Un cuerpo sustentador es una configuración de aeronave 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 sustentador 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 no sustentadoras, los cuerpos sustentadores generalmente minimizan la resistencia y la estructura de un ala para el vuelo subsónico, supersónico e hipersónico , o el reingreso a una nave espacial . Todos estos regímenes de vuelo plantean desafíos para la seguridad del vuelo adecuada.
Los cuerpos sustentadores fueron un área importante de investigación en los años 60 y 70 como un medio para construir una nave espacial tripulada pequeña y liviana. Estados Unidos construyó una serie de aviones cohete con cuerpos sustentadores 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 Estados Unidos perdió interés en la misión tripulada, y el desarrollo principal terminó durante el proceso de diseño del transbordador espacial cuando quedó claro que los fuselajes de formas pronunciadas dificultaban la colocación de tanques de combustible.
Los conceptos avanzados de aviones espaciales de los años 1990 y 2000 sí utilizaron diseños con fuselaje sustentador. Algunos ejemplos incluyen el Sistema de Lanzamiento de Personal HL-20 (1990) y el avión espacial Prometheus (2010). El avión espacial con fuselaje sustentador Dream Chaser , una extensión de la tecnología HL-20, fue propuesto 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 fuselaje sustentador. [1]
El cuerpo sustentador había sido imaginado en 1917, año en el que un avión con una forma similar a una planta de ala delta con un fuselaje grueso incluido fue descrito en una patente por Roy Scroggs . [2] Sin embargo, a bajas velocidades aerodinámicas, el cuerpo sustentador es ineficiente y no entró en el diseño de aviones convencionales. [ cita requerida ]
La investigación de cuerpos sustentadores relacionados con la industria aeroespacial surgió de la idea de que las naves espaciales reingresaran a la atmósfera terrestre y aterrizaran de manera muy similar a un avión normal . Después de la reentrada atmosférica, las cápsulas espaciales de las series Mercury , Gemini y Apollo tenían muy poco control sobre dónde aterrizaban. Una nave espacial dirigible con alas podría extender significativamente su envoltura de aterrizaje. Sin embargo, las alas del vehículo tendrían que estar diseñadas para soportar las tensiones dinámicas y térmicas tanto de la reentrada como del vuelo hipersónico. Una propuesta eliminó las alas por completo: diseñar el cuerpo del fuselaje para que produzca sustentación por sí mismo.
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 real que salió del programa de Reed fue el NASA M2-F1 , una nave sin motor hecha de madera. Las pruebas iniciales se realizaron remolcando el M2-F1 a lo largo del lecho seco de un lago en la Base Aérea Edwards de 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 agregó un pequeño motor de cohete para extender la envolvente de aterrizaje. El M2-F1 pronto fue apodado "Bañera voladora".
En 1963, la NASA inició programas con vehículos con fuselaje sustentador propulsados por cohetes más pesados que se lanzarían desde el aire 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 fuselajes sustentadores Dryden, todos, excepto el NASA M2-F1 sin motor, usaban un motor cohete XLR11 como el que se usaba en el Bell X-1 . [5] Un diseño posterior denominado Northrop HL-10 se desarrolló en el Centro de Investigación Langley de la NASA . La separación del flujo de aire provocó el accidente del fuselaje sustentador Northrop M2-F2 . [ cita requerida ] El HL-10 intentó resolver parte de este problema inclinando los estabilizadores verticales de babor y estribor hacia afuera y agrandando el central. [ cita requerida ]
A partir de 1965 se desarrolló el Mikoyan-Gurevich MiG-105 o EPOS (acrónimo ruso de Experimental Passenger Orbital Aircraft) con fuselaje sustentador 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 sustentador de la Agencia Espacial Europea, cuyo objetivo es validar los 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]
En 2010, Orbital Sciences propuso un avión espacial comercial con cuerpo sustentador. [7] El Prometeo se describe con más detalle a continuación.
Los cuerpos sustentadores plantean problemas complejos de control, estructura y configuración interna. Finalmente, se los rechazó en 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 transbordador.
Al planificar el reingreso a la atmósfera, el lugar de aterrizaje se selecciona de antemano. En el caso de los vehículos de reingreso reutilizables, normalmente se prefiere un lugar principal que esté más cerca del lugar de lanzamiento para reducir los 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 tenga que ejecutar un aterrizaje en un lugar alternativo. Además, la mayoría de los aeropuertos no tienen pistas de aterrizaje de la longitud suficiente para soportar la velocidad de aproximación y la distancia de giro requeridas por las naves espaciales. Existen pocos aeropuertos en el mundo que puedan soportar o ser modificados para soportar este tipo de requisito. Por lo tanto, los lugares de aterrizaje alternativos están muy espaciados en los EE. UU. y en todo el mundo. El diseño del ala delta del transbordador fue impulsado por estos problemas. Estos requisitos se exacerbaron aún más por los requisitos que extendieron la envolvente de aterrizaje del transbordador.
No obstante, el concepto de cuerpo sustentador se ha implementado en varios otros programas aeroespaciales , como el mencionado X-38 de la NASA , el X-33 de Lockheed Martin , el Multi Unit Space Transport And Recovery Device de BAC , el Phoenix de EADS de Europa y la nave espacial conjunta ruso-europea Kliper . De las tres formas básicas de diseño que se suelen analizar para dichos programas (cápsula, cuerpo sustentador, aeronave), el cuerpo sustentador puede ofrecer la mejor relación en términos de maniobrabilidad y termodinámica, al tiempo que satisface los requisitos de misión de sus clientes.
El Dream Chaser es un avión espacial suborbital y orbital [8] de despegue vertical y aterrizaje horizontal (VTHL) que está siendo desarrollado por Sierra Nevada Corporation (SNC). El diseño del Dream Chaser está previsto para transportar hasta siete personas hacia y desde la órbita baja de la Tierra , y actualmente se prevé 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 en un Atlas V y aterrizará horizontalmente en pistas convencionales. [9]
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Algunas aeronaves 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 la Bellanca Aircraft Company , como el Bellanca Aircruiser , tenían fuselajes con forma vagamente aerodinámica capaces de generar algo de sustentación, e incluso los puntales de las alas en algunas versiones tenían carenados ensanchados para darles cierta capacidad de generación de sustentación. Asimismo, se ha demostrado, a partir de estudios aerodinámicos más modernos, que el avión de carreras Gee Bee R-1 Super Sportster de la década de 1930 tenía una capacidad considerable para generar sustentación con su diseño de fuselaje, importante para el papel de carreras previsto del R-1, mientras realizaba giros de pilón muy inclinados mientras competía. [10] Vincent Burnelli desarrolló varias aeronaves entre las décadas de 1920 y 1950 que utilizaban sustentación de fuselaje. Al igual que los monoplanos Bellanca anteriores, el Short SC.7 Skyvan produce una cantidad sustancial de sustentación a partir de 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 fuselaje ancho entre las alas. Debido a que el fuselaje ancho del F-15 Eagle es tan eficiente en la sustentación, un F-15 puede aterrizar con éxito con una sola ala, aunque casi con toda la potencia, y el empuje contribuye significativamente a la sustentación. En el verano de 1983, un F-15 israelí realizó un simulacro de combate aéreo con Skyhawks con fines de entrenamiento, cerca de Nahal Tzin en el desierto del Néguev. Durante el ejercicio, uno de los Skyhawks calculó mal y chocó con fuerza con la raíz del ala del F-15 . El piloto del F-15 era consciente de que el ala había resultado gravemente dañada, pero decidió intentar aterrizar en una base aérea cercana, sin saber la magnitud del daño en el ala. Fue solo después de haber aterrizado, cuando salió de la cabina y miró hacia atrás, que 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 una ala unida. Unos meses después, el F-15 dañado recibió una nueva ala y volvió a estar operativo en el escuadrón. A los ingenieros de McDonnell Douglas les costó creer la historia del aterrizaje con una sola 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 sustentador combinado" , de aproximadamente una cuarta parte del tamaño del transbordador espacial , como una opción comercial para llevar astronautas a la órbita baja de la Tierra 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 apto para humanos, pero aterrizaría en una pista. [12] El diseño inicial debía haber llevado una tripulación de 4, pero podría llevar 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 la NASA, Orbital anunció en abril de 2011 que probablemente reduciría sus esfuerzos para desarrollar un vehículo de tripulación comercial. [14]
Los principios de diseño de cuerpos sustentadores se utilizan también en la construcción de dirigibles híbridos .
El gobierno de los EE. UU. desarrolló una variedad de diseños de carrocerías elevadoras para vehículos de prueba de concepto y de prueba de vuelo desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1970 en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong . [3] Estos incluyeron:
Los cuerpos sustentadores 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 sustentadores para enviar una sonda a un planeta distante similar a la Tierra en la película animada Alien Planet . El Doppelgänger de Gerry Anderson de 1969 utilizó un módulo de aterrizaje/ascendedor de cuerpo sustentador VTOL para visitar un planeta similar a la Tierra, solo para estrellarse en ambos intentos. Su serie UFO presentó una nave con cuerpo sustentador visualmente similar al M2-F2 para operaciones orbitales ("The Man Who Came Back"). En el juego de computadora Buzz Aldrin's Race Into Space , un X-24A modificado se convierte en una nave espacial alternativa con capacidad lunar que el jugador puede elegir sobre la cápsula Gemini o Apollo .
El programa de televisión de los años 70 The Six Million Dollar Man utilizó imágenes de un avión con fuselaje sustentador, 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 , que se estrellaba y daba volteretas violentamente a lo largo de la pista del lecho seco del lago Edwards. La causa del accidente se atribuyó al inicio del balanceo holandés derivado de la inestabilidad del control inducida por la separación del flujo. [ cita requerida ]
El episodio "The Deadly Replay" (temporada 2, episodio 8, emitido el 22/9/1974) presenta el HL-10 como un elemento de la historia. [16]
Dream Chaser se convertirá en un vehículo suborbital totalmente capaz en camino de alcanzar la capacidad orbital.
El director ejecutivo Dave Thompson dijo... "No anticipo, en este momento, que continuaremos con nuestro propio proyecto en esa carrera. Lo estaremos observando y si surge una oportunidad, podemos reconsiderarlo. Pero en este momento, no anticiparía mucha actividad de nuestra parte en el mercado de tripulaciones comerciales".
