Lockheed Martin X-33

El Lockheed Martin X-33 fue una propuesta de avión espacial suborbital demostrador de tecnología de subescala, sin tripulación, que se desarrolló durante un período en la década de 1990. El X-33 era un demostrador de tecnología para el avión espacial orbital VentureStar, que estaba previsto que fuera un vehículo de lanzamiento reutilizable de próxima generación operado comercialmente. El X-33 probaría en vuelo una gama de tecnologías que la NASA creía que necesitaba para vehículos de lanzamiento reutilizables de etapa única a órbita (SSTO RLV), como sistemas metálicos de protección térmica, tanques de combustible criogénicos compuestos para hidrógeno líquido, el aerospike motor, control de vuelo autónomo (sin tripulación), tiempos de respuesta de vuelo rápidos a través de operaciones optimizadas y su aerodinámica del cuerpo elevador.

Las fallas de su tanque de combustible de material compuesto de 21 metros de envergadura y de múltiples lóbulos durante las pruebas de presión finalmente llevaron a la retirada del apoyo federal para el programa a principios de 2001. Lockheed Martin ha realizado pruebas no relacionadas y ha tenido una sola éxito después de una serie de fracasos tan recientemente como 2009 utilizando un modelo a escala de 2 metros.

Historia

En 1994, la NASA inició el programa de vehículos de lanzamiento reutilizables (RLV). Después de un programa de Fase I que desarrolló propuestas de Rockwell International, McDonnell Douglas y Lockheed Martin, en 1996 se otorgó a Lockheed Martin un contrato de Fase II para desarrollar el X-33 como vehículo de demostración. Al mismo tiempo, Orbital Sciences obtuvo un contrato. para desarrollar el X-34, un vehículo de investigación hipersónico lanzado desde el aire.

Los objetivos del programa RLV fueron:

• "Demuestrar tecnologías que conducen a una nueva generación de impulsores espaciales capaces de entregar cargas de pago a un costo significativamente menor"
• "Producir una base tecnológica para el desarrollo de sistemas de lanzamientos comerciales avanzados que harán que los fabricantes aeroespaciales estadounidenses sean más competitivos en el mercado global".

Se gastaron mil millones de dólares hasta 1999, de los cuales aproximadamente el 80 por ciento provino de la NASA y el dinero adicional aportó los socios de la industria. El objetivo era realizar un primer vuelo en marzo de 1999 y que el VentureStar, el vehículo espacial reutilizable operativo, volara en 2006.

.. para construir un vehículo que lleva días, no meses, para dar la vuelta; docenas, no miles, de personas para operar; con costos de lanzamiento que son una décima parte de lo que son ahora. Nuestro objetivo es un vehículo de lanzamiento reutilizable que reducirá el costo de conseguir una libra de carga útil a órbita de $10,000 a $1,000.

—D. Goldin NASA administrador en el programa RLV

Cancelación

El programa fue cancelado en febrero de 2001.

La construcción del prototipo estaba ensamblada en un 85% con el 96% de las piezas y la instalación de lanzamiento 100% completa cuando la NASA canceló el programa en 2001, después de una larga serie de dificultades técnicas, incluida la inestabilidad del vuelo y el exceso de peso.

En particular, el tanque de combustible compuesto de hidrógeno líquido falló durante las pruebas en noviembre de 1999. El tanque estaba construido con paredes compuestas de panal y estructuras internas para reducir su peso. Se necesitaba un tanque más ligero para que la nave demostrara las tecnologías necesarias para operaciones de etapa única a órbita. La fracción de masa de una nave SSTO alimentada con hidrógeno requiere que el peso del vehículo sin combustible sea el 10% del peso con el combustible completo. Esto permitiría que un vehículo volara a la órbita terrestre baja sin la necesidad de propulsores externos y tanques de combustible utilizados por el transbordador espacial. Pero, después de que el tanque compuesto fallara en el banco de pruebas durante las pruebas de presión y carga de combustible, la NASA llegó a la conclusión de que la tecnología de la época simplemente no estaba lo suficientemente avanzada para tal diseño. Si bien las paredes del tanque compuesto eran más livianas, la forma del tanque de hidrógeno necesaria para encajar dentro de la línea de molde aerodinámica dio como resultado uniones complejas que aumentaron la masa total del tanque compuesto por encima de la de un tanque a base de aluminio, y demasiado pesado para un vehículo SSTO.

La NASA había invertido 922 millones de dólares en el proyecto antes de su cancelación, y Lockheed Martin otros 357 millones de dólares. Debido a los cambios en el negocio de los lanzamientos espaciales, incluidos los desafíos que enfrentan empresas como Globalstar, Teledesic e Iridium y la consiguiente caída en el número previsto de lanzamientos de satélites comerciales por año, Lockheed Martin concluyó que continuar con el desarrollo del X-33 de forma privada sin el apoyo del gobierno no sería rentable.

En 2004, Northrop Grumman construyó y probó con éxito un tanque de hidrógeno criogénico compuesto cilíndrico simple como parte de los primeros trabajos para el programa Constellation.

Diseño y desarrollo

Mediante el uso de la forma del cuerpo elevador, tanques compuestos de combustible líquido multilobulado y el motor aerospike, la NASA y Lockheed Martin esperaban probar el vuelo de una nave que demostraría la viabilidad de una etapa única en órbita (Diseño SSTO). Una nave espacial capaz de alcanzar la órbita en una sola etapa no requeriría tanques de combustible externos ni propulsores para alcanzar la órbita terrestre baja. Eliminar la necesidad de "puesta en escena" con vehículos de lanzamiento, como el Shuttle y los cohetes Apollo, daría lugar a un vehículo de lanzamiento espacial intrínsecamente más fiable y seguro. Si bien el X-33 no se acercaría a la seguridad de un avión, el X-33 intentaría demostrar una confiabilidad de 0,997, o 3 contratiempos en 1000 lanzamientos, lo que sería un orden de magnitud más confiable que el transbordador espacial. Los 15 vuelos experimentales previstos del X-33 sólo pudieron iniciar esta evaluación estadística.

La nave sin tripulación habría sido lanzada verticalmente desde una instalación especialmente diseñada construida en la Base de la Fuerza Aérea Edwards y habría aterrizado horizontalmente (VTHL) en una pista al final de su misión. Se planearon vuelos de prueba suborbitales iniciales desde Edwards AFB hasta Dugway Proving Grounds al suroeste de Salt Lake City, Utah.

Una vez que se completaron esos vuelos de prueba, se debían realizar más pruebas de vuelo desde la Base Aérea Edwards hasta la Base Aérea Malmstrom en Great Falls, Montana, para recopilar datos más completos sobre el calentamiento de las aeronaves y el rendimiento del motor a velocidades y altitudes más altas.

El 2 de julio de 1996, la NASA seleccionó Lockheed Martin Skunk Works de Palmdale, California, para diseñar, construir y probar el vehículo experimental X-33 para el programa RLV. El concepto de diseño de Lockheed Martin para el X-33 fue seleccionado entre conceptos competidores de Rockwell International y McDonnell Douglas. Rockwell propuso un diseño derivado del transbordador espacial y McDonnell Douglas propuso un diseño basado en su vehículo de prueba DC-XA de despegue y aterrizaje vertical (VTVL).

El X-33 sin tripulación estaba programado para realizar 15 saltos suborbitales a casi 75,8 km de altitud. Debía ser lanzado en posición vertical como un cohete y, en lugar de tener una trayectoria de vuelo recta, volaría en diagonal durante la mitad del vuelo, alcanzando altitudes extremadamente altas, y luego, durante el resto del vuelo, se deslizaría de regreso a una pista.

El X-33 nunca tuvo la intención de volar a más de 100 km de altitud, ni a más de la mitad de la velocidad orbital. Si se hubieran realizado pruebas exitosas, habría sido necesaria una extrapolación para aplicar los resultados a un vehículo orbital propuesto.

La decisión de diseñar y construir el X-33 surgió de un estudio interno de la NASA titulado "Acceso al espacio". A diferencia de otros estudios de transporte espacial, "Acceso al Espacio" debía dar como resultado el diseño y construcción de un vehículo.

Vuelo espacial comercial

Basándose en la experiencia del X-33 compartida con la NASA, Lockheed Martin esperaba presentar el argumento comercial para un SSTO RLV a gran escala, llamado VentureStar, que se desarrollaría y operaría a través de medios comerciales. La intención era que, en lugar de operar sistemas de transporte espacial como lo ha hecho con el transbordador espacial, la NASA recurriría a la industria privada para operar el vehículo de lanzamiento reutilizable y la NASA compraría servicios de lanzamiento al proveedor de lanzamiento comercial. Por lo tanto, el X-33 no solo se trataba de perfeccionar las tecnologías de vuelos espaciales, sino también de demostrar con éxito la tecnología necesaria para hacer posible un vehículo de lanzamiento comercial reutilizable.

El VentureStar iba a ser el primer avión comercial en volar al espacio. El VentureStar estaba destinado a vuelos intercontinentales largos y se suponía que estaría en servicio en 2012, pero este proyecto nunca fue financiado ni iniciado.

Características generales

• Duración: 69 pies (21 m)
• Width: 77 pies (23 m)
• Peso máximo de despegue: 285.000 libras (129,274 kg)
• Capacidad de combustible: 210.000 libras (95.000 kg)
• Powerplant: 2 × XRS-2200 motor de cohete aerospike lineal, 410.000 lbf (1.800 kN) empuje cada

Rendimiento

• Velocidad máxima: 9.896 mph (15.926 km/h, 8.599 kn)
• Velocidad máxima: Mach 13

Investigación continua

Después de la cancelación en 2001, los ingenieros pudieron fabricar un tanque de oxígeno líquido funcional a partir de un compuesto de fibra de carbono. Las pruebas demostraron que los compuestos eran materiales viables para tanques de oxígeno líquido.

El 7 de septiembre de 2004, Northrop Grumman y los ingenieros de la NASA dieron a conocer un tanque de hidrógeno líquido hecho de material compuesto de fibra de carbono que había demostrado la capacidad de realizar recargas repetidas de combustible y ciclos de lanzamiento simulados. Northrop Grumman concluyó que estas pruebas exitosas han permitido el desarrollo y perfeccionamiento de nuevos procesos de fabricación que permitirán a la empresa construir grandes tanques compuestos sin autoclave; y diseño y desarrollo de ingeniería de tanques de combustible conformes apropiados para su uso en un vehículo de una sola etapa a órbita.

Las propuestas alternativas

Cinco empresas expresaron interés y propusieron conceptos. De esos cinco, Lockheed Martin, Rockwell y McDonnell Douglas fueron seleccionados para elaborar propuestas más detalladas.

Rockwell

Rockwell propuso un diseño derivado del transbordador espacial. Habría utilizado un motor principal del transbordador espacial (SSME) y dos motores RL-10-5A.

En un sistema posterior a gran escala para alcanzar la órbita, Rockwell planeó utilizar seis motores Rocketdyne RS-2100.

McDonnell Douglas

McDonnell Douglas presentó un diseño que utiliza motores de campana de oxígeno líquido/hidrógeno basado en su vehículo de prueba de despegue y aterrizaje vertical DC-XA. Habría utilizado un único SSME para el sistema de propulsión principal.