NASA X-43

El NASA X-43 era un avión hipersónico no tripulado experimental con múltiples variaciones de escala planificadas destinadas a probar diversos aspectos del vuelo hipersónico. Formaba parte de la serie X-plane y concretamente del programa Hyper-X de la NASA desarrollado a finales de los años 1990. Estableció varios récords de velocidad para aviones a reacción. El X-43 es el avión a reacción más rápido jamás registrado, con aproximadamente Mach 9,6.

Un cohete propulsor alado con el X-43 colocado en la parte superior, llamado "pila", fue lanzado desde un Boeing B-52 Stratofortress. Después de que el cohete propulsor (una primera etapa modificada del cohete Pegasus) llevó la pila a la velocidad y altitud objetivo, se descartó y el X-43 voló libremente usando su propio motor, un scramjet.

El primer avión de la serie, el X-43A, era un vehículo de un solo uso, del que se construyeron tres. El primer X-43A fue destruido después de un mal funcionamiento en vuelo en 2001. Cada uno de los otros dos voló con éxito en 2004, estableciendo récords de velocidad, con los scramjets funcionando durante aproximadamente 10 segundos seguidos de planeos de 10 minutos y choques intencionales en el océano. Los planes para más aviones de la serie X-43 han sido suspendidos o cancelados y reemplazados por el programa X-51 administrado por la USAF.

Desarrollo

El X-43 fue parte del programa Hyper-X de la NASA, en el que participaron la agencia espacial estadounidense y contratistas como Boeing, Micro Craft Inc, Orbital Sciences Corporation y General Applied Science Laboratory (GASL). Micro Craft Inc. construyó el X-43A y GASL construyó su motor.

Uno de los principales objetivos de la Aeronautics Enterprise de la NASA era el desarrollo y demostración de tecnologías para vuelos hipersónicos que respiran aire. Tras la cancelación del programa del Avión Aeroespacial Nacional (NASP) en noviembre de 1994, Estados Unidos carecía de un programa coherente de desarrollo de tecnología hipersónica. Como uno de los "mejores, más rápidos y más baratos" programas desarrollados por la NASA a fines de la década de 1990, el Hyper-X utilizó tecnología e investigación del programa NASP que lo avanzó hacia la demostración de la propulsión hipersónica por respiración de aire.

La Fase I de Hyper-X fue un programa empresarial de tecnología espacial y aeronáutica de la NASA realizado conjuntamente por el Centro de Investigación Langley, Hampton, Virginia, y el Centro de Investigación de Vuelo Dryden, Edwards, California. Langley fue el centro líder y responsable del desarrollo de la tecnología hipersónica. Dryden fue responsable de la investigación de vuelos.

La Fase I fue un programa de siete años y aproximadamente 230.000.000 de dólares para validar en vuelo la propulsión scramjet, la aerodinámica hipersónica y los métodos de diseño. Las fases posteriores no continuaron, ya que la serie de aviones X-43 fue reemplazada en 2006 por el X-51.

Diseño

El avión X-43A era un pequeño vehículo de pruebas sin piloto que medía poco más de 3,7 m (12 pies) de longitud. El vehículo tenía un diseño de carrocería elevadora, donde la carrocería del avión proporciona una cantidad significativa de sustentación para el vuelo, en lugar de depender de las alas. El avión pesaba aproximadamente 1.400 kg (3.000 lb). El X-43A fue diseñado para ser totalmente controlable en vuelos de alta velocidad, incluso cuando se desliza sin propulsión. Sin embargo, la aeronave no fue diseñada para aterrizar y ser recuperada. Los vehículos de prueba se estrellaron en el Océano Pacífico al finalizar la prueba.

Viajar a velocidades Mach produce mucho calor debido a las ondas de choque de compresión involucradas en la resistencia aerodinámica supersónica. A altas velocidades de Mach, el calor puede llegar a ser tan intenso que partes metálicas del fuselaje podrían derretirse. El X-43A compensó esto haciendo circular agua detrás del capó del motor y los bordes de ataque de las paredes laterales, enfriando esas superficies. En las pruebas, la circulación del agua se activó aproximadamente a Mach 3.

Motor

La nave fue creada para desarrollar y probar un estatorreactor de combustión supersónica, o "scramjet" Motor, una variación del motor en la que la combustión externa tiene lugar dentro del aire que fluye a velocidades supersónicas. Los desarrolladores del X-43A diseñaron la estructura del avión para que fuera parte del sistema de propulsión: la parte delantera es parte del flujo de aire de admisión, mientras que la sección de popa funciona como una boquilla de escape.

El motor del X-43A funcionaba principalmente con combustible de hidrógeno. En la prueba exitosa se utilizó aproximadamente un kilogramo (dos libras) de combustible. A diferencia de los cohetes, los vehículos propulsados por scramjet no llevan oxígeno a bordo para alimentar el motor. Al eliminar la necesidad de transportar oxígeno se reduce significativamente el tamaño y el peso del vehículo. En el futuro, estos vehículos más ligeros podrían transportar cargas útiles más pesadas al espacio o transportar cargas útiles del mismo peso de forma mucho más eficiente.

Los scramjets solo operan a velocidades en el rango de Mach 4,5 o más, por lo que se requieren cohetes u otros motores a reacción para impulsar inicialmente los aviones propulsados por scramjet a esta velocidad base. En el caso del X-43A, el avión fue acelerado a alta velocidad con un cohete Pegasus lanzado desde un bombardero Boeing B-52 Stratofortress reconvertido. El vehículo combinado X-43A y Pegasus se denominó el vehículo "stack" por los miembros del equipo del programa.

Los motores de los vehículos de prueba X-43A fueron diseñados específicamente para un cierto rango de velocidades, y solo pueden comprimir y encender la mezcla de combustible y aire cuando el flujo de aire entrante se mueve como se esperaba. Los dos primeros aviones X-43A estaban destinados a volar a aproximadamente Mach 7, mientras que el tercero fue diseñado para operar a velocidades superiores a Mach 9,8 (10.700 km/h; 6.620 mph) a altitudes de 30.000 m (98.000 pies) o más.

Pruebas operativas

La primera prueba del X-43A de la NASA el 2 de junio de 2001 falló porque el propulsor Pegasus perdió el control unos 13 segundos después de ser liberado del portaaviones B-52. El cohete experimentó una oscilación de control cuando se volvió transónico, lo que finalmente provocó la falla del elevón de estribor del cohete. Esto provocó que el cohete se desviara significativamente del rumbo previsto y fue destruido como medida de seguridad. Una investigación sobre el incidente indicó que la información imprecisa sobre las capacidades del cohete, así como sobre su entorno de vuelo, contribuyó al accidente. Varias imprecisiones en el modelado de datos para esta prueba llevaron a un sistema de control inadecuado para el cohete Pegasus utilizado en particular, aunque en última instancia no se pudo culpar a ningún factor por el fracaso.

En la segunda prueba, realizada en marzo de 2004, el Pegasus disparó con éxito y soltó el vehículo de prueba a una altitud de unos 29.000 metros (95.000 pies). Después de la separación, se abrió la entrada de aire del motor, se encendió el motor y luego el avión aceleró alejándose del cohete alcanzando Mach 6,83 (7.456 km/h; 4.633 mph). El combustible fluyó hacia el motor durante 11 segundos, tiempo en el que el avión viajó más de 24 km (15 millas). Después de la separación del propulsor Pegasus, el vehículo experimentó una pequeña caída en la velocidad, pero el motor scramjet luego aceleró el vehículo en vuelo ascendente. Después del agotamiento, los controladores aún podían maniobrar el vehículo y manipular los controles de vuelo durante varios minutos; el avión, frenado por la resistencia del aire, cayó al océano. Con este vuelo, el X-43A se convirtió en el avión de vuelo libre más rápido del mundo.

La NASA voló una tercera versión del X-43A el 16 de noviembre de 2004. El cohete propulsor Pegasus se separó de su portaaviones B-52 a 40.000 pies y su cohete sólido llevó la combinación a Mach 10 a 110.000 pies. El X-43A se separó a Mach 9,8 y el motor se arrancó a Mach 9,65 durante 10 a 12 segundos con un empuje aproximadamente igual a la resistencia, y luego se deslizó hacia el Océano Pacífico después de 14 minutos. La presión dinámica durante el vuelo fue de 1.050 psf (0,50 bar). Alcanzó Mach 9,68, 6.755 mph (10.870 mph) a 109.440 pies (33.357 m), y probó además la capacidad del vehículo para soportar las cargas de calor involucradas.

Reemplazos

En enero de 2006, la USAF anunció la aplicación de fuerza y lanzamiento desde los Estados Unidos continentales o el misil reutilizable FALCON scramjet. En marzo de 2006, se anunció que el estatorreactor de combustión supersónica "WaveRider" El vehículo de pruebas de vuelo había sido designado como X-51A. El Boeing X-51 de la USAF voló por primera vez el 26 de mayo de 2010, lanzado desde un B-52.

Variantes

Después de las pruebas del X-43 en 2004, los ingenieros de Dryden de la NASA dijeron que esperaban que todos sus esfuerzos culminaran en la producción de un vehículo tripulado de dos etapas a la órbita en unos 20 años. Los científicos expresaron muchas dudas de que en el futuro previsible exista un vehículo tripulado de una sola etapa en órbita como el Avión Aeroespacial Nacional (NASP).

Se planearon otros vehículos X-43, pero a partir de junio de 2013 se suspendieron o cancelaron. Se esperaba que tuvieran el mismo diseño de carrocería básico que el X-43A, aunque se esperaba que el avión tuviera un tamaño de moderado a significativamente mayor.

X-43B

El X-43B era un vehículo de tamaño completo que incorporaba un motor de ciclo combinado basado en turbina (TBCC) o un motor ISTAR de ciclo combinado basado en cohete (RBCC). Inicialmente, turbinas a reacción o cohetes impulsarían el vehículo a una velocidad supersónica. Un ramjet podría tomar el control a partir de Mach 2,5, y el motor se convertiría a una configuración scramjet a aproximadamente Mach 5.

X-43C

El X-43C habría sido algo más grande que el X-43A y se esperaba que probara la viabilidad del combustible de hidrocarburos, posiblemente con el motor HyTech. Si bien la mayoría de los diseños de scramjet han utilizado hidrógeno como combustible, HyTech funciona con combustibles de hidrocarburos convencionales de tipo queroseno, que son más prácticos para apoyar a los vehículos operativos. Se planeó la construcción de un motor a gran escala que utilizaría su propio combustible para enfriarse. El sistema de refrigeración del motor habría actuado como un reactor químico al romper los hidrocarburos de cadena larga en hidrocarburos de cadena corta para una combustión rápida.

El X-43C fue suspendido indefinidamente en marzo de 2004. La historia vinculada informa sobre la suspensión indefinida del proyecto y la comparecencia del contraalmirante Craig E. Steidle ante una audiencia del subcomité de Aeronáutica y Espacio de la Cámara de Representantes el 18 de marzo de 2004. A mediados de 2005, el X-43C parecía estar financiado hasta finales de año.

X-43D

El X-43D habría sido casi idéntico al X-43A, pero expandió la gama de velocidades a Mach 15. En septiembre de 2007, Donald B. Johnson de Boeing y Jeffrey S. Robinson del Centro de Investigación Langley de la NASA. Según la introducción del estudio, "el propósito del X-43D es recopilar información sobre el entorno de vuelo y la operatividad del motor con un alto Mach, lo cual es difícil, si no imposible, de recopilar en tierra".