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NASA - Hoja Del Hecho de la NASA Dryden - Transbordador Espacial
August 21, 2007
 
 

Transbordador Espacial

Entre los proyectos aeroespaciales más destacados asociados con el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA, Edwards, California, se encuentra el Sistema de Transporte Espacial (STS, por sus siglas en inglés), proyecto que trata sobre transbordadores espaciales desarrollados y operados por la NASA.

STS Endeavour landing at Edwards AFB En 1977, Dryden fue el escenario de las pruebas de aproximación y aterrizaje (ALT, por sus siglas en inglés) llevadas a cabo con el orbitador prototipo Enterprise con el fin de evaluar las características de planeo y aterrizaje de los vehículos de 100 toneladas. Dryden también fue el sitio primario o alternativo de aterrizaje para casi la mitad de los aterrizajes de transbordadores espaciales desde la primera misión orbital llevada a cabo entre el 12 y el 14 de abril de 1981. El rol de Dryden y de las organizaciones predecesoras en el programa de transbordadores espaciales se extiende, sin embargo, más allá de las pruebas de prototipo y de aterrizaje.

Los pilotos e ingenieros de Dryden estuvieron probando y validando los conceptos de diseño que ayudaron en la configuración del transbordador espacial por más de una década antes de que comenzaran las pruebas con el prototipo Enterprise. Las pruebas de vuelo posteriores llevadas a cabo en Dryden también contribuyeron significativamente al desarrollo del sistema de protección térmica del transbordador espacial, del sistema de recuperación del propulsor sólido del cohete, del software del sistema de control de vuelo, de los paracaídas de frenado que ayudaron a aumentar la eficacia y la seguridad en el aterrizaje, así como en las pruebas de los sistemas del tren de aterrizaje del transbordador y del sistema de frenos mediante una aeronave de investigación de los sistemas de aterrizaje (LSRA, por sus siglas en inglés) especialmente diseñado.
 

Dispositivos de Cuerpos Generadores de Sustentación

A mediados de los años 50, comenzaron a llevarse a cabo estudios de ingeniería y pruebas de diseño en el National Advisory Committee for Aeronautics' Ames (Comité Asesor Federal de la Aeronáutica Ames) y en los Langley Aeronautical Laboratories (Laboratorios Aeronáuticos Langley) (posteriormente rediseñados por la NASA y denominados como NASA Ames Research Center, Moffett Field, California., y Langley Research Center, Hampton, Virginia) sobre formatos aerodinámicos que pudieran sobrevivir la rápida y feroz presión desde el espacio cuando se ingresa a la atmósfera. Los formatos generarían la suficiente elevación para un descenso controlado y un aterrizaje similar al efectuado por una aeronave en una pista. Este era el concepto bajo estudio para una futura aeronave lo que llevó al programa de dispositivos de elevación en Dryden, que probó y validó las cualidades aerodinámicas y de maniobrabilidad controlada en cuerpos sin alas.

Lifting Bodies X-24A, M2F3 and HL-10 on lakebed El primer dispositivo de sustentación denominado M2-F1 se construyó en parte por empleados en Dryden (luego denominado Centro de Investigación Espacial) y en otra por un contratista en El Mirage, California. Dicho dispositivo estaba formado por madera aglomerada sobre un bastidor tubular. Esta técnica de construcción dio como resultado un vehículo ultraliviano, haciendo que el M2-F1 se lo denominara como dispositivo de sustentación ultraliviano. El vehículo carecía de motores y fue remolcado hacia el aire, primero detrás de un automóvil en Rogers Dry Lake y luego detrás de una NASA C-47. Voló más de 70 veces detrás de un C-47 desde 1963 a 1966 como un prototipo líder del programa formal de vehículos impulsados pesados.

Se volaron cinco diseños pesados en Dryden desde 1966 a 1975. Estos fueron el M2-F2, M2-F3 (reconstruido a partir del M2-F2 con posterioridad a un accidente de aterrizaje), HL-10, X-24A y X-24B (reconstruido a partir del X-24A con una nueva configuración).

Un perfil de vuelo de dispositivos de sustentación pesados convencionales comenzó aproximadamente a los 45.000 pies (1,37 km) con un lanzamiento de aire desde la aeronave de transporte NASA B-52. El piloto de investigación ascendía hasta altitudes entre los 50.000 a los 80.000 pies (15,24 a 24,38 Km.). El piloto luego planearía a través de un corredor de retorno desde el espacio simulado hacia una aproximación previa de planeo para un aterrizaje en un lecho de un lago seco en Edwards. Dos de los aterrizajes finales en la pista de la Base de la Fuerza Aérea de los EE.UU. Edwards fueron representativos de los tipos de transbordadores que comenzarían a hacerse justo seis años después del último vuelo del X-24B y verificaron que los aterrizajes de precisión desde el espacio eran posibles sin la necesidad de motores.

La información de cada configuración de los cuerpos de sustentación contribuyó a la base de datos utilizada para el desarrollo de los transbordadores espaciales y ayudaron a producir técnicas de control energético y de aterrizaje utilizadas en la actualidad en cada vuelo de los orbitadores. Los datos de los cuerpos generadores de sustentación llevaron a la decisión de la NASA de construir a los orbitadores sin motores de propulsión a chorro que habían estado utilizándose durante las maniobras de descenso y aterrizaje y que habían contribuido considerablemente al peso de cada vehículo y a los costos globales del programa.

Estos mismos motores de propulsión a chorro iban a utilizarse para transportar al orbitador desde el sitio de aterrizaje al sitio de lanzamiento. En caso de que se eliminasen los motores, habría que diseñar otros medios para transportar el orbitador. Dryden propuso el concepto de una nave nodriza para llevar a cabo la misión de transporte. La Aeronave de Transporte del Transbordador Boeing 747 (SCA, por sus siglas en inglés) evolucionó a partir de las recomendaciones de Dryden. La SCA se utilizó posteriormente para lanzar al orbitador prototipo Enterprise durante las pruebas de aproximación y aterrizaje del transbordador llevadas a cabo en 1977.

La SCA es, en la actualidad, el vehículo de transporte estándar.
 

Contribuciones del X-15

El programa de propulsión por cohetes X-15 llevado a cabo en Dryden fue calificado como el programa de investigación aeronáutico más exitoso jamás llevado a cabo por la NASA. Dicho programa se concibió durante los años 50 con el objeto de investigar el ámbito de los vuelos hipersónicos y los fenómenos asociados con la velocidad en rangos superiores a Mach 6 y altitudes que rondaban los 250.000 pies (76.200 metros), área denominada como las fronteras del espacio.

X-15 in flight Utilizando tres vehículos de investigación (uno se perdió en un accidente ya comenzado el programa), 12 pilotos asignados al programa en el Centro de Investigaciones de Vuelo recopilaron una extensa cantidad de información durante 1959 y 1968, en 199 vuelos de investigación. Mucha de esta información se dispersó y alimentó a la industria aeroespacial y se ha aplicado a aeronaves comerciales y militares así como a los programas espaciales de los EE.UU. Las áreas de investigación iniciadas por el programa X-15 que han contribuido directamente al programa del transbordador espacial o que colaboraron en su desarrollo son diversas. Entre las más significativas se pueden enumerar las siguientes:
 

  • El primer uso de controles a reacción por el control de la altitud en el espacio
     
  • El primer uso práctico de trajes completamente presurizados para la protección de los pilotos
     
  • El desarrollo de sistemas de datos para vuelos inerciales en entornos de presión de alta dinámica y espacio
     
  • El descubrimiento de puntos de calentamiento producidos por irregularidades en la superficie
     
  • El descubrimiento de que la capa límite hipersónica es turbulenta y no laminar
     
  • La primera demostración de la habilidad de un piloto para controlar vehículos aeroespaciales propulsados por cohetes a través de la salida de la atmósfera
     
  • La transición exitosa de controles aerodinámicos a controles a reacción y el retorno al primero
     
  • La demostración de la habilidad del piloto para funcionar en entornos sin gravedad
     
  • La primera reentrada y elevación hacia la atmósfera piloteadas
     
  • El primer uso de técnicas de control energético para lineamientos de reentrada
     
  • El primer uso de la teoría hipersónica y de trabajo de túnel de viento en vehículos de vuelo actuales
     
  • Desarrollo de juntas y lubricantes de resistencia a altas temperaturas mejorados
     

A medida que el programa X-15 establecía récords de velocidades de aeronaves con alas (4.520 mph) y altitudes (354.200 pies) que todavía no han sido superados (salvo para aquellos establecidos por los transbordadores espaciales), producía información sobre las estructuras aerodinámicas, las propiedades térmicas y los controles de vuelo que rápidamente impactaron no sólo en los diseñadores e ingenieros asociados a las aeronaves convencionales, sino en aquellos relacionados con los primeros estadios del desarrollo del transbordador espacial.
 

Contribuciones de la Investigación de Alta Velocidad

A principios de los años 70, Dryden comenzó un programa de investigación de vuelos de alta velocidad con la aeronave YF-12, la cual era una variedad inicial de la famosa aeronave de reconocimiento SR-71. Las aeronaves YF-12 (incluyendo la SR-71 actual denominada YF-12C para preservar el entorno secreto de las SR-71) volaron durante el término de nueve años con el fin de recopilar información en diversas áreas asociadas con vuelos sustentables de alta velocidad y gran altitud en aeronaves propulsadas a chorro.

YF-12 in flight over lake Durante el programa, los ingenieros de Dryden desarrollaron un analizador de rendimiento central aerotransportado que monitoreaba un número de parámetros de mantenimiento de la aeronave, incluyendo el sistema eléctrico, el sistema de control de entrada y el sistema hidráulico. El analizador podía detector problemas que surgieran durante el vuelo y brindar suficiente información a los pilotos a fin de que pudieran decidir si era necesario abortar o continuar la misión. El analizador también brindaba información para controles de mantenimiento post-vuelo. Si bien era tan sólo un proyecto de investigación, el analizador fue un pionero del sistema de diagnóstico a bordo utilizado en los transbordadores espaciales así como en una diversidad de aeronaves en la actualidad.

El programa YF-12 también brindó algunas de las primeras mediciones de las cargas estructurales inducida por la aeronáutica. Estos datos se utilizaron posteriormente para actualizar las herramientas analíticas utilizadas por los diseñadores de aeronaves para aeronaves de alta velocidad avanzadas. Estas herramientas analíticas actualizadas también se utilizaron para diseñar al transbordador espacial.
 

Software del Transbordador

En 1972, Dryden comenzó los vuelos de investigación con la primera aeronave equipada con un sistema completamente eléctrico y digital de control de vuelo. Este fue el F-8 digital con control electrónico de mandos, el cual utilizaba impulsos eléctricos en vez de medios mecánicos para enlazar los controles de la cabina y los accionadores que accionaban el timón de dirección, los timones de altura y los alerones. El mismo F-8 completamente eléctrico fue utilizado para probar y verificar el hardware y el software del computador utilizados en el sistema de control de vuelo del transbordador espacial antes de que comenzaran los primeros vuelos orbitales.
 

Sistema de Recupero de Impulsión

En 1977 y 1978, las pruebas del sistema de recupero de paracaídas utilizado en los impulsores de los cohetes del transbordador espacial se llevaron a cabo con el mismo NASA-B-52 utilizado como plataforma de lanzamiento para los programas X-15 y de dispositivos de sustentación.

La serie de 31 pruebas se llevaron a cabo fuera de Dryden, con las pruebas de caída actuales efectuadas sobre Polígono de Pruebas de Paracaídas Federales, en El Centro, California.

Las pruebas, que empleaban un propulsor de cohetes de pruebas, verificaron la prestación y confiabilidad del sistema de recupero de paracaídas utilizado en la actualidad para recuperar las cubiertas de los impulsores de los cohetes luego de que se separan del tanque de combustible externo de los transbordadores durante las operaciones de lanzamiento. Las cubiertas de los impulsores se reacondicionan para su reutilización luego de que se las recupera del océano.
 

Pruebas a las Placas de Cerámica

En 1980, los pilotos de prueba de Dryden efectuaron 60 vuelos para probar las placas cerámicas de protección térmica del transbordador espacial bajo diversas condiciones de carga aerodinámica.

Front view of F-104 in flight. Dryden utilizó dos aeronaves de investigación: un F-15 y un F-104, para el conjunto de pruebas, las cuales sometieron a las placas cerámicas del transbordador a velocidades de Mach 1,4 (cerca de 1 vez y media más que la velocidad del sonido) y a presiones dinámicas de 1140 libras (0, 55 Kg.) por pie cuadrado (por cm2) con el objeto de probar los cambios producto de la deformación o cambios estructurales como resultado de las cargas del vuelo.

Las placas cerámicas que se probaron representaron seis ubicaciones en los orbitadores: la superficie del ala de guante en flecha negativa, borde de ataque del conjunto de planos verticales de cola, la superficie de control de conjunto del timón de altura y alerón, área de articulación del conjunto del timón de altura y alerón, así como las placas cerámicas del cierre de proa de la superficie del ala en el área del borde de ataque.

El programa de pruebas de vuelo de Dryden produjo diversos cambios a fin de mejorar las técnicas de unión y de anclaje.
 

Pruebas de Aproximación y de Aterrizaje

El 26 de julio de 1972, la NASA seleccionó a la División de Sistemas de Transporte Espacial de Rockwell Internacional, en Downey, California como el contratista principal para el diseño, desarrollo, prueba y evaluación del orbitador.

Luego de cinco año de planificación, ensamblado y pruebas a los sistemas, comenzaron en Dryden las pruebas de aproximación y aterrizaje (ALT, por sus siglas en inglés). El 15 de febrero de 1977, se llevaron a cabo tres pruebas de rodamiento con el objeto de validar las cargas estructurales y las características de manejo en tierra y control del NASA 747 SCA acoplado con el orbitador prototipo Enterprise.

La NASA eligió al 747 como la aeronave para transportar a los orbitadores entre los sitios de lanzamiento y de aterrizaje, así como a otras instalaciones de fabricación y del programa en aquellos casos en que el trasporte por tierra fuera inapropiado o imposible. El mismo 747 modificado se utilizó también para transportar al Enterprise en vuelo para el programa ALT.

Posteriormente a las pruebas de rodaje siguieron cinco vuelos cautivos transportados con el Enterprise sobre el SCA, pero sin tripulación en el orbitador prototipo. Esta serie de vuelos generó importante información aerodinámica sobre las características de vuelo de los vehículos acoplados durante las maniobras de despegue, ascenso, crucero y aterrizaje. La información fue necesaria no sólo para los vuelos de planeo iniciales del orbitador sino también para las operaciones de transporte de vuelo en los años venideros. Dryden llevó a cabo estas pruebas. Las pruebas restantes fueron llevadas a cabo por el Centro Espacial Johnson de la NASA, en Houston, Texas, con el apoyo de Dryden.

Prosiguieron tres vuelos cautivos de transporte, durante los cuales la tripulación de astronautas se encontraba dentro de la cabina del Enterprise con los sistemas encendidos. Estas pruebas permitieron verificar los procedimientos de la tripulación y el funcionamiento de los sistemas durante las fases de aproximación y aterrizaje del vuelo. Los vuelos cautivos de transporte también incluyeron pruebas a las vibraciones aeroelásticas de las naves acopladas a velocidades de vuelos de transporte convencionales.

Shuttle Enterprise separates from the 747. Los cinco vuelos libres, que comenzaron el 12 de agosto de 1977 y continuaron hasta el 26 de octubre de 1977, verificaron las capacidades de aproximación y aterrizaje del orbitador y demostraron su correspondiente aeronavegabilidad subsónica. Durante cada uno de los vuelos libres, se soltó al Enterprise a una altitud entre los 19.000 y 24.700 pies (entre 5.791,20 y 7.528,56 m) de los montantes de sujeción del SCA y voló, sin alimentación, hasta el aterrizaje. Se validaron no sólo las capacidades de aproximación y aterrizaje del vehículo, sino que también se validaron los sistemas de control de vuelo y de navegación: prerrequisitos de los vuelos orbitales.

El plan original para estas pruebas requería de ocho vuelos libres, pero las pruebas generaron información suficiente como para reducir el número a cinco: las últimas dos habiéndose removido el cono de cola del transporte de vuelo, un accesorio con el objeto de reducir la resistencia y la turbulencia aerodinámica.

Cuatro de los aterrizajes de los vuelos libres se efectuaron en Roger Dry Lake en Edwards. El aterrizaje final del vuelo libre se efectuó sobre la pista de aterrizaje principal de hormigón de 15.000 pies (4.572 m) en Edwards.

En el vuelo libre final, ocurrió un grave problema en el sistema de control de vuelo, que produjo oscilaciones del orbitador no controladas en el control de cabeceo y balanceo. Se le solicitó a Dryden que resolviera este problema debido a su vasta experiencia en controles de vuelo y en el manejo de la calidad. Luego de exhaustivos análisis y simulaciones, los ingenieros de Dryden identificaron las causas del problema. Verificaron el análisis en vuelo con experimentos en la aeronave F-8 digital con control electrónico de mandos y desarrollaron una modificación en el sistema de control, un supresor de oscilaciones inducido por el piloto, que eliminaba el problema. Esta modificación se incorporó al sistema de control de vuelo del orbitador antes del primer vuelo orbital.

Los astronautas que pilotearon a la nave Enterprise en los vuelos libres en 1977 fueron Fred Haise y Gordon Fullerton en los vuelos 1, 3 y 5. Los astronautas Joe Engle y Richard Truly estuvieron a bordo de la Enterprise en los vuelos 2 y 4.

Haise fue un ex piloto de investigaciones de Dryden que había sido un astronauta a bordo de la misión del Apolo 13.

Engle fue un ex piloto de pruebas de la Fuerza Aérea de los EE.UU. que había volado la aeronave de investigación X-15 en Dryden. Posteriormente fue el piloto a bordo del Columbia en el segundo vuelo del transbordador en noviembre de 1981 y fue comandante de la misión abordo del Discovery en la vigésima misión del transbordador en agosto y septiembre de 1985.

Richard Truly también voló abordo del Columbia junto a Engle en la misión STS-2. Posteriormente Truly comandó el octavo vuelo del transbordador en agosto de 1983.

Fullerton voló a bordo del Columbia como el piloto de la tercera misión orbital en marzo de 1983 y comandó la décimo novena misión del transbordador en 1985. En la actualidad se desempeña como piloto de investigaciones en Dryden y como piloto de proyecto de la instalación en la SCA y en la aeronave de lanzamiento B-52, además de haber volado casi todas las demás aeronaves de investigación en Dryden.

Los pilotos de la tripulación de la SCA 747 durante el programa ALT fueron Fitzhugh Fulton y Tom McMurtry, pilotos de investigación de la NASA en Dryden. Posteriormente McMurtry encabezó la división de operaciones de aeronaves de investigación en Dryden. Tanto él como Fulton se han retiraron de la NASA.
 

Análisis de Pre-Vuelo

El Centro Espacial Johnson le solicitó a Dryden que llevara a cabo un análisis independiente de dos áreas vitales del diseño del orbitador con anterioridad al primer vuelo orbital. Dichas áreas eran las cargas estructurales por inducción aerotérmica y las cualidades de manejo del orbitador. Dryden había acumulado una vasta experiencia en ambas áreas de los programas X-15, YF-12 y de los cuerpos generadores de sustentación. En base a esta experiencia, Dryden estableció los niveles de incertidumbre que existirían en las características aerodinámicas previstas del transbordador. Se encontró que el sistema de control del transbordador era capaz de compensar esas incertidumbres. El análisis independiente de Dryden llevado a cabo sobre estas áreas identificaron algunas deficiencias de diseño menores sin embargo se verificó la adecuación general del diseño con el objeto de lograr una entrada exitosa desde la órbita terrestre.

Los funcionarios de la administración del transbordador también le solicitaron a Dryden que llevara a cabo una prueba sobre las juntas del conjunto del timón de altura y alerón bajo condiciones de entrada de vuelo simuladas. La Instalación de Investigación de Termoestructuras de Dryden aplicó cargas mecánicas y calor a una muestra de prueba que incluía a una porción del ala y del conjunto del timón de altura y alerón del orbitador. Esta prueba tuvo por objeto verificar el correcto funcionamiento de las juntas. Las juntas tienen por objeto evitar que ingrese vapor libre al espacio entre la estructura de aluminio del ala y el conjunto del timón de altura y alerón durante el movimiento de las superficies de control. La temperatura del vapor libre a velocidades de entrada a la atmósfera excede ampliamente el punto de fusión de la estructura de aluminio del ala y era fundamental para evitar que ingrese aire a este espacio y se produzca una falla estructural. Las pruebas llevadas a cabo por Dryden verificaron el diseño.
 

Pruebas al Paracaídas de Frenado

Dryden utilizo a su B-52 en el verano boreal y a principios del otoño boreal de 1990 a fin de probar el sistema de paracaídas de frenado utilizado actualmente por la flota de orbitadores durante maniobras de aterrizaje de rutina con el objeto de reducir el desgaste de los frenos y acortar la rodada en la pista de aterrizaje. Se llevó a cabo una serie de ocho pruebas de despliegue del paracaídas de arrastre, haciendo aterrizar al B-52 a velocidades que iban entre los 160 a 230 millas por hora (257,49 a 370,15 kilómetros por hora) en una pista de aterrizaje de un lecho de lago y también sobre la pista de aterrizaje principal de hormigón de 15.000 pies (4.572 m) en Edwards.

B-52 Shuttle Drag Chute test landing El instrumental del B-52 obtuvo información durante los despliegues a fin de validar las cargas de frenado previstas que debería soportar un orbitador en funcionamiento con un paracaídas de frenado.

Los paracaídas de frenado le brindan a los orbitadores mejores capacidades de desaceleración en pistas de aterrizaje más cortas y ayudan a reducir el desgaste de los neumáticos y del sistema de frenos.
 

Pruebas al Tren de Aterrizaje y al Sistema de Frenos

Las pruebas a los neumáticos del transbordador con un avión a chorro Convair CV-990 modificado llevadas a cabo desde 1993 a 1995, colaboraron en la decisión de hacer resurgir a la pista de aterrizaje en el Centro Espacial Kennedy, Florida, a fin de reducir el desgaste de los neumáticos y extender los límites de aterrizaje con viento de flanco hasta los 20 nudos.

CV-990 tire test El CV-990 modificado en Dryden y operado por personal de Dryden, contaba con un sistema de tren de aterrizaje retráctil instalado en el fuselaje inferior, entre el tren de aterrizaje principal de la aeronave. Durante las pruebas, el componente de prueba del transbordador se bajó una vez que el tren de aterrizaje principal de la aeronave había hecho contacto con la pista de aterrizaje. Esto permitió velocidades y cargas superiores a las capacidades existentes en tierra y podían duplicar el estado de los aterrizajes actuales del transbordador.

Los ingenieros evaluaron y documentaron el desgaste de los neumáticos al aplicar cargas de hasta 140.000 libras (63.502,93 kilogramos).
 

Aterrizajes del Transbordador

Dryden fue seleccionado como el sitio para el programa ALT y para los aterrizajes orbitales iniciales debido al margen de seguridad presentado por Rogers Dry Lake y su pista de aterrizaje de lecho seco. Luego de que se reiniciaran los aterrizajes operativos en el Centro Espacial Kennedy, Dryden continuó siendo un sitio alternativo cuando en Florida existían condiciones climatológicas desfavorables o especiales que evitaban el aterrizaje. También será un sitio de aterrizaje en aquellas misiones en las que se lleven a cabo pruebas de desarrollo y se requiera de una pista de aterrizaje de lecho seco debido a las cargas específicas en los orbitadores.

Rosamond Dry Lake en la Base de la Fuerza Aérea de los EE.UU. en Edwards también cuenta con dos pistas de aterrizaje de lecho seco disponibles para aterrizajes especiales, si fuera necesario.

Las calificaciones del personal de Dryden sustentan cada aterrizaje del transbordador en Edwards. Estas actividades incluyen brindar personal y operar en Sala de Control de Misiones Dryden desde donde se monitorean los parámetros de reingreso y descenso del orbitador, brindar servicio con posterioridad al aterrizaje al orbitador, efectuar exámenes médicos a la tripulación luego del aterrizaje, albergar a los visitantes de la agencia y del programa que observan los aterrizajes y operar un centro de información de medios para el personal tanto local como internacional de las agencias de noticias que cubren los aterrizajes.

El personal de Dryden mantiene y opera uno de los dos SCA utilizados para transportar a los orbitadores entre los sitios de aterrizaje y lanzamiento, y entre otras ubicaciones demasiado lejanas para que el orbitador pueda entregarse por medio de transporte terrestre.
 

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Page Last Updated: August 21st, 2013
Page Editor: NASA Administrator