Una prueba de caída es un método para probar las características en vuelo de aviones y naves espaciales prototipo o experimentales elevando el vehículo de prueba a una altitud específica y luego soltándolo. Los vuelos de prueba que involucran aviones propulsados, particularmente aviones propulsados por cohetes , pueden denominarse lanzamientos de lanzamiento debido al lanzamiento de los cohetes del avión después de soltarlos de su avión de transporte.
En el caso de aeronaves sin motor, el vehículo de prueba cae o se desliza después de su liberación en un descenso sin motor hasta un lugar de aterrizaje. Las pruebas de caída se pueden utilizar para verificar el rendimiento aerodinámico y la dinámica de vuelo del vehículo de prueba, para probar sus sistemas de aterrizaje o para evaluar la capacidad de supervivencia de un aterrizaje planificado o forzoso. Esto permite a los diseñadores del vehículo validar modelos de vuelo por computadora , pruebas en túnel de viento u otras características teóricas del diseño de una aeronave o nave espacial.
Las pruebas de caída a gran altitud se pueden realizar llevando el vehículo de prueba a bordo de una nave nodriza a una altitud objetivo para su liberación. [1] Las pruebas de caída a baja altitud se pueden realizar liberando el vehículo de prueba de una grúa o pórtico . [2]
El tren de aterrizaje de los aviones utilizados en portaaviones debe ser más resistente que el de los aviones terrestres, debido a las mayores velocidades de aproximación y tasas de caída durante los aterrizajes en portaaviones. [3] [4] Ya en la década de 1940, las pruebas de caída se realizaban elevando un avión basado en portaaviones, como el Grumman F6F Hellcat, a una altura de diez pies y luego se dejaba caer, simulando el impacto de un aterrizaje a diecinueve pies por segundo. (5,8 m/s). Finalmente, el F6F se dejó caer desde una altura de veinte pies (6,1 m), lo que demuestra que podía absorber el doble de fuerza que el aterrizaje de un portaaviones. [5] [6] Las pruebas de caída todavía se utilizan en el desarrollo y prueba de aviones con base en portaaviones; En 2010, el Lockheed Martin F-35C Lightning II se sometió a pruebas de caída para simular su velocidad máxima de descenso de 26,4 pies por segundo (8,0 m/s) durante los aterrizajes en portaaviones. [7] [8]
Se han realizado pruebas de lanzamiento o lanzamiento de numerosos aviones experimentales y prototipos . Muchos aviones X propulsados , incluidos Bell X-1 , Bell X-2 , North American X-15 , Martin Marietta X-24A y X-24B , Orbital Sciences X-34 , Boeing X-40 y NASA X-43A. Fueron diseñados específicamente para ser lanzados. También se probaron artículos de prueba del NASA X-38 sin motor , desde altitudes de hasta 45.000 pies (14.000 m), para estudiar sus cualidades aerodinámicas y de manejo, capacidades de vuelo autónomo y despliegue de su parafoil orientable . [9]
Algunos aviones experimentales diseñados para lanzamientos aéreos, como el Northrop HL-10 , han realizado pruebas de caída sin motor y lanzamientos con motor. Antes de los vuelos motorizados utilizando su motor cohete, el HL-10 realizó 11 vuelos de descenso sin motor para estudiar las cualidades de manejo y la estabilidad del cuerpo sustentador en vuelo. [10]
Los primeros aviones experimentales, como el X-1 y el X-2 , se transportaban a bordo de bombarderos B-29 y B-50 modificados . [11] [12] En la década de 1950, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos proporcionó a la NASA un bombardero B-52 para ser utilizado como nave nodriza para el X-15 experimental . Construido en 1955, el B-52 fue sólo el décimo en salir de la línea de montaje y fue utilizado por la Fuerza Aérea para pruebas de vuelo antes de entregárselo a la NASA. [13] Volando con el número de cola 008 de la NASA, el avión fue apodado Balls 8 por los pilotos de la Fuerza Aérea, siguiendo la tradición de referirse a los aviones numerados con múltiples ceros como "Balls" más el número final. [14]
Balls 8 recibió modificaciones significativas para poder transportar el X-15. Se instaló un pilón especial, diseñado para transportar y soltar el X-15, debajo del ala derecha, entre el fuselaje y el motor interior. También se cortó una muesca en uno de los flaps del ala derecha para que el avión pudiera acomodar la cola vertical del X-15. Balls 8 fue uno de los dos bombarderos modificados para llevar el X-15; mientras que el otro avión fue retirado en 1969 después del final del programa X-15, la NASA continuó usando Balls 8 para pruebas de caída hasta que fue retirado en 2004. Durante sus 50 años de carrera, Balls 8 transportó numerosos vehículos experimentales, incluido el HL- 10, X-24A, X-24B, X-38 y X-43A. [13]
Durante el diseño del orbitador del transbordador espacial en la década de 1970, los ingenieros debatieron si diseñar el orbitador para que se deslizara hasta un aterrizaje sin motor o equiparlo con motores a reacción emergentes para realizar un aterrizaje con motor. Si bien el diseño de aterrizaje motorizado requería llevar los motores y el combustible para aviones, lo que agregaba peso y complejidad al orbitador, los ingenieros comenzaron a favorecer la opción de aterrizaje motorizado. En respuesta, la NASA llevó a cabo pruebas de caída sin motor del X-24B para demostrar la viabilidad de aterrizar un avión con cuerpo elevador en vuelo sin motor. En 1975, el avión X-24B fue lanzado desde un Balls 8 a una altitud de 45.000 pies (14.000 m) sobre el desierto de Mojave , y luego encendió los motores de cohetes para aumentar la velocidad e impulsarlo a 60.000 pies (18.000 m). Una vez que el motor del cohete se apagó, las condiciones de alta velocidad y gran altitud permitieron al X-24B simular la trayectoria de un transbordador espacial en órbita en condiciones de reentrada post-atmosférica . El X-24B realizó con éxito dos aterrizajes de precisión sin motor en la Base de la Fuerza Aérea Edwards , lo que demuestra la viabilidad de un diseño de cuerpo elevador sin motor para el transbordador espacial. Estos éxitos convencieron a los responsables del programa del transbordador espacial de comprometerse con un diseño de aterrizaje sin motor, lo que ahorraría peso y aumentaría la capacidad de carga útil del orbitador. [15] [16]
En 1977, se llevaron a cabo una serie de pruebas de caída del transbordador espacial Enterprise para probar las características de vuelo del transbordador espacial. Debido a que el transbordador espacial está diseñado para planear sin motor durante su descenso y aterrizaje, se utilizó una serie de pruebas de caída utilizando un orbitador de prueba para demostrar que el orbitador podía controlarse con éxito en vuelo sin motor. Estas pruebas de caída, conocidas como programa de Prueba de Aproximación y Aterrizaje , utilizaron un Boeing 747 modificado , conocido como Shuttle Carrier Aircraft o SCA, para llevar al Enterprise a una altitud de 15.000 a 30.000 pies (4.600 a 9.100 m). Después de una serie de pruebas de vuelo cautivo en las que el orbitador no fue liberado, se realizaron cinco pruebas de vuelo libre entre agosto y octubre de 1977. [17]
Si bien las pruebas de vuelo libre del Enterprise implicaron el lanzamiento de un avión sin motor desde un avión con motor, estas pruebas no fueron típicas de pruebas de caída porque el orbitador en realidad fue transportado y liberado desde una posición por encima del SCA. Esta disposición era potencialmente peligrosa porque colocaba al Enterprise en vuelo libre directamente delante de la aleta caudal del SCA inmediatamente después de su liberación. Como resultado, la "caída" se llevó a cabo mediante una serie de maniobras cuidadosamente planificadas para minimizar el riesgo de colisión de la aeronave. Inmediatamente después del lanzamiento, el Enterprise ascendería hacia la derecha mientras el SCA realizaba una inmersión poco profunda hacia la izquierda, permitiendo una rápida separación vertical y horizontal entre los dos aviones. [18]
A mediados de 2013, Sierra Nevada Corporation planea realizar pruebas de caída de su prototipo de avión espacial comercial Dream Chaser . La primera prueba de vuelo no tripulada dejará caer el prototipo Dream Chaser desde una altitud de 12.000 pies (3.700 m) mediante un helicóptero Columbia 234-UT, donde está previsto que el vehículo vuele de forma autónoma hasta un aterrizaje sin motor en el Dryden Flight Research Center . [19] [20] El Dream Chaser completó con éxito el vuelo libre y pasó la prueba de caída el 11 de noviembre sobre el desierto de Mojave . El vehículo no tripulado aterrizó en la Base de la Fuerza Aérea Edwards .
Se pueden realizar pruebas de caída de prototipos de cápsulas espaciales tripuladas para comprobar la capacidad de supervivencia del aterrizaje, principalmente probando las características de descenso de la cápsula y sus sistemas de aterrizaje posteriores al reingreso . Estas pruebas generalmente se llevan a cabo sin tripulación antes de cualquier prueba de vuelo espacial tripulado.
En 1963, North American Aviation construyó el BP-19A, un módulo de comando Apollo modelo sin tripulación para uso en pruebas de caída. La NASA llevó a cabo una serie de pruebas en 1964 que implicaron dejar caer el BP-19A desde un C-133 Cargomaster para probar los sistemas de paracaídas de la cápsula antes del inicio de las pruebas tripuladas de la nave espacial Apolo. [21]
En 2011 y 2012, la NASA llevó a cabo una serie de pruebas de caída corta sobre la capacidad de supervivencia de los aterrizajes en el agua en su cápsula tripulada Orion , dejando caer repetidamente un vehículo de prueba Orion en una gran cuenca de agua. Las pruebas simularon aterrizajes en el agua a velocidades que variaban de 11 a 80 km/h (7 a 50 mph) cambiando la altura del pórtico de caída sobre la cuenca. El rango de velocidades de aterrizaje permitió a la NASA simular una variedad de posibles condiciones de entrada y aterrizaje durante los aterrizajes en el agua. [22] [23] [24] [25]
En 2011 y 2012, la NASA también realizó pruebas de caída de los sistemas de paracaídas y las capacidades de aterrizaje en tierra del vehículo de prueba Orion. En cada prueba, la nave espacial Orion fue lanzada desde un avión de carga C-17 o C-130 . Para realizar las pruebas, la cápsula se monta sobre un sistema de paletas y se coloca dentro del avión de carga. Los paracaídas sobre el palé se utilizan para sacar el palé y la cápsula de la parte trasera del avión; Luego, la cápsula se separa de la plataforma y comienza su descenso en caída libre. [26]
El 4 de marzo de 2012, un C-17 arrojó un artículo de prueba Orion desde una altitud de 25.000 pies (7.600 m). Los paracaídas de la cápsula se desplegaron con éxito entre 15.000 y 20.000 pies (4.600 a 6.100 m), lo que ralentizó la nave espacial hasta aterrizar en tierra en el desierto de Arizona. La cápsula aterrizó a una velocidad de 27 km/h (17 mph), muy por debajo de la velocidad máxima de aterrizaje diseñada. [27]
En septiembre de 2011, Boeing llevó a cabo una serie de pruebas de caída, realizadas en el desierto de Mojave, en el sureste de California , para validar el diseño de los sistemas de aterrizaje con paracaídas y amortiguación de airbag de la cápsula CST-100 . Las bolsas de aire están ubicadas debajo del escudo térmico del CST-100, que está diseñado para separarse de la cápsula mientras desciende en paracaídas a aproximadamente 5000 pies (1500 m) de altitud. Las pruebas se llevaron a cabo a velocidades de avance de entre 10 y 30 millas por hora (16 y 48 km/h) para simular las condiciones de viento cruzado en el momento del aterrizaje. Bigelow Aerospace construyó el banco de pruebas móvil y realizó las pruebas. [28]
En abril de 2012, Boeing realizó otra prueba de caída de su prototipo de cápsula espacial CST-100 para probar los sistemas de aterrizaje de la cápsula. El vehículo de prueba fue elevado en helicóptero a una altitud de 11.000 pies (3.400 m) y luego liberado; Los tres paracaídas principales de la cápsula se desplegaron con éxito y frenaron el descenso de la cápsula. Inmediatamente antes del aterrizaje, las seis bolsas de aire de la cápsula se inflaron debajo de la cápsula para absorber parte de la energía del impacto del aterrizaje. Se planean pruebas de caída similares para realizar pruebas adicionales de bolsas de aire, así como pruebas de lanzamiento del paracaídas y del escudo térmico . [29]
En 2009 y 2010, la NASA realizó un par de pruebas de caída para estudiar la capacidad de supervivencia en accidentes de helicóptero. Utilizando un helicóptero MD 500 donado por el ejército de EE. UU., la NASA dejó caer el helicóptero en ángulo desde una altitud de 35 pies (11 m) para simular un aterrizaje forzoso de helicóptero. Dentro del helicóptero se colocaron sofisticados maniquíes de pruebas de choque con órganos internos simulados y se utilizaron para evaluar las lesiones internas derivadas de un accidente de este tipo. [30] [31] Debido a los grandes daños sufridos por el helicóptero de prueba después de la segunda prueba, no se planeó una tercera prueba. [31]