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El Demostrador Avanzado de Reentrada ( ARD ) fue un vehículo de reentrada suborbital de la Agencia Espacial Europea (ESA). Fue desarrollado y operado con fines experimentales, específicamente para validar las múltiples tecnologías de reentrada integradas en él y el diseño general del vehículo, así como para obtener una mayor comprensión de los diversos fenómenos que se encuentran durante la reentrada.
El ARD sólo realizó un único vuelo espacial. El 21 de octubre de 1998, el vehículo fue lanzado en el tercer vuelo del sistema de lanzamiento desechable Ariane 5. Alcanzando una altitud registrada de 830 km, el ARD realizó un regreso guiado a la Tierra antes de amerizar relativamente cerca de su punto de destino previsto en el Océano Pacífico después de una hora y 41 minutos de vuelo. Tras su recuperación y posterior análisis, se determinó que el vehículo había funcionado bien, ya que el cono frontal y la protección térmica del escudo térmico habían permanecido en un estado ideal y habían permanecido completamente herméticos y perfectamente intactos.
El ARD fue el primer vehículo de reentrada suborbital guiado fabricado, lanzado y recuperado por Europa. [1] [2] Uno de los objetivos principales de la misión era la recopilación de conocimientos que pudieran utilizarse posteriormente durante el desarrollo de futuros vehículos de reentrada y capacidades de aterrizaje precisas. Tras el programa, la ESA decidió embarcarse en un demostrador de reentrada de seguimiento, conocido como Vehículo experimental intermedio (IVX). El primer vehículo IXV realizó su primer vuelo de prueba con éxito durante febrero de 2015. Los demostradores ARD e IVX están destinados a servir como trampolines de desarrollo hacia un vehículo llamado Space Rider , destinado a ser el primero de una serie de aviones espaciales estándar de producción .
A partir de la década de 1980, hubo un creciente interés internacional en el desarrollo de naves espaciales reutilizables; en ese momento, solo las superpotencias de la época, la Unión Soviética y los Estados Unidos, habían desarrollado esta capacidad. [2] Las naciones europeas como Gran Bretaña y Francia se embarcaron en sus propios programas nacionales para producir aviones espaciales , como HOTOL y Hermes , mientras intentaban atraer el respaldo de la multinacional Agencia Espacial Europea (ESA). Si bien estos programas finalmente no obtuvieron suficiente apoyo para continuar el desarrollo, todavía había demanda dentro de varios estados miembros de la ESA para continuar con el desarrollo de vehículos espaciales reutilizables. [2] En consecuencia, poco después del abandono del programa Hermes, se decidió llevar a cabo un programa de demostración de tecnología con el objetivo de producir un vehículo que respaldara el desarrollo de naves espaciales reutilizables posteriores. La ESA se refirió posteriormente a este programa, que se conocería como Demostrador de Reentrada Atmosférica (ARD), como: "un paso importante hacia el desarrollo y la operación de vehículos de transporte espacial que puedan regresar a la Tierra... Por primera vez, Europa volará una misión espacial completa: lanzará un vehículo al espacio y lo recuperará de forma segura". [2]
El ARD se desarrolló y operó como un programa espacial civil cooperativo bajo la supervisión de la ESA; se enmarcaba en el Programa de Transporte Espacial Tripulado (MSTP) de la agencia. [1] En este marco, el programa se llevó a cabo con un par de objetivos principales explícitos. En primer lugar, la ESA estaba interesada en realizar una demostración de la capacidad de la industria espacial europea para diseñar y producir vehículos de reentrada de bajo costo, así como su capacidad para manejar las fases de misión críticas involucradas en su operación, como el vuelo suborbital, la reentrada y la recuperación del vehículo. [1] Además, el ARD estaba equipado con un conjunto completo de sensores y equipos de grabación para que se obtuvieran mediciones detalladas durante las pruebas; se reconoció que la exploración de varios fenómenos a lo largo de las sucesivas fases de vuelo sería de gran valor. Los datos obtenidos se catalogarían posteriormente y se aprovecharían durante otros programas, especialmente futuros vehículos de reentrada y sistemas de lanzamiento reutilizables . [1] [2]
El contratista principal seleccionado para llevar a cabo el desarrollo y la construcción del ARD fue la empresa aeroespacial francesa Aérospatiale (que más tarde se fusionó con el grupo multinacional EADS – SPACE Transportation ). [1] Durante 1995 y 1996, se llevaron a cabo múltiples estudios de desarrollo que exploraban conceptos para la forma de dicho vehículo; finalmente, se decidió adoptar una configuración que se asemejara a la clásica cápsula tripulada Apollo que había sido operada anteriormente por la NASA . El uso de una forma existente fue una medida deliberada para evitar una exploración a fondo de las propiedades aerodinámicas de la nave; tanto las dimensiones como la masa de la nave también se definieron por las capacidades del sistema de lanzamiento desechable Ariane 5 utilizado para desplegar el vehículo. [1] [2]
Se ha afirmado que, incluso al principio, el calendario del programa era relativamente ajustado y la financiación era limitada. [1] Según la ESA, la financiación restrictiva del programa fue un esfuerzo intencionado para demostrar que un vehículo de este tipo podía demostrarse con un presupuesto menor que el de los esfuerzos anteriores. [2]
La experiencia y los datos obtenidos a través de los demostradores ARD e IVX están sirviendo como peldaños de desarrollo hacia un vehículo llamado Space Rider .
El ARD es una cápsula automatizada estabilizada de 3 ejes no tripulada que sirvió como vehículo de reentrada experimental principalmente para fines de prueba de tecnología y recopilación de datos. [2] En términos de su forma, el vehículo tiene un parecido externo a una versión a escala del 70 por ciento de la cápsula estadounidense Apollo, y la ESA lo considera un vehículo a escala del 50 por ciento de un posible vehículo de transporte potencialmente operativo; como tal, tiene 2,8 metros de diámetro y pesa 2,8 toneladas en el punto de interfaz atmosférica. [1] [2] El ARD posee una estructura presurizada hermética al aire y al agua compuesta principalmente de una aleación de aluminio , que está protegida por una capa de teselas compuestas de corcho Norcoat 62250 FI en el exterior del cono de la nariz y por una disposición de teselas de resina de fenol formaldehído y dióxido de silicio aleastrasil sobre el escudo térmico . El vehículo en sí se puede dividir en tres secciones distintas: la sección del escudo frontal, la sección del cono trasero y la sección de la cubierta trasera. [1] [2]
El ARD posee capacidades de maniobrabilidad durante el reingreso; se logra una relación sustentación-resistencia favorable a través de un centro de gravedad desplazado . [1] [2] La ley de guía es similar a la de Apollo y el transbordador espacial , y se basa en un control del perfil de velocidad de resistencia y maniobras de ángulos de inclinación para cumplir con el calentamiento, el factor de carga, el rebote y otras condiciones requeridas; según la ESA, esto proporcionó una precisión de guía final aceptable (dentro de los 5 km) con una complejidad de cálculo en tiempo real limitada. En funcionamiento, el sistema de guía se activa una vez que las fuerzas aerodinámicas se vuelven eficientes y mientras el sistema de control de reacción siga siendo eficiente. [1] [2] En lugar de utilizar superficies de control de vuelo , el control no lineal está asegurado por una variedad de siete propulsores de hidracina que, según el fabricante, se derivaron del sistema de lanzamiento desechable Ariane 5 . Estos propulsores de cohetes, cada uno de los cuales genera típicamente 400 N de empuje, se dispusieron en una configuración de descarga y se posicionaron de modo que tres unidades proporcionaran control de cabeceo , dos para balanceo y dos para guiñada . [1] [2]
Durante su reentrada en la atmósfera, el escudo térmico del ARD está expuesto a temperaturas que alcanzan los 2000 °C y a un flujo de calor que alcanza un máximo de 1000 kW/m2, resultante de la ionización de la atmósfera, que a su vez es causada por el vehículo que viaja a velocidades hipersónicas , superiores a los 27.000 km/h durante partes de su descenso de reentrada. [2] Si bien el área cónica del vehículo puede alcanzar los 1000 °C, con un flujo de calor de 90-125 kW/m2, la temperatura interior no superará los 40 °C. Las medidas de protección térmica utilizadas fueron una combinación de materiales preexistentes que Aerospatiale ya había desarrollado en el marco de programas militares franceses junto con múltiples materiales de nueva generación, estos últimos se habían incluido principalmente con fines de prueba. [2] Durante el reingreso, el escudo de la cabeza del ARD pierde solo 0,5 mm de su espesor, manteniendo su forma aerodinámica relativamente constante, lo que a su vez simplifica los algoritmos de control de vuelo. [2]
El vehículo está equipado con un sistema de recuperación de descenso (DRS), desplegado antes del amerizaje para limitar las cargas de impacto y asegurar su flotabilidad por hasta 36 horas. [2] Este sistema implica el despliegue de múltiples paracaídas , almacenados dentro del espacio interno de la punta del cono de la nariz; en total, normalmente se despliegan un paracaídas piloto de cinta plana, un paracaídas de frenado de cinta cónica con una sola etapa de rizos y tres paracaídas principales de cinta ranurada con dos etapas de rizos. Para fines de flotabilidad , también hay un par de globos inflables en el DRS, que ayudan a mantener el vehículo en posición vertical. [1] Para ayudar en su recuperación, el ARD está equipado con una radiobaliza de búsqueda y rescate basada en satélite y una luz intermitente. [2]
El espacio interior del ARD estaba equipado con las tecnologías más avanzadas para probar y calificar nuevas tecnologías y capacidades de control de vuelo para el reingreso atmosférico y el aterrizaje. [1] La aviónica del vehículo se obtuvo principalmente de equipos existentes utilizados en el lanzador Ariane 5. Los sistemas de guía y navegación utilizaban un sistema de navegación inercial computarizado que, a través de un bus de datos , sería corregido automáticamente por GPS durante la fase balística del vuelo. Sin embargo, el ARD fue diseñado para ser tolerante a casos de falla del GPS; esto se logra a través de una serie de algoritmos de bucle de control que verifican que los datos derivados del GPS estén dentro de una "ventana de credibilidad" preestablecida, definida por las lecturas de navegación inercial. [1] Durante la única misión del vehículo, registró y transmitió continuamente a tierra más de 200 parámetros críticos que se utilizaron para analizar el rendimiento de vuelo del ARD, así como el comportamiento del equipo a bordo. [2]
El ARD sólo realizó un único vuelo espacial. El 21 de octubre de 1998 , el ARD fue lanzado en el tercer vuelo del sistema de lanzamiento desechable Ariane 5. [1] Fue liberado poco después de la separación de la etapa principal criogénica del lanzador (a una altitud de unos 216 km) 12 minutos después del despegue desde el Centro Espacial de Guayana , el puerto espacial europeo en Kourou, Guayana Francesa . El ARD alcanzó una altitud registrada de 830 km, después de lo cual se realizó un reingreso guiado a la atmósfera. Cayó a 4,9 km de su punto objetivo en el Océano Pacífico entre las Islas Marquesas y Hawai después de una hora y 41 minutos de vuelo. [1]
El ARD fue recuperado aproximadamente cinco horas después del amerizaje. Después de la recuperación, el vehículo fue transportado de vuelta a Europa y sometido a un análisis técnico detallado para obtener más información sobre su rendimiento. Los ingenieros que analizaron los datos de su vuelo suborbital informaron que todos los sistemas de la cápsula habían funcionado bien y de acuerdo con las expectativas; el análisis de la transmisión de telemetría en tiempo real de la nave durante el vuelo también informó que todos los equipos eléctricos y sistemas de propulsión funcionaron nominalmente. Los sistemas de telemetría y las estaciones de recepción a bordo habían funcionado bien, y el receptor GPS a bordo funcionó satisfactoriamente durante todo el vuelo, excepto, como se esperaba, durante el apagón en el reingreso. [1]
Tras el análisis posterior a la misión del rendimiento del ARD, se anunció que se habían cumplido con éxito todos los requisitos de demostración y del sistema del programa. [1] El vuelo de prueba en sí se describió como "casi nominal", en particular los aspectos de trayectoria y control de vuelo; además, se descubrió que muchos de los sistemas de a bordo, como la navegación (principal y de respaldo), la propulsión, la protección térmica, la comunicación y el DRS habían funcionado como se predijo o habían estado fuera de estas predicciones por solo un pequeño margen. [1] Durante el reingreso, la temperatura del escudo térmico alcanzó una temperatura máxima registrada de 900 °C; sin embargo, tanto el cono del vehículo como la protección térmica del escudo térmico se encontraron en un estado perfecto después de su recuperación. [1]
Entre los problemas que se destacaron durante el análisis se encuentran el papel de las incertidumbres de diseño que han provocado dificultades a la hora de observar algunos fenómenos físicos, como los efectos reales de los gases, y la caracterización del entorno aerotérmico, que también se vio obstaculizada debido a la falla prematura de algunos termopares . En general, se afirmó que el vuelo había aportado una gran cantidad de información aerodinámica de alta calidad que, entre otros beneficios, sirvió para confirmar y mejorar las capacidades de las herramientas de predicción basadas en tierra. [1] Desde su recuperación y la conclusión del examen posterior a la misión, el único vehículo ARD se ha conservado y se ha convertido en una exposición de acceso público en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial en Noordwijk , Países Bajos. [1]