Aviones espaciales, la gran esperanza de la conquista del espacio

Alcanzar el espacio a bordo de un avión. Es el sueño de cualquier ingeniero aeroespacial, un sueño tan difícil de hacer realidad que muchos lo tachan de simple quimera. Y eso que la idea es, en teoría, sorprendentemente sencilla. El enorme tamaño de un cohete se debe a que debe transportar todo el combustible y el oxidante necesario para alcanzar el espacio. El problema es que la Ecuación del Cohete dicta que cuanto mayor sea el peso de tu vehículo, más combustible tendrás que llevar. Por eso terminamos con un cohete de 350 toneladas para poner en órbita unas míseras siete toneladas de carga útil, aún usando varias etapas no reutilizables.

El avión espacial atómico MG-19 Gurkoliot se acopla con la estación espacial Mir (Vadim Lukashevich/www.buran.ru).

Los aviones espaciales parten de una idea muy sencilla. ¿Por qué no usar el oxígeno del aire y la fuerza de sustentación de las alas para alcanzar el espacio, adelgazando así la tremenda masa de los cohetes? De este modo tendríamos a nuestra disposición un sistema barato y reutilizable para alcanzar el espacio. Obviamente, en el vacío no hay aire, así que para el último empujón hasta la órbita se debería usar un motor cohete convencional. Aún así, tomando el oxígeno del aire nos ahorraríamos una enorme cantidad de masa. Todo muy sencillo, pero es aquí donde nos topamos con el primer inconveniente: ¿qué motores usamos? A altas velocidades, los motores a reacción convencionales no nos valen. Tampoco sirven los estatorreactores (ramjets), que sólo nos permiten alcanzar velocidades del orden de Mach 5,5. Si nos queremos mover en las procelosas aguas del vuelo hipersónico (por encima de Mach 5) necesitamos algo más contundente.

La cifra mágica es Mach 25 (29000 km/h), la ansiada velocidad orbital. Construir un sistema de propulsión atmosférico capaz de alcanzar estas velocidades es algo así como el Santo Grial de los constructores de motores. Los ramjets quedan muy lejos de esta cifra de oro, pero, por suerte, tenemos los scramjets. Estas bestias podrían en teoría alcanzar Mach 25 y hacer realidad el sueño de los aviones espaciales. En teoría, porque hasta la fecha nadie ha logrado construir un scramjet de estas características. El avión dotado de propulsión scramjet más veloz jamás construido es el prototipo X-43A de la NASA, capaz de alcanzar una velocidad de Mach 9,6 (unos 10500 km/h)… y eso con la ayuda de un cohete Pegasus. No es de extrañar que muchos teóricos pongan el límite práctico de los scramjets en Mach 12 (15000 km/h). Otro problema adicional es que, como es lógico, un avión no se mueve siempre a la misma velocidad. Un avión espacial deberá usar ramjets, scramjets y motores cohete a medida que acelere, aumentando la complejidad y peso de su diseño. O eso o inventamos una forma de que un solo tipo de motor sea las tres cosas al mismo tiempo, lo que no es tarea sencilla, porque entonces deberemos incorporar complejos y pesados sistemas de geometría variable dentro de los motores. Por otro lado, si empleamos motores cohete a partir de velocidades relativamente bajas (Mach 6-10 por ejemplo) evitaremos muchas de las complejidades asociadas a los scramjets, pero en este caso nuestro avión espacial tendrá una carga útil muy reducida al tener que transportar grandes cantidades de comburente como un cohete convencional. Y, claro, para ese viaje no necesitamos alforjas.

El avión espacial de la película 2001 como referente del transporte espacial del futuro (fuente).

A la dificultad de construir un scramjet todoterreno debemos añadir otra que resulta tanto o más importante: el calor. A las altísimas velocidades de un avión espacial, la fricción con el aire y las ondas de choque ocasionan que la temperatura del fuselaje se dispare. A pesar de que un avión espacial sólo pasará unos minutos en la atmósfera, es más que suficiente para requerir el uso de un pesado y complejo escudo térmico, escudo que deberá usar también durante la reentrada. La capacidad de aguantar altas temperaturas está ligada a la velocidad máxima del scramjet. De nada sirve tener un motor capaz de alcanzar Mach 25 si la nave se nos derrite por el camino.

Si diseñar un avión espacial es todo un desafío en la actualidad, hace décadas era simplemente ciencia ficción. Y aún así varios países lo intentaron. Para solventar los problemas antes mencionados, la mayoría de ingenieros en la Unión Soviética y en los Estados Unidos propusieron vehículos dotados de dos o tres fases para alcanzar el espacio: una primera etapa formada por un avión hipersónico con ramjets y una segunda etapa con un motor cohete. De esta forma se podían evitar los engorrosos scramjets y optimizar el diseño de cada fase. Por supuesto, estos sistemas no eran verdaderos aviones espaciales de una etapa -o SSTO (Single Stage to Orbit), sino ‘simples’ vehículos de lanzamiento espacial con etapas aladas denominados TSTO (Two Stage to Orbit) y que no trataremos en esta entrada. Porque los verdaderos aviones espaciales son SSTO, el auténtico objetivo a alcanzar.

El X-15 Delta lanzado desde un XB-70 Valkyrie y el Spiral 50-50, dos proyectos de lanzamiento espacial TSTO (www.buran.ru).

Los EEUU y el NASP

Dejando de lado fantasías como el avión nazi Silbervogel, los primeros proyectos serios para construir un auténtico avión espacial de una etapa -esto es, una nave  totalmente reutilizable capaz de despegar como un avión convencional, alcanzar la órbita por sus propios medios y aterrizar en una pista de aviación- aparecieron en los años 80. Hasta entonces se habían propuesto multitud de conceptos, a cual más ingenioso, pero ninguno pasó de la etapa de diseño preliminar. El proyecto más famoso sería el NASP (National Aero-Space Plane)de los EEUU, también conocido como X-30 u Orient Express. Aunque hoy en día estos nombres se suelen presentar como sinónimos, lo cierto es que no eran la misma cosa. NASP era el nombre del programa en conjunto, mientras que el X-30 debía haber sido un vehículo experimental -es decir, ni siquiera un prototipo- desarrollado durante la Fase III del programa. NASP era un programa conjunto entre la NASA y el Departamento de Defensa (DoD). Dentro del DoD participaron en el programa la US Navy, la agencia DARPA, la USAF y la famosa Oficina de la Iniciativa de Defensa Estratégica de Reagan (SDIO, más conocida como ‘Star Wars’). No obstante, la agencia líder en las fases iniciales del desarrollo fue DARPA, que llevó a cabo estudios de viabilidad de un avión espacial con scramjets bajo el nombre en clave de Copper Canyon, síntoma claro del interés de los militares estadounidenses en el proyecto. No en vano, el NASP permitiría viajar a la órbita o hasta cualquier punto del planeta en cuestión de muy poco tiempo. Y quien dice viajar dice llevar una carga militar.

Diseño original del NASP de DuPont.
Desafíos tecnológicos del programa.
Rango de velocidades y altitudes del NASP.

El programa nació en 1982 y su Fase I terminó en 1985. En un principio NASP debía haber alcanzado Mach 25 y la órbita usando únicamente scramjets -que también funcionarían a bajas velocidades como ramjets-, pero pronto se decidió que éste era un objetivo demasiado ambicioso por culpa de los problemas de temperatura. Los requisitos para los scramjets se rebajaron primero a una velocidad máxima de Mach 20 y luego a Mach 17. NASP usaría motores cohete para la última etapa del vuelo. Estos motores, integrados con los scramjets, usarían hidrógeno y oxígeno líquidos. Precisamente, el hidrógeno sería el combustible de los scramjets durante su fase atmosférica. La elección de este combustible se debía a que el hidrógeno es muy eficiente (tiene un alto impulso específico), aunque sin embargo ocupa un gran volumen. La solución a este problema pasaba por usar hidrógeno superenfríado, casi en estado sólido, lo que constituía otro desafío tecnológico añadido. Uno más. Pero no hay mal que por bien no venga, ya que el hidrógeno se emplearía para refrigerar el fuselaje de titanio durante el vuelo, evitando la necesidad de emplear complejos escudos cerámicos como el del transbordador espacial. De hecho, se supone que la refrigeración por hidrógeno del fuselaje, introducida por la DARPA en el programa Copper Canyon, fue el auténtico avance que permitió considerar seriamente la viabilidad del proyecto.

La Fase II finalizó en 1990 y por entonces el diseño del NASP había cambiado sustancialmente. De un avión puntiagudo con ala delta y esbeltas líneas aerodinámicas se pasó a un diseño integrado de alas pequeñas en el que la mayor parte de la sustentación se generaba ‘cabalgando’ en las ondas de choque creadas por el vehículo, un concepto denominado muy apropiadamente waverider. Los motores scramjets estarían situados en la parte inferior trasera para permitir que el fuselaje del avión ayudase a comprimir el aire. La Fase III debía haber finalizado en 1994 con la construcción de una o dos unidades del X-30 capaces de volar entre Mach 5 y Mach 15 hasta los 46 kilómetros de altura, con las empresas Rockwell, General Dynamics y McDonnell Douglas como contratistas principales. En principio se previó llevar a cabo algún tipo de misión orbital de una sola etapa modificando estos vehículos experimentales, una idea rápidamente abandonada cuando el presupuesto del programa se disparó hasta la estratosfera -nunca mejor dicho-.

Uno de los diseños finales del NASP/X-30.

Pero no pudo ser. El NASP/X-30 sería cancelado en 1993 sin conseguir ni uno sólo de sus objetivos iniciales. Para entonces, el primer vuelo de un X-30 no se esperaba antes de 2001, y sólo si el gobierno decidía gastar unos 18 mil millones de dólares. Como mínimo. Gracias a este proyecto quedó meridianamente claro que construir un avión espacial de una etapa con scramjets era poco menos que imposible con la tecnología de finales del siglo XX. Los experimentos con motores scramjets realizados en el marco del programa NASP demostraron que por encima de los 16000 km/h las dificultades técnicas asociadas al sistema de propulsión y al calentamiento del fuselaje eran prácticamente inabordables. También se demostró que la configuración ideal para un avión espacial a base de estos motores era un diseño de tipo waverider con motores muy pequeños. Las tecnologías del programa NASP se aplicarían en varios proyectos como el X-43 o el X-51, aunque ninguno de ellos ha logrado desembocar un avión hipersónico operativo (al menos que sepamos), y menos aún un avión espacial.

Aviones espaciales soviéticos

En la URSS, el primer proyecto de avión espacial que se pueda denominar así nació en los años 70 de la mano de Oleg Gurko, del instituto NII-4 (posteriormente TsNII-50). Gurko desarrolló en 1974 un curioso -alocado, dirían algunos- concepto de avión espacial atómico que usaba el calor de un reactor nuclear para calentar el aire y crear empuje, sin necesidad de construir complejos motores scramjet. Este concepto se materializaría en el proyecto M-19, formado a su vez por varias versiones de aviones hipersónicos, incluyendo algunos bombarderos. El M-19 también sería conocido como MG-19 (Myasíschev-Gurko 19) tras la incorporación de la oficina de diseño de Myasischev al proyecto. El avión espacial M-19 (M-19-3), apodado el Gurkoliot (Гурколёт), tenía una masa al despegue de 500 toneladas y podía situar 30 toneladas en órbita, una cifra elegida para contrarrestar las capacidades del transbordador espacial estadounidense. Un reactor nuclear de 2100-4000 megavatios calentaría el aire para los motores atmosféricos. A partir de 50 kilómetros de altura y Mach 16 se activarían los motores cohete, que eran en realidad motores nucleares térmicos a base de hidrógeno.

Unos de los diseños del M-19.
Bombardero hipersónico basado en el M-19.
 

A pesar de que parecía sacado de una novela de ciencia ficción, el Gurkoliot tuvo una vida bastante prolongada gracias principalmente al apoyo de los militares y al prestigio de la oficina de diseño de Myasíschev. No obstante, la idea usar la energía nuclear como fuente de propulsión en aviones espaciales fue descartada al igual que ya lo había sido en aviones convencionales (ahí tenemos el ejemplo del Túpolev Tu-119). Sólo imaginar las consecuencias en caso de que uno de estos vehículos sufriese un accidente hacía que a más de uno se le pusiesen los pelos de punta.

Diseño final de la versión espacial del MG-19 Gurkoliot, el avión espacial atómico.
Sistema de propulsión nuclear del Gurkoliot.

Como es normal, el desarrollo del NASP fue seguido con enorme interés desde la Unión Soviética. La implicación de los militares estadounidenses en el proyecto no había pasado desapercibida a nadie y en plena Guerra Fría la URSS no estaba dispuesta a quedarse atrás. El 27 de enero y el 19 de julio de 1986, el gobierno soviético publicó dos decretos ordenando el desarrollo de un avión espacial similar al NASP. El programa, denominado MKVS (Многоразовый Воздушно-Космический Самолёт, “avión aeroespacial reutilizable”), pronto generó una oleada de propuestas. La más relevante sería el Túpolev Tu-2000 (o simplemente ’2000′), desarrollado conjuntamente por las oficinas de diseño Túpolev, Yakovlev y NPO Energía.

Proyecto Túpolev Tu-2000.
Temperaturas alcanzadas por el Tu-2000.
Detalle de las tomas de geometría variable de los motores del Tu-2000.

El programa Tu-2000 preveía la construcción de un prototipo, denominado Tu-2000A, relativamente modesto y capaz de alcanzar Mach 6 únicamente. El Tu-2000A tendría una masa de 70 a 90 toneladas y una longitud de 55-60 metros, con una envergadura alar de 14 metros. El combustible elegido para el Tu-2000 sería hidrógeno, pero para el Tu-2000A se estudió usar metano. Este avión debía servir como base para desarrollar otros proyectos como el bombardero hipersónico Túpolev Tu-360 y, a largo plazo, un verdadero avión espacial. Aunque el programa no fue nunca formalmente cancelado, la caída de la URSS en 1991 paralizó el desarrollo del Tu-2000. En cualquier caso, el Túpolev 2000 se resiste a morir y de vez en cuando aparece en los festivales de aviación, aunque con un diseño y unas prestaciones muy diferentes al concepto original. Las dificultades en el desarrollo del Tu-2000 convencieron a las autoridades soviéticas de que la URSS no podría tener listo un avión espacial con motores scramjet hasta principios del siglo XXI como muy pronto.

Una de las últimas versiones del Tu-2000.

En 1993 se creó el proyecto RAKS (Российский АэроКосмический Самолёт, “avión aeroespacial ruso”), una especie de continuación del programa MKVS mucho más modesta creada dentro del marco del programa Oriol (‘águila’) para la creación de un avión espacial ruso. RAKS pretendía desarrollar un prototipo de avión hipersónico de dos toneladas denominado Iglá (‘aguja’) o GLL-8 (GLL-VK), capaz de ser lanzado mediante un cohete Rokot y con una velocidad máxima de Mach 17 a 70 kilómetros de altura. Dentro del programa Oriol, a finales de los 90 también surgió el proyecto MiG 2000 -una especie de Tu-2000 remozado- y el MiG AKS, que a pesar de no ser un avión espacial propiamente dicho -tenía dos etapas en vez de una, es decir era TSTO- se basaba en las tecnologías desarrolladas durante el programa Tu-2000.

Proyecto de avión espacial ruso MiG 2000.
MiG AKS.
Prototipo de avión hipersónico GLL-VK Iglá.

Además del Túpolev 2000 y el Gurkoliot, en la URSS se llevaron a cabo otras propuestas de aviones espaciales. Una de ellas fue el VKS (Воздушно-Космический Самолёт, “avión aeroespacial”) de la oficina NPO Energía, constructora de las naves espaciales Soyuz. El VKS debía haber sido un avión tripulado de 67 metros de longitud dotado de motores hipersónicos a base de queroseno que debían dar paso a varios motores cohete criogénicos para alcanzar la órbita. Este programa fue impulsado por el mismísimo jefe de NPO Energía, Valentín Glushkó, pero nunca pasó más allá de la fase conceptual.

Proyecto de avión espacial VKS de NPO Energía de los años 80 (www.buran.ru).

En 1994 también surgió el proyecto Ayaks (o Ajax, Аякс), un intento ciertamente exótico de crear un avión hipersónico. Se cree que Ayaks usa un novedoso sistema de propulsión magnetohidrodinámico (MHD) que permite emplear el oxígeno atmosférico a alturas extremas, permitiendo así reducir los efectos de la fricción atmosférica. La propulsión MHD, también estudiada en los EEUU, se caracteriza además por ser un sistema que rodea el avión con un ‘escudo’ de plasma que reduce la fricción y por tanto la temperatura del vehículo. Ayaks es un proyecto de avión hipersónico, no espacial, pero si la tecnología MHD demuestra su validez podría tener serias implicaciones en el desarrollo de naves espaciales SSTO. Por último, si hablamos de aviones espaciales rusos es inevitable hablar del proyecto MTVKA-U, el “platillo volante ruso”, una propuesta exótica del Instituto de Mecánica Aplicada.

Proyecto Ayaks.
MYVKA-U, el platillo volante ruso, una propuesta de avión espacial ruso ciertamente curiosa.

HOTOL, Skylon y los turbocohetes

Está claro que la construcción de scramjets capaces de alcanzar la velocidad orbital constituyen el principal impedimento a la hora de crear un avión espacial ‘de verdad’. ¿Hay alguna alternativa no nuclear a los scramjets? Pues sí, la hay, y se llama turbocohete. Un turbocohete es básicamente un motor cohete convencional en el que el oxígeno -el comburente- es extraído de la atmósfera. Este principio serviría para desarrollar en los años 50 el concepto de motor LACE (Liquid Air Cycle Engine). Un motor LACE es un motor criogénico a base de hidrógeno y oxígeno líquidos en el que la baja temperatura del hidrógeno se usa para enfriar rápidamente el aire entrante y licuarlo. Posteriormente, en teoría, mediante un complejo sistema se puede separar el oxígeno líquido del nitrógeno líquido e inyectarlo en la cámara de combustión.

El concepto LACE sería usado en las propuestas de avión espacial británico HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing) de los años 80. HOTOL debía usar motores Rolls Royce RB545 basados en la tecnología LACE para alcanzar el espacio, aunque su diseño sigue clasificado a día de hoy. La transición de motores a reacción a motores cohete se realizaría a velocidades relativamente bajas, de tan sólo Mach 5 o 6, por lo que HOTOL debía llevar consigo una gran cantidad de comburente (oxígeno líquido) para ponerse en órbita. No es de extrañar que su aspecto fuese más parecido al de un voluminoso cohete con alas que al de un avión espacial. A cambio, era una propuesta mucho más realista que el NASP. Tenía capacidad para llevar entre 5 y 6 toneladas de carga útil y sus dimensiones eran de 63 x 12,8 x 7 metros, con una envergadura de 28,3 metros y una masa al despegue de 250 toneladas. Usaba un escudo térmico cerámico para la mayor parte de superficies y de carbono-carbono para el morro y los bordes de ataque (como el shuttle), así como una aleación de titanio y carburo de boro para la estructura. Durante la fase atmosférica, el centro de gravedad podía moverse hasta diez metros a lo largo del eje del avión, así que el sistema de control de la aeronave supuso un serio problema para los desarrolladores. Con el fin de evitar el sobrepeso y facilitar el despegue, HOTOL sería lanzado desde un carrito móvil con propulsión propia que se movería por la pista.

Diseño original del HOTOL.
Diseño final del HOTOL.

Para reducir peso, no estaría tripulado, aunque podría incorporar un módulo de tripulación en la bodega de carga útil con capacidad para 50 personas en caso necesario. Una flota de cinco vehículos podría llevar a cabo 28 misiones al año desde el centro espacial de Kourou, en la Guayana Francesa. El desarrollo de HOTOL tuvo lugar entre 1986 y 1989, aunque el concepto original se remonta a 1982. Lamentablemente, su escasa carga útil y las enormes dificultades técnicas condenaron el proyecto. Tras su cancelación, British Aerospace estudió en 1990 una versión reducida que sería lanzada desde un Antonov An-225 y emplearía motores cohete convencionales RD-0120. Esta versión, a veces llamada HOTOL 2, ya no era un avión espacial SSTO, sino un sistema TSTO de lanzamiento aéreo.

En los años 90 el HOTOL original evolucionaría hasta dar paso al Skylon, una especie de HOTOL 3.0 mejorado. El diseño de Skylon incorpora las lecciones aprendidas durante la construcción del HOTOL. En vez de motores tipo LACE, Skylon usa la tecnología SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine). Los motores SABRE enfrían el gas entrante, pero a diferencia de los LACE no lo licúan, simplificando enormemente su funcionamiento. Además, el enfriamiento se lleva a cabo usando un circuito de helio en vez de hidrógeno. Como vimos, HOTOL presentaba un serio problema de estabilidad por culpa de su centro de gravedad cambiante. Con el fin de sortear este inconveniente, los dos motores SABRE del Skylon están situados en el extremo de las alas (a cambio, la pérdida de uno de estos motores durante el vuelo hipersónico podría tener consecuencias catastróficas). En su última versión (Skylon D1), Skylon es un prometedor avión espacial de 375 toneladas con una carga útil de 15 toneladas. Skylon es, junto al proyecto indio AVATAR, el único proyecto de avión espacial en desarrollo, así que su historia bien merece una entrada aparte más detallada. En cualquier caso, su futuro depende totalmente de la viabilidad -y rentabilidad- del concepto SABRE. El problema de los aviones espaciales con turbocohetes, como HOTOL y Skylon, es que su capacidad de carga útil se ve muy limitada por la gran cantidad de comburente que deben transportar, por lo que sus ventajas económicas con respecto a los cohetes convencionales son más que discutibles.

Avión espacial Skylon.
Esquema del motor SABRE del Skylon.

Hace décadas se pensaba que el acceso rutinario al espacio pasaba por la construcción de aviones espaciales de una sola etapa -no hay más que ver 2001: Odisea del espacio, por ejemplo-, pero está claro que el desafío ha resultado ser mucho más complicado de lo que esperábamos. ¿Veremos en este siglo el primer avión espacial de la historia o se trata en realidad de un concepto totalmente inviable?

Referencias:

http://danielmarin.blogspot.com.es/2013/01/aviones-espaciales-la-gran-esperanza-de.html

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