrop Grumman , que habría construido el avión espacial, y United Launch Alliance , que habría proporcionado el vehículo de lanzamiento. [13] Al no ser seleccionado para un premio CCDev fase 2 por parte de la NASA, Orbital anunció en abril de 2011 que probablemente reducirían sus esfuerzos para desarrollar un vehículo comercial para tripulación. [14]
Los principios de diseño de los cuerpos elevadores se utilizan también en la construcción de dirigibles híbridos .
El gobierno de EE. UU. desarrolló una variedad de diseños de carrocerías elevadoras de vehículos de prueba de concepto y de vuelo desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1970 en el Armstrong Flight Research Center . [3] Estos incluyeron:
Los cuerpos elevadores han aparecido en algunas obras de ciencia ficción , incluida la película Marooned , y como la nave espacial Farscape-1 de John Crichton en la serie de televisión Farscape . La serie de televisión Discovery Channel conjeturó el uso de cuerpos elevadores para llevar una sonda a un planeta distante parecido a la Tierra en el Alien Planet animado por computadora . El Doppelgänger de 1969 de Gerry Anderson utilizó un módulo de aterrizaje/ascendente con cuerpo elevador VTOL para visitar un planeta similar a la Tierra, solo para estrellarse en ambos intentos. Su serie UFO presentaba una nave de elevación visualmente similar al M2-F2 para operaciones orbitales ("El hombre que regresó"). En el juego de computadora Race Into Space de Buzz Aldrin , un X-24A modificado se convierte en una nave espacial alternativa con capacidad lunar que el jugador puede elegir en lugar de la cápsula Gemini o Apollo .
El programa de televisión de la década de 1970 The Six Million Dollar Man utilizó imágenes de un avión con cuerpo elevador, extraídas de ejercicios reales de la NASA, en la secuencia del título del programa . Las escenas incluían la separación de un HL-10 de su avión de transporte (un B-52 modificado) y un M2-F2 pilotado por Bruce Peterson , estrellándose y dando vueltas violentamente a lo largo de la pista del lecho seco del lago Edwards. La causa del accidente se atribuyó a la aparición de balanceo holandés derivado de la inestabilidad del control inducida por la separación del flujo. [ cita necesaria ]
El episodio "The Deadly Replay" (episodio 8 de la temporada 2 emitido el 22 de septiembre de 1974) presenta el HL-10 como accesorio de la historia. [dieciséis]
Dream Chaser se convertirá en un vehículo suborbital totalmente capaz en camino de alcanzar la capacidad orbital.
El CEO Dave Thompson dijo... "No anticipo, en este momento, que continuaremos con nuestro propio proyecto en esa carrera. Lo observaremos y, si surge una oportunidad, podemos reconsiderarlo. Pero en este punto "No preveo mucha actividad por nuestra parte en el mercado de tripulaciones comerciales".
