Sistema de lançamento de pessoal HL-20

Sistema de lançamento de pessoal HL-20 Descrição desta imagem, também comentada abaixo Modelo do HL-20 . Registro de identidade
Organização NASA
Construtor Centro de Pesquisa Langley (NASA)
Tipo de embarcação avião espacial tripulado
Base de lançamento Centro Espacial Kennedy
Número de voos não
Status nunca construído (protótipo)
Características
Altura 9  m (apenas HL-20 )
Massa total 10.884  kg ( HL-20 sozinho)
Pousar pista de pouso convencional (como um avião)
Desempenho
Destino órbita terrestre baixa , estação espacial Freedom
Equipe técnica até 10 pessoas

O HL-20 (para "  Horizontal Landing 20  "), também conhecido pelo nome de PSLV ( Sistema de Lançamento de Pessoal ) ou CAHR ( Veículo de Retorno de Tripulação Assegurado ), foi um projeto de corpo de transporte tipo ônibus espacial estudado no início de 1990 para garantir o alívio das tripulações da estação espacial americana, que então estava em gestação com o nome de Space Station Freedom . Este pequeno ônibus espacial reutilizável (aproximadamente 11 toneladas por 9 metros de comprimento) deveria ser colocado em órbita por um lançador convencional e realizar uma reentrada atmosférica planando antes de pousar em uma pista de pouso. Ele foi projetado para assumir uma tripulação de até dez pessoas, a custos muito mais baixos do que o ônibus espacial dos Estados Unidos , e permitir que a tripulação retorne à Terra se estiver aterrada.

O Centro de Pesquisa Langley da NASA inicia no final dos anos 1980 um estudo sobre o projeto do HL-20 extraindo fortemente do corpo com o BOR-4 , os engenheiros da União Soviética desenvolveram e testaram em voo entre 1982 e 1984 . O US Space Research Center realiza testes em túnel de vento e simulações em computador do comportamento de voo que validam o conceito. As universidades da Carolina do Norte estão participando da produção de um modelo estático em escala 1 para estudar os preparativos para a tripulação. DentroOutubro de 1989, o Langley Centre confiou à Rockwell International um estudo de um ano, cujo objetivo é analisar profundamente o conceito e seu uso operacional. Em 1993 , os líderes políticos americanos decidiram cooperar com a Rússia para desenvolver a Estação Espacial Internacional , e a espaçonave Soyuz foi selecionada para cumprir o papel estudado para o HL-20 , o que interrompeu o projeto.

Em meados de 2004, a SpaceDev - adquirida no final de 2008 pela Sierra Nevada Corporation  - decidiu retomar os trabalhos no HL-20 com o nome de Dream Chaser . O ônibus espacial, cujo modelo foi testado para a fase final do voo em 2013, foi oferecido sem sucesso em resposta a um primeiro edital COTS lançado pela NASA , para reabastecimento da estação espacial internacional , em seguida, a uma segunda chamada CCDev propostas , destinadas a substituir as tripulações da estação espacial. Finalmente, o mini-ônibus Dream Chaser é selecionado emjaneiro de 2016, para fornecer seis suprimentos de carga para a Estação Espacial Internacional entre 2019 e 2024.

Histórico

O programa espiral soviético

Os soviéticos iniciaram um grande número de estudos sobre carrocerias na década de 1960 . O programa mais ambicioso Spiral OS 50/50 é uma resposta ao projeto americano X-20 Dyna-Soar , que será interrompido em 1963. No âmbito deste programa, os engenheiros soviéticos desenvolvem em particular uma configuração que batizam de “Lapot ”. (Termo russo para sapato de madeira), devido à sua semelhança com este dispositivo. Na década de 1970 , os russos continuam seus esforços e fazem voar o protótipo MiG-105 com a escala 1 , que é alijado para testes de um porta-aviões Tupolev Tu-95 . Um protótipo de pequena escala BOR-4 foi lançado ao espaço quatro vezes entre 1982 e 1984. Um avião de patrulha marítima australiano P-3 Orion surpreende o BOR-4 durante um de seus pousos e tira inúmeras fotos que são rapidamente divulgadas.

Estudos aerodinâmicos no Langley Center

Começando em 1983, os engenheiros Centro de Pesquisas Langley da NASA modelos Realize com base em imagens da BOR-4 e testá-los em seus túneis de vento . O modelo é muito estável em todas as condições de voo encontradas, desde velocidades subsônicas até Mach 20 , com carga térmica reduzida durante a reentrada atmosférica e capacidade de deslocamento horizontal de 2.040  km do eixo de descida. Modificações foram feitas no projeto original para melhorar a aerodinâmica em baixas velocidades, com a ajuda dos engenheiros da NASA que trabalharam na década de 1960 no corpo usando o HL-10 .

Consequências do acidente do ônibus espacial Challenger: o ACRV

O acidente do ônibus espacial Challenger , em 1986 , evidencia a necessidade de os astronautas da futura estação espacial terem uma máquina substituta que lhes permita retornar à Terra em caso de indisponibilidade dos ônibus espaciais. No final de 1986, o centro de Langley estudou o desenvolvimento do ACRV ( Veículo de Retorno de Tripulação Assegurado ) a partir do projeto do mini ônibus soviético BOR-4 . O ACRV foi projetado para trazer uma tripulação de oito pessoas de volta à Terra. Batizado de HL-20 (para "  Aterrissagem Horizontal 20  "), sem estar relacionado ao corpo portador do HL-10 , a mini lançadeira é projetada de forma que seu custo de implantação seja baixo, com coeficiente de segurança e capacidade de pouso em veículos convencionais pistas de pouso. Sob o nome de Sistema de Lançamento de Pessoal (PLS), Langley propõe usar a nova máquina como meio de transporte para o alívio da tripulação complementar do ônibus espacial americano.

Projeto

Com o crescente interesse nacional em obter acesso regular ao espaço, muitos projetos de transporte espacial surgiram em meados dos anos 1980 . Um deles, denominado Sistema de Lançamento de Pessoal (PLS), poderia usar o HL-20 e um sistema de lançamento de uso único para complementar o ônibus espacial em voos tripulados.

Uma maquete de pesquisa em escala completa foi construída em 1990 por estudantes e pela North Carolina State University e pela A&T University para determinar a disposição dos assentos, a habitabilidade, o layout do equipamento e as entradas e saídas da tripulação. Este modelo, de 9  m (29  pés ) de comprimento, foi usado em Langley para definir o design interno e externo do futuro HL-20 .

A missão do PLS era transportar homens e pequenas quantidades de material de e para a órbita terrestre baixa , como um pequeno táxi espacial. Embora nunca tenha tido permissão para ser produzido, o PLS foi projetado para garantir o papel de complemento ao ônibus espacial e foi considerado uma importante contribuição para a capacidade de lançamento de vôo tripulado dos EUA , por três motivos:

Acesso tripulado ao espaço

Na era da estação espacial Freedom , assim como nas missões de exploração espacial que viriam com ela, era imperativo que os americanos tivessem um meio alternativo de transportar homens e equipamentos para a órbita, caso o ônibus estivesse indisponível.

Maior segurança da tripulação

Ao contrário do ônibus espacial, o PLS não teria sido equipado com motores de propulsão principais ou compartimento de carga. Ao se livrar das restrições impostas por este grande porão, o PLS teria sido um pequeno veículo compacto e, portanto, tornou-se mais fácil projetar procedimentos de emergência que permitem que a tripulação seja recuperada com segurança durante as fases críticas do voo, ou seja, o lançamento e voltar para a Terra.

Custos operacionais adequados

Como um pequeno navio projetado com tecnologias já disponíveis, o PLS foi prometido com custos de desenvolvimento bastante baixos. A simplificação dos subsistemas e uma abordagem orientada para a "aviação" das operações realizadas em solo e em vôo também poderiam ter reduzido consideravelmente os custos operacionais do PLS.

Dois conceitos completamente diferentes foram mantidos para o PLS, que diferiam em suas características aerodinâmicas e suas capacidades de missão:

Desenvolvimento do corpo do rolamento

Ditando e influenciando fortemente o projeto do ônibus espacial, vários modelos de aeronaves porta-fuselagem, incluindo o Northrop M2-F2 , M2-F3 , HL-10 , X-24A e X-24B , foram testados pelos pilotos do ensaio em 1966 a 1975 . O M2F2 e o HL-10 foram propostos na década de 1960 para transportar doze pessoas até uma estação espacial , após o lançamento de um foguete Saturn IB . O conceito do HL-20 foi inspirado nesses antigos conceitos, porém também foi influenciado pelos conceitos soviéticos Kosmos-1445, Kosmos-1374 (dos voos BOR-4) e posteriormente MiG-105 . A designação "HL" veio de "  Horizontal Lander  " (que pousa horizontalmente) e "20" prestou homenagem ao longo envolvimento de Langley na pesquisa de sustentação de peso, que já havia estudado o HL-10.

Uma aeronave porta-fuselagem teria muitas vantagens sobre outras formas disponíveis. Com maiores características de sustentação durante o vôo atmosférico no retorno à Terra, a espaçonave poderia ter um comprimento de pista mais curto, e o número de pistas adequadas para sua configuração de vôo teria sido muito maior. A desaceleração durante a reentrada foi limitada a apenas 1,5  bilhão , o que é fraco e amplamente suportável por qualquer ser humano, mesmo sem nenhum treinamento (as atrações do parque de diversões costumam chegar a 4  G ). Este valor é ainda mais interessante para situações em que o veículo deva trazer de volta para a Terra tripulantes doentes, feridos ou debilitados por uma longa permanência em órbita na estação espacial. Os pousos em pistas convencionais teriam tornado possível fazer pousos simples e precisos em muitos locais ao redor do mundo, incluindo, é claro, no Centro Espacial Kennedy.

Missões propostas

Inicialmente, o transporte de passageiros para a estação espacial Freedom teria sido a principal missão do PLS. Para missões básicas a esta estação espacial, a tripulação seria de 8 a 10 pessoas.

Uma missão típica do HL-20 começaria no Centro Espacial Kennedy, com o HL-20 sendo trazido horizontalmente para uma área dedicada, enquanto um veículo de lançamento descartável seria instalado verticalmente em uma área separada. Os dois conjuntos seriam montados na plataforma de lançamento e o procedimento de lançamento seria iniciado quando a estação espacial passasse sobre a plataforma de lançamento.

Após o lançamento, o HL-20 entraria em uma órbita baixa de cerca de 185  km para se sincronizar com a estação espacial e então se transferiria para sua altura, cerca de 410  km acima do nível do mar. Depois de se encontrar e atracar na estação, as tripulações seriam trocadas e o HL-20 desaceleraria para retornar à Terra. Ele pousaria horizontalmente em uma pista semelhante à já utilizada pelo ônibus espacial, após uma missão com duração que poderia ser de apenas 72 horas.

Outras missões potenciais para o PLS podem ser o resgate de astronautas em perigo, entregas urgentes ou prioritárias, missões de observação e missões de manutenção de satélites. Para essas missões, o conceito inicial do HL-20 permaneceria inalterado, mas o layout interno e os subsistemas seriam modificados de acordo com as recomendações da missão, sua duração e o material necessário para sua realização.

Características técnicas


O conceito do PLS com o veículo HL-20 foi adaptável a muitos lançadores existentes. Titan 3 era um lançador existente que poderia ter sido usado para lançamentos de protótipos não tripulados ou para voos tripulados após algumas modificações. Uma opção de sistema de lançamento futuro poderia ter sido o Sistema de Lançamento Nacional , então em estudo pela NASA e pela Força Aérea dos Estados Unidos na década de 1990. A escolha do sistema de lançamento teria sido dependente da data de lançamento, operações iniciais do PLS e os custos de desenvolvimento e lançamento deste sistema.

O conceito do PLS HL-20 foi projetado principalmente para complementar o Ônibus Espacial com um sistema de transporte tripulado seguro e confiável, enquanto executa as missões a um custo reduzido. A segurança da tripulação era de extrema importância no HL-20 , seu projeto garantindo a máxima segurança da tripulação durante os lançamentos com falha e as fases de recuperação do navio de danos. Outras necessidades se concentraram na redução dos custos operacionais operacionais, simplificando significativamente a implementação e manutenção, reduzindo os custos de fabricação e maximizando o uso potencial. Excluindo o tempo de missão, o ciclo operacional da aeronave seria de 43 dias.

Com um comprimento total de 9  m e uma envergadura de 7,20  m , a HL-20 teriam sido um recipiente muito menor do que o vaivém espacial que orbita. Na verdade, se suas asas fossem dobráveis, ela poderia até caber no porão desta! A massa vazia esperada deveria ser em torno de 10 toneladas, em comparação com as aproximadamente 84 toneladas do orbitador do ônibus espacial. Sua cabine, embora menor que a de seu antecessor, ainda seria maior do que a dos jatos executivos de pequeno porte .

Uma atenção especial à simplificação da manutenção teria reduzido os custos do PLS. O veículo teria sido preparado na horizontal e os seus grandes painéis de acesso exteriores teriam permitido um fácil acesso aos vários subsistemas, permitindo uma manutenção ou substituição rápida e fácil. O projeto e a escolha desses subsistemas também teriam contribuído para essa simplificação. Por exemplo, os sistemas hidráulicos teriam sido substituídos por atuadores “totalmente elétricos” . Além disso, ao contrário do ônibus espacial, o HL-20 não teria sido equipado com um compartimento de carga ou motores principais e sua proteção térmica, embora semelhante ao do ônibus espacial com sua combinação de telhas isolantes e revestimentos ablativos, teria sido muito mais fácil e rápido de inspecionar e instalar graças ao seu tamanho muito menor. Essas mudanças de projeto, bem como a simplificação dos procedimentos de manutenção, teriam contribuído para reduzir o tempo necessário para seu condicionamento a apenas 10  % do necessário para seu antecessor.

Para proteger os astronautas durante um lançamento com falha, o HL-20 incorporou vários recursos de segurança. Seu arranjo interno, com escada e escotilha, foi projetado para permitir a rápida evacuação de toda a tripulação em caso de grande problema no posto de tiro. Para situações de emergência em que toda a tripulação teria que evacuar o navio ao mesmo tempo (incêndio a bordo ou lançamento de explosão de foguete), o HL-20 teve que ser equipado com foguetes de resgate , um dispositivo semelhante a este. foi instalado no topo dos foguetes do programa Apollo . Esses foguetes teriam afastado o HL-20 de seu lançador e os pára-quedas seriam acionados assim que uma distância segura fosse alcançada, para diminuir sua queda no oceano. Antes do pouso, os balões de flutuação teriam inflado, para garantir que pelo menos uma das duas escotilhas da embarcação estivesse fora d'água e disponível para evacuar a tripulação.

Esforços conjuntos

Dentro Outubro de 1989, a divisão de sistemas espaciais da construtora Rockwell International iniciou um estudo de um ano, liderado pelo Langley Research Center , para analisar minuciosamente o conceito e o uso do PLS, usando o HL-20 como base para a partida. Usando uma abordagem diferente, a Rockwell surgiu com um conceito eficiente e eficaz, além de uma construção econômica, por meio de planos de construção e gerenciamento da fábrica mais adequados. O ponto principal deste estudo foi a descoberta de que, embora o design e os fatores tecnológicos pudessem efetivamente reduzir os custos de um sistema de transporte tripulado, economias adicionais significativas ainda poderiam ser alcançadas com a adoção de uma filosofia de implementação diferente, na qual o HL-20 foi visto mais como uma aeronave civil operacional do que como um único protótipo de pesquisa e desenvolvimento.

Dentro Outubro de 1991, Lockheed Advanced Development Company iniciou um estudo para determinar a viabilidade de desenvolver um protótipo e um sistema operacional. Seu objetivo era avaliar atributos técnicos, determinar os requisitos para uma qualificação de voo e desenvolver cronograma de desenvolvimento e estimativas de custo.

Um acordo de desenvolvimento conjunto entre a NASA, a State University e a North Carolina A&T University levou à construção de um mock-up em escala 1 do HL-20 PLS, a fim de conduzir pesquisas aprofundadas sobre o fator humano deste projeto. Os alunos dessas universidades, seguindo a sábia orientação dos membros de Langley e sendo orientados por seus professores universitários, desenharam o modelo de pesquisa durante o semestre da primavera de 1990, com construção realizada no verão e concluída emOutubro de 1990. O resultado deste trabalho foi usado para avaliar os fatores humanos, como entrada e saída da tripulação, espaço e layout das áreas de moradia e requisitos de visibilidade da tripulação durante as operações de voo. Os experimentos, usando voluntários do centro de Langley como cobaias, foram concluídos em dezembro de 1991 . Voluntários de Langley, vestidos com macacões e capacetes não pressurizados, foram utilizados em inúmeros testes com a aeronave, instalada vertical e horizontalmente, para simular as diversas situações encontradas durante o voo, em particular a decolagem e o pouso.

O estudo horizontal mostrou, por exemplo, que uma tripulação de 10 pessoas tinha espaço interno suficiente para entrar e sair adequadamente da embarcação. O volume disponível e a proximidade com os outros membros da tripulação eram mais do que razoáveis ​​para uma tripulação de 10 pessoas, embora mais espaço acima da cabeça fosse apreciável para a última fila de assentos, a fim de poder usá-la. Instalar pessoas mais de 1,70  m . Um corredor mais amplo, assentos removíveis e treinamento mais extenso também poderiam ter melhorado a capacidade e o desempenho da equipe em uma emergência. Melhor visibilidade para baixo para os pilotos também era desejável. O design do painel e dos assentos teve que ser estabelecido em conjunto com o da colocação dos vidros.

Os testes do HL-20 na posição vertical, para simular a posição de lançamento, estabelecem novas condições. Para entrar e sair a bordo, era necessário subir e descer por uma escotilha ao longo de uma escada. Quando a aeronave foi posicionada horizontalmente, os membros da tripulação caminharam ao longo de um corredor que conduz pela cauda da aeronave, que era na verdade a passagem de entrada / saída dos astronautas quando atracavam na estação espacial ou após a aterrissagem da aeronave. Trajes parcialmente pressurizados, emprestados do Johnson Space Center em Houston, foram usados ​​para parte do estudo. Os participantes notaram menos altura livre e limitações de movimento com esses macacões, ternos mais pesados.

Os estudos de fatores humanos mostraram projetistas de veículos em potencial onde havia diferentes áreas para melhoria no estudo de linha de base HL-20 . Todas essas melhorias, no entanto, teriam pouco impacto na forma geral do veículo ou em seu desempenho.

Reativando o projeto: o mini-ônibus Dream Chaser

Em meados de 2005, a empresa SpaceDev decidiu retomar os trabalhos no HL-20 com o nome Dream Chaser, inicialmente com o objetivo de comercializar voos suborbitais para turistas espaciais. A empresa foi comprada no final de 2008 pela Sierra Nevada Corporation. O ônibus espacial, cujo modelo foi testado para a fase final do voo em 2013, foi oferecido sem sucesso em resposta a uma primeira convocatória COTS lançada pela NASA para o reabastecimento da estação espacial internacional, que terminou em 2007. Ele também falhou durante uma segunda chamada de Desenvolvimento de Tripulação Comercial destinada a assumir as tripulações da estação espacial. Finalmente, o mini-shuttle Dream Chaser é selecionado emjaneiro de 2016 fornecerá seis suprimentos de carga para a Estação Espacial Internacional entre 2019 e 2024. O primeiro voo, de acordo com as previsões para janeiro de 2020, está programado, na melhor das hipóteses, para 2021.

A empresa Orbital Sciences Corporation também propôs um derivado do HL-20 , na segunda rodada do programa CCDev, o avião espacial Prometheus  (em) . Ambos os veículos foram destinados a ser lançado unfaired no topo de um Atlas V foguete .

Notas e referências

  1. (in) Giuseppe De Chiara, "  " De HL-20 a Dream Chaser "A longa história de um pequeno avião espacial  " [PDF] ,19 de novembro de 2012.
  2. (em) Mark Wade, "  HL-20  " no Astronautix .
  3. (en) <% 20class período = "nowrap"> HL-20 .html "  HL-20 modelo para a pesquisa Sistema Pessoal de Lançamento  " , NASA .
  4. (em) "  Comparação de suporte de operações X-15 / HL-20  " [PDF] .
  5. (em) Frank Morring Jr. , "  Sierra Nevada Pushing Ahead with Dream Chaser  " , Aviation Week & Space Technology ,1 st outubro 2012( leia online ).
  6. (em) Jason Davis, "  NASA Adds Dream Chaser Spacecraft to ISS Cargo Roster  " on The planetary society ,15 de janeiro de 2016.
  7. (em) "  Sierra Nevada planeja o lançamento do avião espacial Dream Chaser em 2021  " em /www.space.com , amy thompson (acessado em 28 de fevereiro de 2020 ) .

Veja também

Artigos relacionados

links externos