NASA X-43 - NASA X-43

X-43
X-43A.jpg
Impulsionador de foguete Pegasus acelerando o X-43A da NASA logo após a ignição durante o vôo de teste (27 de março de 2004)
Função UAV hipersônico experimental
origem nacional Estados Unidos
Grupo de design NASA
Construido por Micro Craft (fuselagem)
GASL (motor)
Usuário primário NASA
Número construído 3

O NASA X-43 foi uma aeronave hipersônica experimental não tripulada com múltiplas variações de escala planejadas destinadas a testar vários aspectos do vôo hipersônico . Foi parte do X-plano série e especificamente da NASA 's Hyper-X programa. Ele estabeleceu vários recordes de velocidade do ar para aeronaves a jato . O X-43 é a aeronave a jato mais rápida já registrada, com aproximadamente Mach 9,6.

Um foguete impulsionador alado com o X-43 colocado no topo, chamado de "pilha", foi lançado de um Boeing B-52 Stratofortress . Depois que o foguete de reforço (um primeiro estágio modificado do foguete Pegasus ) trouxe a pilha para a velocidade e altitude alvo, ela foi descartada, e o X-43 voou livre usando seu próprio motor, um scramjet .

O primeiro avião da série, o X-43A, era um veículo descartável, dos quais três foram construídos. O primeiro X-43A foi destruído após um mau funcionamento durante o vôo em 2001. Cada um dos outros dois voou com sucesso em 2004, estabelecendo recordes de velocidade, com os scramjets operando por aproximadamente 10 segundos, seguidos por deslizamentos de 10 minutos e colisões intencionais no oceano. Planos para mais aviões da série X-43 foram suspensos ou cancelados (e substituídos pelo programa X-51 gerenciado pela USAF ).

Desenvolvimento

O X-43 fazia parte do programa Hyper-X da NASA, envolvendo a agência espacial americana e empreiteiros como Boeing , Micro Craft Inc, Orbital Sciences Corporation e General Applied Science Laboratory (GASL). A Micro Craft Inc. construiu o X-43A e a GASL construiu seu motor.

Um dos principais objetivos da Aeronautics Enterprise da NASA era o desenvolvimento e a demonstração de tecnologias para voos hipersônicos com respiração aérea. Após o cancelamento do programa National Aerospace Plane (NASP) em novembro de 1994, os Estados Unidos não tinham um programa coeso de desenvolvimento de tecnologia hipersônica. Como um dos programas "melhores, mais rápidos e mais baratos" desenvolvidos pela NASA no final dos anos 1990, o Hyper-X usou a tecnologia National Aerospace Plane, que o moveu rapidamente para a demonstração da propulsão respiratória hipersônica.

O Hyper-X Fase I foi um programa da NASA Aeronáutica e Tecnologia Espacial, conduzido em conjunto pelo Langley Research Center , Hampton, Virgínia , e o Dryden Flight Research Center , Edwards, Califórnia . Langley foi o centro líder e responsável pelo desenvolvimento da tecnologia hipersônica. Dryden foi responsável pela pesquisa de voo.

A Fase I foi um programa de sete anos, com aproximadamente US $ 230 milhões, para validar a propulsão scramjet , aerodinâmica hipersônica e métodos de projeto.

As fases subsequentes não foram continuadas, uma vez que a série de aeronaves X-43 foi substituída em 2006 pelo X-51 .

Projeto

Conceito artístico do X-43A com scramjet anexado à parte inferior
A aeronave de lançamento B-52B da NASA decola transportando o veículo de pesquisa hipersônico X-43A (27 de março de 2004)

A aeronave X-43A era um pequeno veículo de teste não-piloto medindo pouco mais de 3,7 m (12 pés) de comprimento . O veículo tinha um projeto de corpo de elevação , onde o corpo da aeronave fornece uma quantidade significativa de sustentação para o vôo, em vez de depender de asas . A aeronave pesava cerca de 1.400 kg (3.000 lb). O X-43A foi projetado para ser totalmente controlável em vôo de alta velocidade, mesmo quando planando sem propulsão . No entanto, a aeronave não foi projetada para pousar e ser recuperada. Os veículos de teste colidiram com o Oceano Pacífico quando o teste terminou.

Viajar a velocidades Mach produz muito calor devido às ondas de choque de compressão envolvidas no arrasto aerodinâmico supersônico . Em altas velocidades de Mach, o calor pode se tornar tão intenso que partes de metal da fuselagem podem derreter. O X-43A compensou isso ciclando a água atrás da tampa do motor e das bordas de ataque das paredes laterais, resfriando essas superfícies. Nos testes, a circulação de água foi ativada em cerca de Mach 3.

Motor

Modelo em escala real do avião X-43 no túnel de vento de alta temperatura de 2 m de Langley .

A nave foi criada para desenvolver e testar um ramjet de combustão supersônica, ou motor " scramjet ", uma variação de motor em que a combustão externa ocorre dentro do ar que flui a velocidades supersônicas. Os desenvolvedores do X-43A projetaram a fuselagem da aeronave para fazer parte do sistema de propulsão : o corpo anterior é uma parte do fluxo de ar de admissão, enquanto a seção traseira funciona como um bocal de exaustão.

O motor do X-43A era abastecido principalmente com hidrogênio . No teste bem-sucedido, cerca de um quilograma (duas libras) do combustível foi usado. Ao contrário dos foguetes, os veículos movidos a scramjet não transportam oxigênio a bordo para abastecer o motor. Remover a necessidade de transportar oxigênio reduz significativamente o tamanho e o peso do veículo. No futuro, esses veículos mais leves poderiam levar cargas úteis mais pesadas para o espaço ou transportar cargas úteis do mesmo peso com muito mais eficiência.

Os scramjets operam apenas em velocidades na faixa de Mach 4.5 ou superior, portanto, foguetes ou outros motores a jato são necessários para impulsionar inicialmente aeronaves movidas a scramjet a esta velocidade base. No caso do X-43A, a aeronave foi acelerada para alta velocidade com um foguete Pegasus lançado de um bombardeiro Boeing B-52 Stratofortress convertido . O veículo combinado X-43A e Pegasus foi referido como a "pilha" pelos membros da equipe do programa.

Os motores dos veículos de teste X-43A foram projetados especificamente para uma determinada faixa de velocidade, apenas capazes de comprimir e inflamar a mistura ar-combustível quando o fluxo de ar de entrada está se movendo como esperado. As duas primeiras aeronaves X-43A foram projetadas para voar a aproximadamente Mach 7, enquanto a terceira foi projetada para operar a velocidades superiores a Mach 9,8 (10.655,3 km / h; 6.620,9 mph) em altitudes de 30.000 m (98.000 pés) ou mais.

Teste operacional

Imagem CFD do X-43A em Mach 7
O X-43A caindo sob a asa de um Stratofortress B-52B

O primeiro teste X-43A da NASA em 2 de junho de 2001 falhou porque o impulsionador Pegasus perdeu o controle cerca de 13 segundos depois de ser liberado do porta-aviões B-52. O foguete experimentou uma oscilação de controle quando foi transônico , levando à falha do elevon de estibordo do foguete . Isso fez com que o foguete se desviasse significativamente do curso planejado e foi destruído como medida de segurança. Uma investigação sobre o incidente afirmou que informações imprecisas sobre as capacidades do foguete, bem como seu ambiente de vôo contribuíram para o acidente. Várias imprecisões na modelagem de dados para este teste levaram a um sistema de controle inadequado para o foguete Pegasus usado, embora nenhum fator pudesse ser responsabilizado pela falha.

No segundo teste em março de 2004, o Pegasus disparou com sucesso e lançou o veículo de teste a uma altitude de cerca de 29.000 metros (95.000 pés). Após a separação, a entrada de ar do motor foi aberta, o motor pegou e a aeronave acelerou para longe do foguete atingindo Mach 6,83 (7.455,75 km / h; 4.632,79 mph). O combustível fluiu para o motor por 11 segundos, um tempo em que a aeronave viajou mais de 24 km (15 mi). Após a separação do booster Pegasus, o veículo experimentou uma pequena queda na velocidade, mas o motor scramjet depois acelerou o veículo em vôo ascendente. Após o esgotamento, os controladores ainda eram capazes de manobrar o veículo e manipular os controles de vôo por vários minutos; a aeronave, desacelerada pela resistência do ar, caiu no oceano. Com este vôo, o X-43A se tornou a aeronave respiradora de ar de vôo livre mais rápida do mundo.

A NASA voou uma terceira versão do X-43A em 16 de novembro de 2004. O foguete Pegasus modificado foi lançado de uma nave-mãe B-52 a uma altitude de 13.000 m (43.000 pés). O X-43A estabeleceu um novo recorde de velocidade de Mach 9,64 (10.240,84 km / h; 6.363,36 mph) a cerca de 33.500 m (110.000 pés) de altitude e testou ainda mais a capacidade do veículo de suportar as cargas de calor envolvidas.

Replacements

Em janeiro de 2006, a USAF anunciou a Aplicação da Força e o Lançamento dos Estados Unidos Continentais ou o míssil reutilizável FALCON scramjet.

Em março de 2006, foi anunciado que o veículo de teste de vôo "WaveRider" do Air Force Research Laboratory (AFRL) foi designado como X-51A. O USAF Boeing X-51 voou pela primeira vez em 26 de maio de 2010, largado de um B-52.

Variantes

Após os testes do X-43 em 2004, os engenheiros da NASA Dryden disseram que esperavam que todos os seus esforços culminassem na produção de um veículo tripulado de dois estágios para órbita em cerca de 20 anos. Os cientistas expressaram muitas dúvidas de que haveria um veículo tripulado de estágio único para órbita como o National Aerospace Plane (NASP) em um futuro previsível.

Outros veículos X-43 foram planejados, mas em junho de 2013 eles foram suspensos ou cancelados. Esperava-se que eles tivessem o mesmo projeto básico do corpo do X-43A, embora se esperasse que a aeronave fosse de moderada a significativamente maior.

X-43B

Esperava-se que o X-43B fosse um veículo de tamanho real, incorporando um motor de ciclo combinado baseado em turbina (TBCC) ou um motor ISTAR de ciclo combinado baseado em foguete (RBCC) . Turbinas a jato ou foguetes inicialmente impulsionariam o veículo a uma velocidade supersônica. Um ramjet pode assumir a partir de Mach 2,5, com o motor convertendo para uma configuração scramjet em aproximadamente Mach 5.

X-43C

O X-43C teria sido um pouco maior do que o X-43A e esperava-se que testasse a viabilidade do combustível de hidrocarboneto, possivelmente com o motor HyTech . Embora a maioria dos projetos de scramjet tenha usado hidrogênio como combustível, o HyTech funciona com combustíveis de hidrocarbonetos convencionais do tipo querosene, que são mais práticos para suporte de veículos operacionais. Foi planejada a construção de um motor em grande escala que usaria seu próprio combustível para resfriamento. O sistema de arrefecimento do motor teria atuado como um reator químico, quebrando hidrocarbonetos de cadeia longa em hidrocarbonetos de cadeia curta para uma queima rápida.

O X-43C foi suspenso indefinidamente em março de 2004. A história vinculada relata a suspensão indefinida do projeto e o aparecimento do contra-almirante Craig E. Steidle diante de uma audiência do subcomitê House Space and Aeronautics em 18 de março de 2004. Em meados de 2005, o X -43C parecia ter sido financiado até o final do ano.

X-43D

O X-43D teria sido quase idêntico ao X-43A, mas expandiu o envelope de velocidade para Mach 15. Em setembro de 2007, apenas um estudo de viabilidade tinha sido conduzido por Donald B. Johnson da Boeing e Jeffrey S. Robinson da NASA Centro de Pesquisa Langley . De acordo com a introdução do estudo, "O objetivo do X-43D é reunir informações sobre o ambiente de voo de alto Mach e sobre a operabilidade do motor, o que é difícil, senão impossível, de reunir no solo"

Veja também

Aeronave de função, configuração e época comparáveis

Referências

Notas

Bibliografia

  • Bentley, Matthew A. Spaceplanes: From Airport to Spaceport (Astronomers 'Universe). Nova York: Springer, 2008. ISBN  978-0-38776-509-9 .
  • Swinerd, Graham. How Spacecraft Fly: Spaceflight Without Formulas. New York: Springer, 2010. ISBN  978-1-44192-629-6 .

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