SpaceShipOne

El modelo Scaled Composites 316 , ^{[ 2 ]} conocido como SpaceShipOne , era un avión espacial diseñado para:

• Transportar a tres personas (una de ellas un piloto ) en una cabina presurizada a nivel del mar.
• Ser impulsado por cohete desde una altitud de 15 km (9,3 millas) hasta más de 100 km (62 millas) .    
• Reingresar a la atmósfera y liberar energía cinética en una configuración aerodinámicamente estable.
• Deslízate transónicamente y subsónicamente.
• Aterrizar horizontalmente en una pista estándar .

El fuselaje tiene forma de cigarro, con un diámetro total de aproximadamente 1,52 m (5 pies 0 pulgadas) . La estructura principal está hecha de un material compuesto de grafito y epoxi . De adelante hacia atrás, contiene la cabina de la tripulación, el tanque de oxidante, la carcasa del combustible y la tobera del cohete. La aeronave tiene alas cortas y anchas, con una envergadura de 5 m (16 pies) y una cuerda de 3 m (9,8 pies) . Grandes brazos de cola verticales están montados en el extremo de cada ala, con estabilizadores horizontales que sobresalen de los brazos de cola. Tiene tren de aterrizaje para aterrizajes horizontales.       

La masa total de la nave con el combustible completo es de 3600 kg (7900 lb) , de los cuales 2700 kg (6000 lb) corresponden al motor cohete completamente cargado. La masa vacía de la nave espacial es de 1200 kg (2600 lb) , incluyendo la carcasa vacía del motor de 300 kg (660 lb) . ^{[ 3 ] [ 4 ]}        

Originalmente, la tobera sobresalía por la parte trasera, pero esto resultó ser aerodinámicamente desventajoso. En junio de 2004, entre los vuelos 14P y 15P , se añadió un carenado que extendía suavemente la forma del fuselaje hasta unirse con el extremo ensanchado de la tobera. En el vuelo 15P, el nuevo carenado se sobrecalentó debido a que su interior era negro y estaba expuesto a una tobera caliente y negra. El carenado se ablandó y la parte inferior se deformó hacia adentro durante el impulso. Tras ese vuelo, el interior del carenado se pintó de blanco y se añadieron unas pequeñas nervaduras de refuerzo.

La nave cuenta con un único motor cohete híbrido no direccional ni regulable , un sistema de control de reacción de gas frío y superficies de control aerodinámico . Todos estos componentes pueden controlarse manualmente. Consulte la sección aparte a continuación sobre el motor cohete.

El sistema de control de reacción es la única forma de controlar la actitud de la nave espacial fuera de la atmósfera. Consta de tres conjuntos de propulsores: los propulsores en cada punta de ala controlan el alabeo, los propulsores en la parte superior e inferior del morro controlan el cabeceo y los propulsores en los laterales del fuselaje controlan la guiñada. Todos los propulsores tienen sistemas de respaldo redundantes, por lo que hay doce propulsores en total.

Las superficies de control aerodinámico de SpaceShipOne están diseñadas para operar en dos regímenes de vuelo distintos: subsónico y supersónico. El régimen supersónico es de interés principal durante la fase de impulso, y el subsónico durante el planeo. La nave cuenta con timones superiores e inferiores independientes, así como alerones . Estos se controlan mediante una palanca y pedales de estilo aeronáutico . En modo supersónico, los compensadores se controlan eléctricamente, mientras que en modo subsónico se utiliza un sistema mecánico de cables y varillas.

Las alas de SpaceShipOne pueden inclinarse neumáticamente hacia adelante, adoptando una forma aerodinámicamente estable y de alta resistencia , similar a una pluma. Esto elimina la necesidad de controlar activamente la actitud durante la fase inicial de la reentrada: Scaled Composites lo denomina "reentrada sin preocupaciones". Uno de los primeros vuelos de prueba realizó la reentrada invertida, demostrando la flexibilidad y la estabilidad inherente del diseño de Burt Rutan , similar a un volante de bádminton . Se afirma que este modo de reentrada con alas plegadas es intrínsecamente más seguro que el comportamiento del Transbordador Espacial a velocidades similares . El Transbordador está sometido a enormes esfuerzos aerodinámicos y debe ser dirigido con precisión para mantener un planeo estable. (Si bien esta es una comparación interesante del comportamiento, no es del todo justa en cuanto a los conceptos de diseño: el Transbordador inicia la reentrada a una velocidad mucho mayor que SpaceShipOne, por lo que tiene requisitos muy diferentes. SpaceShipOne es más similar al vehículo X-15).

Un diseño inicial contemplaba una forma permanentemente similar a la de un volante de bádminton, con un anillo de aletas estabilizadoras parecidas a plumas . Esto habría impedido que la nave aterrizara de forma independiente, requiriendo su recuperación en pleno vuelo . Esto se consideró demasiado arriesgado, y el diseño híbrido final logra incorporar la capacidad de aleteo en una nave que puede aterrizar de forma convencional. Las secciones traseras inclinables de las alas y los brazos de cola se denominan colectivamente «la pluma».

El tren de aterrizaje consta de dos ruedas principales muy separadas y un patín delantero. Estas se despliegan mediante resortes, con la ayuda de la gravedad. Una vez desplegadas, no se pueden retraer en vuelo.

La nave espacial es incapaz de despegar de forma independiente desde tierra. Requiere un avión de lanzamiento para ser transportada a la altitud de lanzamiento para su lanzamiento aéreo .

Las partes de la nave que experimentan mayor calentamiento, como los bordes de ataque de las alas, cuentan con aproximadamente 6,5 kg (14 lb) de material de protección térmica ablativa. El componente principal de este material se filtró accidentalmente a la base aérea Air and Space . Si la nave hubiera volado sin protección térmica, habría sobrevivido a la reentrada, pero habría sufrido daños.  

El diseño aerodinámico de la nave espacial presenta una deficiencia reconocida que la hace susceptible a oscilaciones de balanceo . Esto se observó en el vuelo 15P de SpaceShipOne, donde la cizalladura del viento provocó un balanceo pronunciado inmediatamente después del encendido, y en el vuelo 16P, donde circunstancias aún no del todo comprendidas causaron múltiples balanceos rápidos. Si bien este defecto no se considera peligroso, en ambos vuelos conllevó alcanzar una altitud mucho menor de la esperada. Los detalles del defecto no son públicos.

La cabina de la nave espacial, diseñada para albergar a tres personas, tiene forma de cilindro corto, de 1,52 m (5 pies ) de diámetro , con un extremo puntiagudo hacia adelante. El piloto se sienta en la parte delantera y dos pasajeros pueden sentarse detrás.   

La cabina está presurizada, manteniendo una atmósfera respirable a nivel del mar . El oxígeno se introduce en la cabina mediante una botella, y el dióxido de carbono y el vapor de agua se eliminan mediante absorbentes. Los ocupantes no usan trajes espaciales ni máscaras de respiración, ya que la cabina ha sido diseñada para mantener la presión incluso en caso de fallos: todas las ventanas y juntas son dobles.

La cabina cuenta con dieciséis ventanas redondas de doble cristal, estratégicamente ubicadas para ofrecer una vista del horizonte en todas las fases del vuelo. Si bien las ventanas son pequeñas en comparación con la distancia entre ellas, son suficientes para que los ocupantes puedan obtener una vista aceptable.

La sección frontal se puede desmontar, y también hay una escotilla debajo de las ventanas traseras en el lado izquierdo. El acceso de la tripulación es posible por cualquiera de las dos rutas.

El núcleo de la aviónica de la nave espacial es la Unidad de Navegación del Sistema ( SNU ). Junto con la Pantalla del Director de Vuelo ( FDD ), conforma la Unidad de Navegación de Vuelo . Esta unidad fue desarrollada conjuntamente por Fundamental Technology Systems y Scaled Composites .

El SNU es un sistema de navegación inercial basado en GPS que procesa datos de sensores de la nave espacial y datos sobre el estado de los subsistemas. Transmite datos de telemetría por radio al centro de control de la misión.

El FDD muestra datos del SNU en una pantalla LCD a color . Dispone de varios modos de visualización para las distintas fases del vuelo, incluyendo la fase de impulso, la fase de planeo , la reentrada y el descenso. El FDD es especialmente importante para el piloto durante las fases de impulso y planeo, ya que le permite corregir la trayectoria y anular las tasas de inestabilidad causadas por el empuje asimétrico. El FDD utiliza una combinación de software comercial y desarrollado a medida.

El Tier One utiliza un motor de cohete híbrido suministrado por SpaceDev , con combustible sólido de polibutadieno con terminación hidroxilo (HTPB o caucho ) y oxidante de óxido nitroso líquido . Genera 88 kN (20 000 lb _f ) de empuje y puede arder durante unos 87 s (1,45 min) .    

La disposición física del motor es novedosa. El tanque de oxidante es un componente estructural principal y la única parte del motor conectada estructuralmente a la nave espacial: de hecho, el tanque forma parte integral del fuselaje. El tanque es un cilindro corto de aproximadamente 1,52 m (5 pies 0 pulgadas) de diámetro , con extremos abovedados, y es la parte más adelantada del motor. La carcasa de combustible es un cilindro estrecho en voladizo unido al tanque, apuntando hacia atrás. El diseño en voladizo permite alojar diversos tamaños de motor sin modificar la interfaz ni otros componentes. La tobera es una simple extensión de la carcasa de combustible; la carcasa y la tobera son en realidad un solo componente, denominado CTN ( carcasa , garganta y tobera ). Burt Rutan ha solicitado una patente para esta configuración de motor.   

El diseño del motor incorpora una cantidad considerable de materiales compuestos . El tanque de oxidante consta de un revestimiento compuesto con recubrimiento de grafito / epoxi y bridas de interfaz de titanio . El CTN utiliza un aislante compuesto de alta temperatura con estructura de grafito/epoxi. La integración del combustible sólido (y, por lo tanto, la parte principal del motor) y la boquilla ablativa en este único componente unido minimiza las posibles vías de fuga.

El tanque de oxidante y el CTN están atornillados en el mamparo de la válvula principal, que está integrado en el tanque. Hay juntas tóricas en la interfaz para evitar fugas; esta es la principal vía potencial de fuga en el motor. El sistema de encendido, la válvula de control principal y el inyector están montados en el mamparo de la válvula, dentro del tanque. Los deflectores de chapoteo también están montados en este mamparo. Dado que el oxidante se almacena a presión, no se requiere bomba.

El revestimiento del tanque y la carcasa de combustible son fabricados internamente por Scaled Composites . El recubrimiento exterior del tanque es suministrado por Thiokol . La boquilla ablativa es suministrada por AAE Aerospace . El sistema de llenado, ventilación y descarga de oxidante es suministrado por Environmental Aeroscience Corporation . Los componentes restantes (el sistema de encendido, la válvula de control principal, el inyector, los mamparos del tanque, los controles electrónicos y la fundición de combustible sólido) son suministrados por SpaceDev .

El CTN debe reemplazarse entre cada encendido. Esta es la única parte de la aeronave, aparte del combustible y el oxidante, que debe reemplazarse.

El combustible sólido se moldea con cuatro orificios. Esto tiene la desventaja de que, durante la combustión, pueden desprenderse trozos de combustible entre los orificios, obstruyendo el flujo de oxidante y gases de escape. Sin embargo, estas situaciones tienden a corregirse rápidamente.

El tanque de oxidante se llena y se ventila a través de su mamparo delantero , en el lado opuesto del tanque al combustible y al resto del motor. Esto mejora la seguridad. Se llena a una presión de 4,8 MPa (700 psi) a temperatura ambiente .  

La boquilla tiene una relación de expansión de 25:1, optimizada para la parte superior de la atmósfera. Para las pruebas de disparo en tierra, se utiliza otra boquilla con una relación de expansión de 10:1. Las boquillas son negras por fuera, pero para las pruebas aerodinámicas se utilizan boquillas simuladas rojas.

El cohete no es regulable. Una vez encendido, el encendido puede interrumpirse, pero la potencia de salida no se puede controlar de otra manera. De hecho, el empuje varía por dos razones. En primer lugar, a medida que disminuye la presión en el tanque de oxidante, el caudal se reduce, disminuyendo así el empuje. En segundo lugar, en las últimas etapas del encendido, el tanque de oxidante contiene una mezcla de oxidante líquido y gaseoso, y la potencia de salida del motor varía considerablemente según si utiliza oxidante líquido o gaseoso en un momento dado. (El líquido, al ser mucho más denso, permite una mayor velocidad de combustión).

Tanto el combustible como el oxidante pueden almacenarse sin precauciones especiales y no arden al entrar en contacto sin una fuente de calor significativa. Esto hace que el cohete sea mucho más seguro que los cohetes convencionales de combustible líquido o sólido. Los productos de la combustión son vapor de agua, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono.

El motor fue mejorado en septiembre de 2004, entre los vuelos 15P y 16P . La mejora aumentó el tamaño del tanque de oxidante para proporcionar mayor empuje al inicio de la combustión, permitir una combustión más prolongada y retrasar el inicio de la fase de empuje variable al final de la combustión. Antes de la mejora, el motor generaba 76 kN (17 000 lb _f ) de empuje y podía funcionar durante 76 s (1,27 min) . Después de la mejora, era capaz de generar 88 kN (20 000 lb _f ) de empuje y una combustión de 87 s (1,45 min) .        

El avión de lanzamiento de Tier One, el Scaled Composites Model 318 , conocido como White Knight , está diseñado para despegar y aterrizar horizontalmente y alcanzar una altitud de aproximadamente 15 km (9,3 millas) , todo ello mientras transporta la nave espacial de Tier One en una configuración de avión parásito . Su propulsión se realiza mediante dos turborreactores : motores J-85-GE-5 con postcombustión, con una potencia nominal de 15,6 kN (3500 lb _f ) de empuje cada uno.    

Cuenta con la misma cabina, aviónica y sistema de compensación que SpaceShipOne. Esto significa que puede certificar en vuelo casi todos los componentes de SpaceShipOne. Además, posee una alta relación empuje-peso y grandes frenos aerodinámicos. Estas características, en conjunto, permiten utilizarlo como un simulador de vuelo de plataforma móvil de alta fidelidad para SpaceShipOne. White Knight también está equipado con un sistema de compensación que, al activarse, le confiere el mismo perfil de planeo que SpaceShipOne; esto permite a los pilotos practicar el aterrizaje de SpaceShipOne. Los mismos pilotos vuelan White Knight que SpaceShipOne.

La distintiva forma de la aeronave se caracteriza por alas largas y delgadas, con forma de "W" aplanada, una envergadura de 25 m (82 pies) , dos planos de cola y cuatro ruedas (una delantera y otra trasera a cada lado). Las ruedas traseras son retráctiles, pero las delanteras, que son orientables, permanecen desplegadas permanentemente, con pequeños carenados, denominados "spats", en la parte frontal. Otra forma de visualizar su forma general es como dos aviones convencionales, con fuselajes muy delgados, colocados uno al lado del otro y unidos por las puntas de las alas, con la cabina y los motores montados en el punto de unión.  

Si bien el White Knight fue desarrollado para funciones específicas dentro del programa Tier One, es un avión muy capaz por derecho propio. Scaled Composites lo describe como un "avión de investigación de gran altitud".

SpaceShipOne despega desde tierra, acoplada a White Knight en una configuración parasitaria y bajo la propulsión de White Knight. La combinación de SpaceShipOne y White Knight puede despegar, aterrizar y volar a gran altitud mediante propulsión a chorro. Un vuelo de transporte cautivo ^{[ 5 ]} es aquel en el que las dos naves aterrizan juntas sin lanzar SpaceShipOne; este es uno de los principales modos de aborto disponibles.

Para el lanzamiento, la nave combinada asciende a una altitud de aproximadamente 14 km (8,7 millas) , lo que tarda alrededor de una hora. A continuación, SpaceShipOne se suelta y planea brevemente sin propulsión. El encendido del cohete puede producirse de inmediato o retrasarse. Si el cohete no se enciende, SpaceShipOne puede planear hasta el suelo. Este es otro modo de aborto importante, además de ser utilizado deliberadamente en pruebas de planeo.  

El motor del cohete se enciende mientras la nave espacial planea. Una vez en funcionamiento, se eleva en un ascenso de 65°, que se acentúa aún más en la parte superior de la trayectoria. La aceleración máxima durante el ascenso se registró en 1,70 G. ^{[ 6 ]}

Al finalizar la combustión, la nave asciende a una velocidad que es un múltiplo de la velocidad del sonido, hasta aproximadamente 900 m/s (3000 ft/s) y Mach 3,5, y continúa ascendiendo sin propulsión (es decir, balísticamente ). Si la combustión fue lo suficientemente prolongada, superará una altitud de 100 km (62 millas) , a la cual la atmósfera no presenta una resistencia apreciable y la nave experimenta una caída libre durante unos minutos.    

En el apogeo , las alas se reconfiguran en modo de alta resistencia. Al caer, la aeronave alcanza velocidades similares a las del ascenso; al reingresar a la atmósfera, desacelera bruscamente hasta 5,75 G. A una altitud comprendida entre 10 km (6,2 millas) y 20 km (12 millas) , se reconfigura en modo planeador de baja resistencia y desciende planeando hasta aterrizar en unos 20 minutos.    

El descenso de White Knight tarda más y, por lo general, aterriza unos minutos después de SpaceShipOne.

El 17 de diciembre de 2003, en el centenario del primer vuelo propulsado de una aeronave por los hermanos Wright , SpaceShipOne , pilotada por Brian Binnie en el vuelo 11P , realizó su primer vuelo propulsado por cohete y se convirtió en la primera aeronave de construcción privada en alcanzar el vuelo supersónico. ^{[ 9 ] : 8}

Todos los vuelos de SpaceShipOne partieron del Centro de Pruebas de Vuelo Civil del Aeropuerto de Mojave . Los vuelos fueron numerados, comenzando con el vuelo 01 el 20 de mayo de 2003. Se añaden una o dos letras al número para indicar el tipo de misión. Una C indica que el vuelo fue de transporte cautivo, una G indica un planeo sin propulsión y una P indica un vuelo propulsado. Si el vuelo real difiere en categoría del vuelo previsto, se añaden dos letras: la primera indica la misión prevista y la segunda, la misión realizada.

Los vuelos fueron acompañados por dos aviones de seguimiento : un Extra 300 propiedad de Chuck Coleman y pilotado por él , y un Beechcraft Starship . ^{[ 16 ]}

Los pilotos de SpaceShipOne provenían de diversos ámbitos de la industria aeroespacial . Mike Melvill era piloto de pruebas , Brian Binnie era un expiloto de la Armada y Peter Siebold es ingeniero en Scaled Composites. Se cualificaron para pilotar SpaceShipOne mediante entrenamiento en el simulador de vuelo Tier One y en aeronaves como White Knight y otras de Scaled Composites.