XS-1 (nave espacial)

El DARPA XS-1 fue un avión espacial /propulsor experimental con la capacidad prevista de poner pequeños satélites en órbita para el Departamento de Defensa de los Estados Unidos . ^{[ 1 ]} Se informó que fue diseñado para ser reutilizable con una frecuencia de hasta una vez al día, con el objetivo declarado de hacerlo durante 10 días consecutivos. ^{[ 2 ]} El XS-1 estaba destinado a reemplazar directamente la primera etapa de un cohete multietapa despegando verticalmente y volando a velocidad hipersónica y alta altitud suborbital, lo que permitiría que una o más etapas superiores desechables se separaran y desplegaran una carga útil en órbita terrestre baja . El XS-1 luego regresaría a la Tierra, donde aparentemente podría recibir mantenimiento lo suficientemente rápido como para repetir el proceso al menos una vez cada 24 horas. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El programa DARPA XS-1 operó entre 2013 y 2020. ^{[ 5 ]} Después de varios años de perfeccionamiento y propuestas, en mayo de 2017, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) ^{[ 6 ]} seleccionó a Boeing para la Fase 2/3 para construir y probar una nave espacial XS-1 (ahora llamada programa de Avión Espacial Experimental). ^{[ 7 ]} En ese momento, los vuelos de prueba estaban programados para comenzar no antes de 2020. ^{[ 7 ]} El 22 de enero de 2020, se anunció que Boeing cesaba su participación en el programa, finalizándolo efectivamente. ^{[ 8 ]}

DARPA creó el programa XS-1 (posteriormente renombrado como Programa Experimental de Aviones Espaciales), con la intención de aumentar la seguridad nacional mediante la invención de una nueva forma de aeronave hipersónica , económica y de rápida implementación . Promovieron conceptos como alcanzar una órbita terrestre baja en cuestión de días, cohetes reutilizables no tripulados , la sustitución de propulsores externos por propulsores criogénicos internos y autónomos, la capacidad de desplegar cargas útiles de 900 a 3000 lb (410 a 1400 kg) en órbita polar , alas compuestas-metálicas que pudieran soportar vuelos hipersónicos suborbitales y temperaturas superiores a 3000 °F (1600 °C) , tecnología de vuelo autónomo desarrollada por el programa ALASA (Airborne Launch Assist Space Access) de DARPA , y alcanzar Mach 10. ^{[ 9 ]}    

El programa XS-1 siguió a varios intentos fallidos previos de desarrollar un vehículo de lanzamiento espacial reutilizable . El Rockwell X-30 en la década de 1980 y el X-33 VentureStar en la década de 1990 nunca volaron debido a tecnologías inmaduras. El último intento de DARPA fue el programa Responsive Access, Small Cargo, Affordable Launch ^{[ 10 ] [ 11 ]} (RASCAL) a principios de la década de 2000 con el objetivo de colocar cargas útiles de 300 lb (140 kg) en órbita por menos de $750 000.  

El programa XS-1 se anunció en noviembre de 2013 en un día de la industria de DARPA. DARPA declaró que el XS-1 era más viable debido a mejores tecnologías, incluyendo estructuras de fuselaje y tanques de material compuesto ligeros y de bajo costo, protección térmica duradera, propulsión reutilizable y asequible, y sistemas de gestión de salud similares a los de las aeronaves. ^{[ 5 ]} Jess Sponable, gerente del programa XS-1, habló el 5 de febrero de 2014 en el grupo de Operaciones Futuras en el Espacio de la NASA, declarando: "La visión aquí es romper el ciclo de aumento de los costos de los sistemas espaciales, permitir el acceso rutinario al espacio y los vehículos hipersónicos". ^{[ 12 ]}

En julio de 2014, tres empresas obtuvieron contratos para diseñar un vehículo de demostración. Las empresas seleccionadas fueron Boeing con Blue Origin , Masten Space Systems con XCOR Aerospace y Northrop Grumman con Virgin Galactic . A diferencia de otros programas de DARPA que se transfirieron a partes del ejército de los Estados Unidos una vez que demostraron su éxito, esta iniciativa se diseñó desde el principio como una asociación directa entre la agencia y la industria. En agosto de 2015, Boeing, Northrop Grumman y Masten Space Systems recibieron financiación adicional de DARPA para continuar con sus conceptos de diseño para la Fase 1B del programa. A partir de 2015, la primera misión orbital XS-1 estaba prevista para realizarse ya en 2020. ^{[ 13 ]}

DARPA inició la Fase 2 del programa XS-1 en abril de 2016. ^{[ 14 ]} En julio de 2016, DARPA declaró que creía que "era el momento adecuado para un esfuerzo renovado, uno que comenzó en 2013/14, pero [en 2016] se intensificó a través de un proceso de licitación, lo que permitió la creación de varios conceptos de la industria. Según los requisitos [de la licitación], la aeronave [los requisitos] seguirían necesitando ser capaz de realizar 10 vuelos en 10 días, con una capacidad de carga útil superior a 3000 libras a un costo inferior a 5 millones de dólares estadounidenses por vuelo". ^{[ 15 ]}

En mayo de 2017, DARPA seleccionó a Boeing para la Fase 2/3 para construir y probar el XS-1 (ahora llamado programa de Avión Espacial Experimental). ^{[ 7 ]} El contrato de la fase 2/3 incluía 146 millones de dólares de financiación de DARPA y una contribución no especificada de la empresa. ^{[ 16 ]}

El 22 de enero de 2020, DARPA anunció que Boeing se retiraba del programa XS-1 "inmediatamente" y que, en la práctica, ponía fin al programa. ^{[ 8 ] [ 16 ]}

Los objetivos del programa a septiembre de 2013 fueron: ^{[ 3 ] [ 17 ]} El avión espacial debe transportar una carga útil de 3000–5000 lb (1400–2300 kg) a la órbita terrestre baja por menos de un costo de US$5 millones por vuelo, ^{[ 4 ]} a una tasa de 10 o más vuelos por año; en ese momento, lanzar ese tipo de carga útil requiere el uso de un propulsor desechable Minotaur IV de Orbital Sciences Corporation , con un precio de US$55 millones una vez al año.   

• vuelo hipersónico a Mach 10 (12.300 km/h) o superior  
• Tiempo de respuesta rápido de un día, incluyendo 10 vuelos en 10  días.
• una carga útil de 1.800 kg (4.000 lb) en trayectoria hacia la órbita  
• El coste de lanzamiento es inferior a 1/10 del de los sistemas de lanzamiento actuales, aproximadamente 5 millones de dólares estadounidenses  por vuelo ^{[ 4 ].}
• vehículo no tripulado
• utilizar un propulsor de primera etapa reutilizable para volar a velocidades hipersónicas a una altitud suborbital, acoplado con una o más etapas superiores desechables que separarían y desplegarían un satélite ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Boeing , Northrop Grumman Aerospace Systems y Masten Space Systems tienen contratos para el diseño conceptual de la Fase 1.

Boeing realizó inicialmente estudios de viabilidad con Blue Origin . El diseño de Boeing permitiría que el propulsor autónomo transportara la segunda etapa y la carga útil a gran altitud y las desplegara en el espacio. Posteriormente, el propulsor regresaría a la Tierra, donde podría prepararse rápidamente para el siguiente vuelo aplicando principios de operación y mantenimiento similares a los de las aeronaves modernas. ^{[ 20 ]}

Northrop Grumman utilizó su experiencia en aeronaves, naves espaciales y sistemas autónomos para trabajar con su equipo, compuesto por Scaled Composites para liderar la fabricación y el ensamblaje, y Virgin Galactic para dirigir las operaciones y la transición de aviones espaciales comerciales; tanto Virgin Galactic como Scaled Composites trabajaron en el SpaceShip Two , la única línea espacial comercial del mundo. El equipo también aprovechó tecnologías desarrolladas durante proyectos relacionados para DARPA, la NASA y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para brindar al gobierno un retorno de esas inversiones. Su concepto incluía un lanzamiento desde una plataforma limpia utilizando un lanzador transportador-erector con infraestructura y personal de tierra mínimos, operaciones de vuelo altamente autónomas y aterrizaje y recuperación horizontales en pistas estándar. ^{[ 18 ]}

Masten Space Systems tiene experiencia en vehículos cohete reutilizables de despegue y aterrizaje vertical (VTVL), y sus diseños Xombie, Xoie y Xaero ya han cumplido o superado el objetivo de 10 vuelos en 10 días establecido por el programa. Aunque la empresa cuenta con aproximadamente 30 empleados y tiene su sede en un pequeño edificio en el Puerto Aeroespacial de Mojave , lleva años probando diversos sistemas VTVL pequeños en vuelos cortos en el puerto espacial, que sirven como bancos de pruebas para sistemas de guiado, navegación y control (GNC) diseñados para aterrizar naves espaciales de forma segura en la Luna y, potencialmente, en otros planetas. Su concepto mostraba un sistema VTVL despegando verticalmente desde una plataforma de lanzamiento con alas y una aleta de cola. Masten Space Systems se asoció con XCOR Aerospace para la Fase 1A. ^{[ 21 ]}

Fase 2 y 3

En mayo de 2017, Boeing fue seleccionada para asociarse con DARPA para construir el XS-1. ^{[ 22 ]} Aerojet Rocketdyne proporcionaría los motores AR-22, derivados del motor RS-25 , para la nave espacial. ^{[ 23 ]} El contrato de la fase 2/3 para construir y volar el prototipo incluía 146 millones de dólares estadounidenses de financiación de DARPA. ^{[ 16 ]}

El diseño de Boeing era una nave de despegue vertical y aterrizaje horizontal ( VTHL ) ^{[ 7 ]} llamada Phantom Express, destinada a aumentar el acceso de la nación al espacio. ^{[ 24 ]} Las especificaciones planificadas incluyen una altura del vehículo de 100 pies (30 m) , con una envergadura de 62 pies (19 m) . El Phantom Express iba a utilizar un motor Aerojet Rocketdyne AR-22 , que fue construido originalmente para el programa del Transbordador Espacial, pero que ha sido modificado para ser reutilizado diez veces en diez días, por menos de 5 millones de dólares por lanzamiento. Estaba destinado a lanzar satélites de forma barata y rápida, y la reutilización reduciría aún más el costo por lanzamiento. Este requisito de rendimiento se demostró en un banco de pruebas en julio de 2018. ^{[ 25 ]} El 22 de enero de 2020, se anunció que la división Phantom Works de Boeing dejaría de participar en el programa. Representantes de Boeing declararon que sus inversiones en el proyecto XS-1 se redirigirían a otros proyectos de Boeing relacionados con los dominios aéreo, marítimo y espacial. ^{[ 8 ]} DARPA no solicitó reembolsos, ya que Boeing recibió el pago de acuerdo con los hitos alcanzados en el desarrollo. El programa no fue del todo infructuoso, ya que el trabajo realizado demostró que las tecnologías disponibles en ese momento podrían respaldar nuevos proyectos similares al programa XS-1, y no existían barreras técnicas. ^{[ 26 ]}  

• Sitio web oficial del Boeing Phantom Express
• Vídeo de animación conceptual del artista DARPA XS-1 , 2014.
• Notificación de adjudicación a Masten Space Systems, Inc. , US$3 millones , documento del gobierno de EE. UU., 27 de junio de 2014. Vídeo de animación conceptual del artista DARPA XS-1.