British Aerospace HOTOL - British Aerospace HOTOL

Descrição artística do HOTOL

HOTOL , para decolagem e pouso horizontal , era um projeto britânico dos anos 1980 para um avião espacial de estágio único para órbita (SSTO) que seria movido por um motor a jato de respiração . O desenvolvimento estava sendo conduzido por um consórcio liderado pela Rolls-Royce e pela British Aerospace (BAe).

Projetado como um veículo de lançamento alado reutilizável de estágio único para órbita (SSTO), o HOTOL deveria ser equipado com um motor de respiração única, o RB545 ou Swallow, que estava em desenvolvimento pelo fabricante britânico de motores Rolls-Royce. O propelente do motor consistia tecnicamente em uma combinação de hidrogênio / oxigênio líquido ; entretanto, era para empregar um novo meio de reduzir drasticamente a quantidade de oxidante necessária para ser transportada a bordo, utilizando o oxigênio atmosférico enquanto a espaçonave subia pela baixa atmosfera. Uma vez que o oxidante normalmente representa a maior parte do peso de decolagem de um foguete, o HOTOL deveria ser consideravelmente menor do que os designs normais de foguete puro, aproximadamente do tamanho de um avião comercial de médio curso, como o McDonnell Douglas DC-9 / MD-80.

Enquanto o estudo de prova de conceito do HOTOL estava sendo realizado, foram feitas tentativas, tanto pela indústria quanto pelo governo britânico, de estabelecer cooperação internacional para desenvolver, produzir e implantar a espaçonave. Apesar do interesse americano no programa, havia pouco apetite entre os membros da Agência Espacial Européia (ESA), e o governo britânico não estava preparado para abandonar a cooperação da ESA. Além disso, foram encontrados problemas técnicos e houve alegações de que as comparações com sistemas de lançamento alternativos, como veículos convencionais de foguetes usando técnicas de construção semelhantes, não mostraram muita vantagem para o HOTOL. Em 1989, o financiamento do projeto terminou. O término do trabalho de desenvolvimento do HOTOL levou à formação da Reaction Engines Limited (REL) para desenvolver e produzir o Skylon , uma espaçonave proposta com base nas tecnologias HOTOL, incluindo seu motor de respiração de ar.

Desenvolvimento

Origens

As idéias por trás do HOTOL originaram-se do trabalho realizado pelo engenheiro britânico Alan Bond na área de motores a jato pré-resfriados. Bond realizou especificamente essa pesquisa com a intenção de produzir um motor viável para alimentar um sistema de lançamento espacial . Em 1982, a British Aerospace (BAe), que era a principal construtora de satélites da Europa , começou a estudar um novo sistema de lançamento em perspectiva com o objetivo de fornecer custos de lançamento que correspondiam a 20 por cento do ônibus espacial americano operado pela NASA . A BAe tomou conhecimento do trabalho do fabricante britânico de motores Rolls-Royce em um motor adequado e logo concebeu um avião espacial alado de estágio único para órbita (SSTO) não tripulado e totalmente reutilizável como veículo de lançamento.

Assim, o projeto logo se tornou uma joint venture entre a BAe e a Rolls-Royce, liderada por John Scott-Scott e o Dr. Bob Parkinson . No início, havia a ambição de "europeizar" o projeto e envolver outras nações em seu desenvolvimento e fabricação, visto que se reconheceu que seriam necessários cerca de £ 4 bilhões para financiar o desenvolvimento em grande escala. Em agosto de 1984, a BAe revelou ao público o projeto do lançador de satélites HOTOL e divulgou detalhes sobre as operações propostas.

Em dezembro de 1984, um memorando do Departamento de Comércio e Indústria (DTI) observou que a Alemanha Ocidental estava interessada no programa, enquanto a França havia adotado uma atitude crítica em relação ao HOTOL, que o ministério via como potencialmente devido ao fato de ser visto como um concorrente do francês projetos conduzidos. De acordo com o Ministro do Comércio e Indústria Geoffrey Pattie , a pressão diplomática francesa para obter apoio para o seu próprio veículo espacial Hermes proposto , inadvertidamente, gerou apoio e interesse entre os membros da Agência Espacial Européia (ESA) no projeto HOTOL. Apesar desse clima de tentativa de interesse e possível apoio europeu, havia uma atitude geral de relutância dentro do governo britânico em assumir a liderança em um novo lançador espacial.

Interesse americano e estudo de design

Em março de 1985, houve reclamações de que a Rolls-Royce estava em processo de negociações de licenciamento para a tecnologia de motor HOTOL com a empresa de propulsão americana Rocketdyne . Em abril de 1985, Pattie escreveu ao Secretário de Estado de Defesa Michael Heseltine para propor um estudo de prova de conceito de £ 3 milhões de dois anos a ser realizado sob um acordo de parceria público-privada , consistindo de £ 1 milhão fornecido pelo governo do Reino Unido e o restante sendo financiados pela Rolls-Royce e pela própria BAe. Pattie argumentou que o projeto serviria à "capacidade estratégica da Grã-Bretanha e que os testes de tecnologias-chave poderiam fomentar a colaboração internacional. De acordo com a publicação aeroespacial Flight International , o apoio do Ministério da Defesa (MoD) foi fundamental, pois o design do motor do HOTOL havia sido classificado.

Em julho de 1985, o diretor técnico da Rolls-Royce, Gordon Lewis, afirmou que a empresa buscava o envolvimento do grupo de propulsão Royal Aircraft Establishment (RAE) e que a Rolls-Royce não estava preparada para investir seus próprios fundos no desenvolvimento de motores para HOTOL. No segundo semestre de 1985, o trabalho havia começado no estudo do conceito de prova de dois anos. No início, houve uma pressão considerável para demonstrar a viabilidade e credibilidade do projeto antes das decisões finais a serem tomadas pela ESA sobre o Hermes e o que se tornaria o sistema de lançamento Ariane 5 , portanto, o trabalho se concentrou na validação das tecnologias críticas envolvidas.

Em novembro de 1985, as discussões da DTI e da RAE notaram que a Rolls-Royce buscava dados americanos sobre a tecnologia ramjet para apoiar seu trabalho no motor, ao qual se referia pelo nome de Swallow . Alegadamente, a Força Aérea dos Estados Unidos estava interessada na tecnologia usada no motor Swallow para seus próprios fins. Em novembro de 1985, as discussões entre a primeira-ministra Margaret Thatcher , o ministro sem pasta David Young e o conselheiro científico do presidente dos Estados Unidos Ronald Reagan , George Keyworth, observaram o interesse americano na colaboração no desenvolvimento de veículos hipersônicos como o HOTOL, e que um protótipo poderia estar voando tão cedo quanto 1990.

De acordo com os arquivos do governo britânico, nem a BAe nem o MoD estavam entusiasmados com as perspectivas de envolvimento americano no programa, expressando relutância por acreditar que o resultado de tal movimento poderia resultar no Reino Unido se tornar um membro júnior em um projeto que uma vez conduzido. Também havia a crença de que, se a Grã-Bretanha decidisse se juntar aos Estados Unidos, ficaria sem trabalho em futuros lançadores europeus. No entanto, a Rolls-Royce considerou a cooperação transatlântica necessária. O chefe de negócios futuros da BAe, Peter Conchie, afirmou que, se possível, o HOTOL deveria se tornar parte da estrutura espacial europeia. No início de 1986, o governo britânico aprovou formalmente o estudo de dois anos.

Problemas e críticas

Em dezembro de 1984, o consultor de gerenciamento de projetos David Andrews publicou uma crítica de oito páginas ao programa, observando que o projeto foi otimizado para a subida enquanto se expunha a cargas térmicas estendidas durante a descida devido ao baixo nível de arrasto . Ele também afirmou que o veículo não oferecia nenhuma capacidade que já não estivesse disponível; BAe respondeu que as críticas feitas foram respondidas. Em abril de 1985, o vice-controlador do departamento de pesquisa e desenvolvimento do Ministério da Defesa , James Barnes, alegou que o HOTOL não tinha uma justificativa e que não havia exigência de defesa para tais veículos. Ele também observou que os "problemas de engenharia são consideráveis" e que era improvável que entraria em serviço antes de 2020; Barnes também observou que o motor HOTOL é "engenhoso".

Em novembro de 1985, a RAE emitiu uma avaliação da proposta de estudo do HOTOL; a organização acreditava que o HOTOL levaria até 20 anos para ser desenvolvido, ao invés do cronograma de 12 anos que havia sido idealizado pela indústria. A RAE também projetou que o projeto teria um custo total estimado de £ 5 bilhões (a partir de seu valor em 1985), £ 750 milhões dos quais seriam necessários em uma fase de definição de seis anos e cerca de £ 25 milhões em um período pré -estudo de viabilidade de definição.

Durante o desenvolvimento, verificou-se que o motor traseiro, comparativamente pesado, movia o centro de massa do veículo para trás. Isso significava que o veículo tinha que ser projetado para empurrar o centro de arrasto o mais para trás possível para garantir a estabilidade durante todo o regime de voo. O redesenho do veículo para fazer isso exigiu uma grande massa de sistemas hidráulicos, o que custou uma proporção significativa da carga útil e tornou a economia pouco clara. Em particular, algumas das análises pareciam indicar que uma tecnologia semelhante aplicada a uma abordagem de foguete puro daria aproximadamente o mesmo desempenho a um custo menor.

Desligar

Em 1989, as perspectivas para o HOTOL tornaram-se sombrias; desde o início do projeto, o apoio entre o governo britânico e os parceiros industriais foi desigual, enquanto os Estados Unidos surgiram como a única nação estrangeira que mostrou disposição de contribuir para o programa, em parte por causa do sigilo que o cerca. Havia poucas perspectivas de envolvimento europeu, tendo a ESA optado por prosseguir o desenvolvimento do que viria a ser o Ariane 5 , um sistema de lançamento espacial convencional. A Rolls-Royce retirou-se do projeto, julgando que o mercado final para o motor provavelmente não seria grande o suficiente para pagar os custos de desenvolvimento. O governo britânico se recusou a oferecer mais financiamento para HOTOL. O projeto estava quase no final de sua fase de design, enquanto muitos dos planos permaneceram em estado especulativo; a nave ainda estava presa a problemas aerodinâmicos e desvantagens operacionais neste ponto.

Sucessores

Um redesenho mais barato, Interim HOTOL ou HOTOL 2 , que deveria ser lançado da parte traseira de uma aeronave de transporte Antonov An-225 Mriya modificada , foi promovido pela BAe em 1991; no entanto, essa proposta também foi rejeitada. O projeto do Interim HOTOL deveria ter dispensado um ciclo de motor com respiração de ar e foi projetado para usar uma mistura mais convencional de LOX e hidrogênio líquido como combustível.

Em 1989, o co-criador do HOTOL Alan Bond e os engenheiros John Scott-Scott e Richard Varvill formaram a Reaction Engines Limited (REL), que desde então vem trabalhando em um novo motor de respiração, SABRE , que usou designs alternativos para contornar (e melhorar sobre) as patentes da Rolls-Royce e o veículo Skylon destinado a resolver os problemas do HOTOL. Eles publicaram esses conceitos de motor e espaçonave pela primeira vez em 1993, e desde então têm desenvolvido as tecnologias principais, particularmente o motor e seu pré-resfriador controlado por congelamento; inicialmente apoiado por financiamento privado, mas posteriormente com o apoio da Agência Espacial Europeia , do Centro Espacial Nacional Britânico , da Agência Espacial do Reino Unido , BAe e do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea . A partir de 2017, o REL planeja demonstrar um pré-resfriador pronto para voo operando em condições de voo simuladas em 2018 e testar estaticamente um núcleo de motor de demonstração em 2020.

Projeto

Visão geral

O HOTOL foi concebido como um avião espacial alado não tripulado e totalmente reutilizável de estágio único para órbita (SSTO). A nave não tripulada foi projetada para colocar uma carga útil de cerca de 7 a 8 toneladas em órbita, a 300 km de altitude. A intenção era decolar de uma pista, montada na parte de trás de um grande bonde impulsionado por foguete que ajudaria a colocar a aeronave em "velocidade de trabalho". O motor deveria mudar de propulsão a jato para propulsão pura de foguete a 26-32 km de altura, momento em que a nave estaria viajando a Mach 5 a 7. Depois de atingir a órbita baixa da Terra (LEO), HOTOL deveria entrar novamente a atmosfera e deslize para baixo para pousar em uma pista convencional (aproximadamente 1.500 metros no mínimo). Apenas uma única carga útil teria sido transportada de cada vez, pois a BAe havia julgado ser mais econômico, pois eliminava qualquer necessidade de interface por satélite e permitia que as missões fossem adaptadas às necessidades individuais.

Durante sua fase de alta altitude, seu sistema de controle de vôo teria sido conectado a estações terrestres e ao sistema de navegação global baseado no espaço , enquanto o radar teria sido usado durante as fases de decolagem e aterrissagem. Além da colocação de satélites em órbita geossíncrona ou LOE, o HOTOL também foi projetado como sendo capaz de realizar a recuperação de satélites e hardware de LOE. O material promocional da BAe descreve a atracação do HOTOL na Estação Espacial Internacional (ISS), um feito que a empresa alegou que exigiria operação tripulada, pois os sistemas automatizados não eram capazes de realizar tais manobras de atracação naquele momento. HOTOL foi projetado para conduzir voos não tripulados totalmente automatizados; entretanto, pretendia-se em um estágio posterior potencialmente reintroduzir um piloto. As operações tripuladas teriam exigido a instalação de um módulo pressurizado dedicado dentro do compartimento de carga útil.

Conforme projetado, o HOTOL teria 62 metros de comprimento, 12,8 metros de altura, um diâmetro de fuselagem de 5,7 metros e uma envergadura de 19,7 metros. Apresentava um desenho de asa derivado do Concorde ; sua grande área resultou em carga alar relativamente baixa, o que teria resultado em temperaturas de reentrada mais baixas (nunca acima de 1.400 ° C). Construído com materiais compostos de carbono , não teria havido necessidade do uso de telhas isolantes semelhantes às que compunham o sistema de proteção térmica do ônibus espacial . O trem de pouso recolhido internamente teria sido pequeno demais para suportar o peso do foguete totalmente abastecido, portanto, pousos de emergência teriam exigido que o combustível fosse despejado.

Motor

O RB545, que recebeu o nome de "Andorinha" por seu fabricante, o fabricante britânico de motores Rolls-Royce , era um motor de foguete que respira ar. Teria funcionado como um motor de dupla função integrado, sendo capaz de respirar ar enquanto operava dentro da atmosfera e operando de maneira semelhante à de um foguete ao atingir perto e dentro de LEO. Este motor também seria capaz de impulsionar a espaçonave a velocidades hipersônicas . Era um elemento crucial do programa, tendo sido publicamente atribuído como "o coração dos baixíssimos custos de lançamento da Hotol".

Os detalhes exatos desse motor foram cobertos pela Lei de Segredos Oficiais do Reino Unido; conseqüentemente, há relativamente pouca informação pública sobre seu desenvolvimento e operação. No entanto, o material foi posteriormente desclassificado quando a política do governo mudou para evitar a manutenção de patentes secretas sem uma justificativa atribuída.

Na atmosfera, o ar é aspirado por meio de duas rampas de admissão montadas verticalmente , então o fluxo seria dividido, passando a quantidade correta para os pré-resfriadores e o excesso para os dutos de derramamento. O hidrogênio dos tanques de combustível seria passado por dois trocadores de calor para pré-resfriar o ar antes de entrar em um ciclo de motor semelhante a um turbojato de alta razão de pressão geral - o hidrogênio aquecido acionando uma turbina para comprimir e alimentar o ar resfriado no motor de foguete , onde foi queimado com parte do hidrogênio usado para resfriar o ar. A maior parte do hidrogênio quente restante foi liberado da parte de trás do motor, com uma pequena quantidade retirada para reaquecer o ar nos dutos de derramamento em um arranjo ramjet para produzir "arrasto de impulso negativo de admissão". Esses ramjets eram normalmente descritos como dois círculos vermelhos brilhantes abaixo dos motores do foguete nas imagens do HOTOL.

Para evitar que os pré-resfriadores congelem, o primeiro pré-resfriador resfria o ar a cerca de 10 graus acima do ponto de congelamento, para liquefazer o vapor de água no ar. Então, LOX teria sido injetado no fluxo de ar para baixar a temperatura para −50 ° C (−58 ° F), congelando a água em cristais de gelo microscópicos, suficientemente frios para que não derretessem devido ao aquecimento cinético se atingissem o segundo elementos pré-resfriadores. Um coletor de água poderia ter sido adicionado após o primeiro pré-resfriador se as condições de operação resultassem em excesso de umidade.

Quando não era mais possível usar a atmosfera para combustão, o RB545 passaria a usar oxigênio líquido a bordo (LOX) para queimar com o hidrogênio como um foguete de hidrogênio / oxigênio de alta eficiência.

Veja também

• NASP - um veículo scramjet com o qual HOTOL teria competido
• Skylon dos motores de reação - um projeto subsequente que tenta evitar as deficiências do HOTOL
• Motores de reação A2 - um projeto para um avião comercial antipodal hipersônico
• Motor de ciclo de ar líquido - um ciclo de motor relacionado que liquefaz o ar

Referências

Citações

Bibliografia

Notas

links externos

• Desenho em corte do HOTOL na Wayback Machine (arquivado em 30 de janeiro de 2013)
• Patente relacionada ao HOTOL em superfícies de controle descartáveis ​​por jato
• Ouça o Dr. Bob Parkinson discutir o HOTOL em uma entrevista de história oral gravada para o projeto Histórias da Vida Nacional História Oral da Ciência Britânica na Biblioteca Britânica