La entrada atmosférica no balística es una clase de trayectorias de entrada atmosférica que siguen una trayectoria no balística empleando sustentación aerodinámica en la atmósfera superior. Incluye trayectorias como saltar y deslizarse. [1] [2]
Saltar es una trayectoria de vuelo en la que la nave espacial entra y sale de la atmósfera. El planeo es una trayectoria de vuelo en la que la nave espacial permanece en la atmósfera durante un período de tiempo sostenido de vuelo. [1] En la mayoría de los ejemplos, una reentrada saltada aproximadamente duplica el alcance de los aviones espaciales suborbitales y los vehículos de reentrada a lo largo de la trayectoria puramente balística. En otros, una serie de saltos permiten ampliar aún más el alcance.
La entrada atmosférica no balística se estudió seriamente por primera vez como una forma de ampliar el alcance de los misiles balísticos , pero no se utilizó operativamente de esta forma cuando se introdujeron misiles convencionales con alcance ampliado. Los conceptos aerodinámicos subyacentes se han utilizado para producir vehículos de reentrada maniobrables (MARV), para aumentar la precisión de algunos misiles como el Pershing II . Más recientemente, los conceptos se han utilizado para producir vehículos de planeo hipersónicos (HGV) para evitar la interceptación, como en el caso del Avangard . La extensión del alcance se utiliza como una forma de permitir vuelos a altitudes más bajas, lo que ayuda a evitar la detección del radar durante más tiempo en comparación con una trayectoria balística más alta.
El concepto también se ha utilizado para ampliar el tiempo de reentrada de los vehículos que regresan a la Tierra desde la Luna, que de otro modo tendrían que perder una gran cantidad de velocidad en poco tiempo y, por tanto, sufrirían tasas de calentamiento muy altas. El Módulo de Comando Apolo también utilizó lo que es esencialmente un reentrada por salto, al igual que el Zond soviético y el Chang'e 5-T1 chino .
La base conceptual fue notada por primera vez por los oficiales de artillería alemanes, quienes descubrieron que sus proyectiles de flecha Peenemünder Pfeilgeschosse viajaban mucho más lejos cuando se disparaban desde altitudes más altas. Esto no fue del todo inesperado debido a la geometría y al aire más fino, pero cuando se tuvieron en cuenta estos factores, todavía no pudieron explicar los rangos mucho mayores que se estaban observando. Las investigaciones en Peenemünde les llevaron a descubrir que las trayectorias más largas en el aire más fino a gran altitud daban como resultado que el proyectil tuviera un ángulo de ataque que producía sustentación aerodinámica a velocidades supersónicas. En ese momento esto se consideró muy indeseable porque hacía que la trayectoria fuera muy difícil de calcular, pero su posible aplicación para ampliar el alcance no pasó desapercibida para los observadores. [3]
En junio de 1939, Kurt Patt de la oficina de diseño de Klaus Riedel en Peenemünde propuso alas para convertir la velocidad y altitud del cohete en sustentación y alcance aerodinámicos. [4] Calculó que esto duplicaría aproximadamente el alcance de los cohetes A-4 de 275 kilómetros (171 millas) a aproximadamente 550 kilómetros (340 millas). El desarrollo inicial se consideró bajo el nombre A-9, aunque durante los próximos años se llevarían a cabo pocos trabajos aparte de los estudios del túnel de viento en la empresa Zeppelin-Staaken . La investigación de bajo nivel continuó hasta 1942, cuando fue cancelada. [5]
La primera propuesta conocida para el concepto de planeo impulsado para un uso verdaderamente de largo alcance data del Silbervogel de 1941 , una propuesta de Eugen Sänger para un bombardero propulsado por cohetes capaz de atacar la ciudad de Nueva York desde bases en Alemania y luego volar para aterrizar en algún lugar del mundo. Océano Pacífico en poder del Imperio del Japón . La idea sería utilizar las alas del vehículo para generar sustentación y elevarse hacia una nueva trayectoria balística, saliendo de la atmósfera nuevamente y dándole tiempo al vehículo para que se enfríe entre los saltos. [6] Más tarde se demostró que la carga de calentamiento durante los saltos era mucho mayor de lo calculado inicialmente y habría derretido la nave espacial. [7]
En 1943 se volvió a desempolvar la obra de la A-9, esta vez con el nombre de A-4b . Se ha sugerido que esto se debió a que ahora se basaba en un A-4 no modificado, [5] o porque el programa A-4 tenía "prioridad nacional" en ese momento, y se garantizaba la colocación del desarrollo bajo el nombre A-4. fondos. [8] El A-4b utilizó alas en flecha para ampliar el alcance del V2 lo suficiente como para permitir ataques a ciudades del Reino Unido en las Midlands o llegar a Londres desde áreas más profundas dentro de Alemania. [3] El A-9 era originalmente similar, pero luego presentó largas alas ojivales en forma de delta en lugar de las más convencionales en flecha. Este diseño fue adaptado como etapa superior tripulada para el misil intercontinental A-9/A-10, que se deslizaría desde un punto sobre el Atlántico con el alcance suficiente para bombardear Nueva York antes de que el piloto saliera corriendo . [8] [un]
En la era inmediata de la posguerra, el ingeniero de cohetes soviético Aleksei Isaev encontró una copia de un informe actualizado de agosto de 1944 sobre el concepto Silbervogel . Hizo traducir el artículo al ruso y finalmente llamó la atención de Joseph Stalin , quien estaba intensamente interesado en el concepto de un bombardero antípoda . En 1946, envió a su hijo Vasily Stalin y al científico Grigori Tokaty , que también había trabajado en cohetes alados antes de la guerra, a visitar a Sänger e Irene Bredt en París e intentar convencerlos de unirse a un nuevo esfuerzo en la Unión Soviética . Sänger y Bredt rechazaron la invitación. [10]
En noviembre de 1946, los soviéticos formaron la oficina de diseño NII-1 bajo la dirección de Mstislav Keldysh para desarrollar su propia versión sin Sänger y Bredt. [11] Sus primeros trabajos los convencieron de pasar de un concepto de planeo hipersónico propulsado por cohete a un misil de crucero supersónico propulsado por estatorreactor , no muy diferente del Navajo que se estaba desarrollando en los Estados Unidos durante el mismo período. El desarrollo del bombardero Keldysh continuó durante un tiempo , pero las mejoras en los misiles balísticos convencionales finalmente hicieron que el proyecto fuera innecesario. [10] [b]
En los Estados Unidos, el concepto de salto-planeo fue defendido por muchos de los científicos alemanes que se trasladaron allí, principalmente Walter Dornberger y Krafft Ehricke de Bell Aircraft . En 1952, Bell propuso un concepto de bombardero que era esencialmente una versión de lanzamiento vertical del Silbervogel conocido como Bomi. Esto llevó a una serie de conceptos posteriores durante la década de 1950, incluidos Robo, Hywards, Brass Bell y, en última instancia, el Boeing X-20 Dyna-Soar . [12] Los diseños anteriores eran generalmente bombarderos, mientras que los modelos posteriores estaban destinados al reconocimiento u otras funciones. Dornberger y Ehricke también colaboraron en un artículo de Popular Science de 1955 en el que se presentaba la idea para su uso en aviones de pasajeros. [13] [14]
La introducción exitosa de misiles balísticos intercontinentales (ICBM) en el papel ofensivo acabó con cualquier interés en los conceptos de bombarderos de vuelo libre, al igual que los satélites de reconocimiento para el papel de avión espía. El caza espacial X-20 mantuvo el interés durante la década de 1960, pero finalmente fue víctima de recortes presupuestarios; Después de otra revisión en marzo de 1963, Robert McNamara canceló el programa en diciembre, señalando que después de gastar 400 millones de dólares todavía no tenían una misión que cumplir. [15]
Durante la década de 1960, el concepto de deslizamiento y salto no vio interés como una forma de ampliar el alcance, lo que ya no era una preocupación para los misiles modernos, sino como la base para vehículos maniobrables de reentrada para misiles balísticos intercontinentales. El objetivo principal era que el RV cambiara su trayectoria durante el reingreso para que los misiles antibalísticos (ABM) no pudieran seguir sus movimientos con la suficiente rapidez para una intercepción exitosa. El primer ejemplo conocido fueron las pruebas Alpha Draco de 1959, seguidas por la serie de pruebas Boost Glide Reentry Vehicle (BGRV), ASSET [16] y PRIME . [17]
Esta investigación finalmente se puso en práctica en el vehículo de reentrada MARV del Pershing II . En este caso, no hay una fase de planeo prolongada; la ojiva utiliza elevación sólo durante períodos cortos para ajustar su trayectoria. Esto se utiliza al final del proceso de reentrada, combinando datos de un sistema de navegación inercial Singer Kearfott con un radar activo de Goodyear Aerospace . [18] Se han desarrollado conceptos similares para los misiles balísticos de teatro de operaciones de la mayoría de las naciones con armas nucleares .
La Unión Soviética también había invertido algunos esfuerzos en el desarrollo del MARV para evitar los ABM estadounidenses, pero el cierre de las defensas estadounidenses en la década de 1970 significó que no había razón para continuar con este programa. Las cosas cambiaron en la década de 2000 con la introducción de la defensa terrestre a mitad de camino de los EE. UU ., lo que llevó a Rusia a reanimar este trabajo. En octubre de 2016 se informó que el vehículo, denominado Objeto 4202 en la era soviética, había superado con éxito una prueba. [19] El sistema se reveló públicamente el 1 de marzo de 2018 como el vehículo de planeo hipersónico (HGV) Avangard ( ruso : Авангард ; inglés: Vanguard ), que entró oficialmente en servicio activo como carga útil de misiles balísticos intercontinentales el 27 de diciembre de 2019. [20] Vladimir Putin anunció que Avangard había entrado en producción en serie, alegando que su maniobrabilidad lo hace invulnerable a todas las defensas antimisiles actuales. [21]
China también ha desarrollado una ojiva de propulsión y planeo, la DF-ZF (conocida por la inteligencia estadounidense como "WU-14"). [22] A diferencia de los diseños MARV de EE. UU. y Rusia, el objetivo principal del DF-ZF es usar impulso-planeo para ampliar el alcance mientras vuela a altitudes más bajas que las que se usarían para alcanzar el mismo objetivo usando una trayectoria puramente balística. Esto tiene como objetivo mantenerlo fuera de la vista de los radares del Sistema de Combate Aegis de la Marina de los EE. UU. el mayor tiempo posible y, por lo tanto, reducir el tiempo que ese sistema tiene para responder a un ataque. DF-ZF se presentó oficialmente el 1 de octubre de 2019. Esfuerzos similares por parte de Rusia llevaron a los proyectos de prueba hipersónicos Kholod y GLL-8 Igla , y más recientemente al vehículo de planeo hipersónico Yu-71 que puede ser transportado por RS-28 Sarmat . [23] [24]
Boost-Glide se convirtió en un tema de cierto interés como posible solución al requisito de Ataque Global Inmediato (PGS) de EE. UU., que busca un arma que pueda alcanzar un objetivo en cualquier lugar de la Tierra dentro de una hora después del lanzamiento desde los Estados Unidos . PGS no define el modo de operación, y los estudios actuales incluyen ojiva de planeo de arma hipersónica avanzada , avión hipersónico Falcon HTV-2 y misiles lanzados desde submarinos. [25] Lockheed Martin está desarrollando este concepto como el hipersónico AGM-183A ARRW . [26]
La técnica fue utilizada por la serie soviética Zond de naves espaciales circunlunares, que utilizaban un salto antes del aterrizaje. En este caso, se requirió un verdadero salto para permitir que la nave espacial alcanzara las áreas de aterrizaje en latitudes más altas. Zond 6 , Zond 7 y Zond 8 lograron saltarse entradas con éxito, aunque Zond 5 no lo hizo. [27] [28] El Chang'e 5-T1 , que volaba perfiles de misión similares a Zond, también utilizó esta técnica.
El módulo de comando Apollo utilizó un concepto similar a un salto para reducir las cargas de calefacción en el vehículo al extender el tiempo de reentrada, pero la nave espacial no volvió a abandonar la atmósfera y ha habido un debate considerable sobre si esto lo convierte en un verdadero perfil de salto. La NASA se refirió a ella simplemente como "entrada de elevación". Se consideró un verdadero perfil de saltos múltiples como parte del concepto Apollo Skip Guidance, pero no se utilizó en ningún vuelo con tripulación. [29] El concepto continúa apareciendo en vehículos más modernos como la nave espacial Orion , que hizo la primera entrada estadounidense en la misión Artemis 1 , utilizando computadoras a bordo. [30] [31] [32]
Utilizando ecuaciones de movimiento simplificadas y suponiendo que durante el vuelo atmosférico tanto las fuerzas de arrastre como las de sustentación serán mucho mayores que la fuerza de gravedad que actúa sobre el vehículo, se pueden derivar las siguientes relaciones analíticas para un vuelo de reentrada con salto: [33]
donde es el ángulo de la trayectoria de vuelo con respecto a la horizontal local, el subíndice E indica las condiciones al inicio del vuelo de entrada y el subíndice F indica las condiciones al final del vuelo de entrada.
La velocidad antes y después de la entrada se puede derivar y relacionar de la siguiente manera:
¿Dónde está la relación elevación-arrastre del vehículo?
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