LOADING...
Text Size
NASA - Hojas Del Hecho de la NASA Dryden - Programa de Investigación Hipersónico X-15
August 22, 2006
 
 

Programa de Investigación Hipersónico X-15

En el programa de investigación hipersónico X-15 conjunto que la NASA llevó a cabo con la Fuerza Aérea de los EE.UU., la Armada de los EE.UU. y la North American Aviation, Inc., la aeronave voló durante un período cercano a los 10 años y estableció los registros mundiales no oficiales de velocidad y altitud al alcanzar los 4.520 mph (Mach 6,7) y los 354.200 pies en un programa que tenía por objeto investigar todos los aspectos de los vuelos hipersónicos tripulados. La información recolectada del altamente exitoso programa X-25 contribuyó al desarrollo de los programas de vuelos espaciales tripulados Mercury, Gemini y Apolo, como así también al programa del transbordador espacial.

X-15 in flight Fabricados por la North American Aviation, Inc., tres X-15 impulsados por cohetes volaron 199 veces con el piloto norteamericano (y ex asesor del Comité Consultivo para la Aeronáutica o NACA por sus siglas en inglés) Scott Crossfield a cargo del primer vuelo de planeo no propulsado efectuado el 8 de junio de 1959. William H. Dana de la NASA fue el piloto para el vuelo final del programa realizado el 24 de octubre de 1968. Todos estos vuelos se llevaron a cabo dentro de lo que se denominó el entorno "alto rango" principalmente al este de la Base de la Fuerza Aérea Edwards, California y el Centro de Investigaciones Aéreas de la NASA (posteriormente denominado Centro de Investigación Aérea Dryden de la NASA).

Existieron otros 10 pilotos en el programa totalizando 12: Cinco de la NASA, cinco de la Fuerza Aérea de los EE.UU., uno de la Armada de los EE.UU. y uno, Crossfield, de North American. Generalmente, los pilotos utilizaron uno de dos tipos de perfiles de vuelo: un perfil de velocidad que requería que el piloto mantuviera una altitud de nivel hasta el tiempo de descenso para un aterrizaje y un plan de vuelo de gran altitud que requería mantener un rango pronunciado de ascenso hasta alcanzar la altitud y luego descender.

Debido al gran consumo de combustible del motor impulsado por cohetes, el X-15 fue lanzado al aire desde una aeronave B-52 a aproximadamente 45.000 pies (13.716 metros) y velocidades superiores a los 500 mph. (804,67 kph). Dependiendo de la misión, el motor propulsado por cohetes brindaba propulsión para los primeros 80 a 120 segundos de vuelo. El tiempo restante de vuelo normal de 8 a 12 minutos era sin alimentación y finalizaba en un aterrizaje en planeo a 200 millas por hora (321,86 kilómetros por hora). Debido a que la rueda del tren de aterrizaje delantero carecía de dirección y el tren de aterrizaje principal utilizaba patines, el X-15 tenía que aterrizar en un lecho de lago seco. El Rogers Dry Lake cercano a Edwards y Dryden fue la ubicación de aterrizaje propuesta para todos los vuelos pero se seleccionaron diversos lechos secos de emergencia con anterioridad para el caso de aterrizajes de emergencia.
 

Diseño

X-15 3-view drawing El X-15 fue una aeronave de investigación de continuación de los aviones X iniciales, que habían explorado el régimen de vuelo por debajo de la velocidad del sonido (Mach 1) a Mach 3,2. En 1952 la NACA había comenzado una investigación preliminar relacionada con los vuelos espaciales y los problemas asociados. Dos años después, el Panel de Proyectos de Investigación de Aeronaves de la NACA discutió la necesidad de contar con un aeroplano de investigación nuevo para el estudio de los vuelos hipersónicos y espaciales. La NACA estableció las características de lo que se convertiría en el X-15 y las presentó a la Fuerza Aérea de los EE.UU. y a la Armada de los EE.UU. en julio de 1954. Los dos servicios y la NACA firmaron un acuerdo de entendimiento para el proyecto conjunto en diciembre de 1954, y la Fuerza Aérea de los EE.UU. seleccionó a la empresa North American para que desarrolle tres aeronaves de investigación X-15 en septiembre de 1955.

Un equipo de la empresa North American liderado por el Ingeniero Jefe de Proyecto Charles Feltz diseñó la aeronave con los lineamientos técnicos del Laboratorio Aeronáutico Langley de la NACA (posteriormente denominado Centro de Investigación Langley de la NASA), en Hampton, Virginia y de la Estación de Vuelo de Alta Velocidad (tal como se denominó a Dryden posteriormente).

Si bien la aeronave número dos fue modificada posteriormente, el X-15 básico era un monoplano de una sola plaza y de ala media diseñado para explorar las áreas de índices de carga calórica aerodinámica alta, estabilidad y control, fenómenos fisiológicos y otros problemas relacionados con los vuelos hipersónicos (superiores a Mach 5). Debido a que la división de motores a reacción de la empresa Thiokol Chemical Corp. no contaba con el motor propulsado XLR-99 listo para los vuelos iniciales de la aeronave, el X-15 voló con dos motores XLR-11, generando una propulsión de 16.380 libras (7.429,84 kilogramos). Una vez instalado el XLR-99, la propulsión se convirtió a 57.000 libras (25.854,77 kilogramos).

El X-15 utilizaba controles aerodinámicos convencionales para vuelo en el aire denso de la atmósfera utilizable. Los controles estaban conformados por superficies de timones de direcciones en los estabilizadores verticales con el objeto de controlar el viraje (que es el movimiento de la nariz hacia la izquierda o hacia la derecha) y superficies horizontales inclinadas en la cola con el objeto de controlar el cabeceo (movimiento de la nariz hacia arriba y hacia abajo) al moverse en sincronización o en oscilaciones de balanceo al moverse de manera diferencial.

Para vuelos en aire ligero fuera de la atmósfera terrestre, el X-15 utilizaba un sistema de control a reacción. El peróxido de hidrógeno propulsa los cohetes en la nariz de la aeronave brindando control a las oscilaciones de cabeceo y viraje. Aquellos en las alas brindaban control sobre el balanceo.

La capa externa del X-15 estaba compuesta por una aleación de cromo níquel denominada Inconel X, utilizada en una estructura disipadora de calor para soportar los resultados del calentamiento aerodinámico cuando la aeronave volaba dentro de la atmósfera. La cabina estaba fabricada de aluminio y estaba aislada de la estructura externa con el objeto de mantenerla fresca.



Historia del Programa

El primer X-15 llegó a la Estación de Vuelo de Alta Velocidad de la NASA en los primeros meses de 1959 y, Scott Crossfield que había ayudado con el diseño de la aeronave, pronto comenzaría con los vuelos de demostración del contratista. Durante su programa de investigación, la aeronave estableció récords mundiales de velocidad y altitud no oficiales de 4.520 mph (Mach 6,7 el 3 de octubre de 1967 con el piloto de la Fuerza Aérea de los EE.UU. Pete Knight al mando de los controles) y 354.200 pies (el 22 de agosto de 1963 con el piloto de la NASA Joseph Walter en la cabina).

X-15A-2 drop from B-52 Más importante que los registros fue el hecho de probar el desempeño aerodinámico hipersónico y la resistencia a los índices calóricos del X-15, la investigación respecto al comportamiento estructural durante las altas cargas calóricas y de vuelo, el estudio de estabilidad hipersónica y el control durante la salida de y la reentrada a la atmósfera, y el examen de desempeño y la fisiología del piloto.

Durante el transcurso de la investigación de vuelo, los pilotos y el instrumental del X-15 produjeron información para más de 765 informes de investigación. Tal como escribieron el científico en jefe de Dryden Ken Iliff y su esposa, la ingeniera aeroespacial de investigaciones Mary Shafer "La aeronave produjo datos hipersónicos de referencia en cuanto al desempeño, la estabilidad y el control de la aeronave, los materiales, la interacción de choque, la capa circundante de turbulencia hipersónica, la fricción de la superficie, las turbinas de control a reacción, el calentamiento aerodinámico y la transferencia calórica". (La capa circundante es la capa delgada de aire próxima al cuerpo de la aeronave que cuenta con características de flujo distintivas debido a la fricción entre el aire y la superficie de la aeronave; el control del flujo en la capa circundante es primordial para mejorar el desempeño de la aeronave).

El distinguido investigador aeronáutico de Langley John Becker, que ha sido un defensor desde los inicios del programa X-15, identificó 25 logros específicos del esfuerzo. Estos incluyeron:
 

  • El primer uso de la teoría hipersónica y de trabajo de túnel de viento en un vehículo de vuelo actual.
     
  • El primer uso de controles a reacción para el control de la altitud en el espacio.
     
  • La primera estructura de superaleación reutilizable capaz de soportar las temperaturas y los gradientes térmicos de la reentrada hipersónica.
     
  • El desarrollo de (una esfera servo-actuada) un sensor de flujo de dirección de la nariz para su funcionamiento en un rango extremo de presiones dinámicas y temperaturas de presión del punto de estancamiento del aire de 1900º F (1.037,78º C) (para una medición precisa del ángulo de velocidad del aire y del flujo a velocidades supersónicas e hipersónicas).
     
  • El desarrollo del primer traje presurizado práctico para la protección de los pilotos en el espacio.
     
  • El desarrollo de sistemas de datos de vuelos inerciales con capacidad para funcionar en entornos de alta presión dinámica y del espacio.
     
  • El descubrimiento de que la capa circundante hipersónica es turbulenta y no laminar.
     
  • El descubrimiento que los índices de calentamiento turbulentos son significativamente inferiores a los previstos en teoría.
     
  • La primera medición directa de la fricción hipersónica de la superficie de la aeronave y el descubrimiento de que la fricción de la superficie es inferior a la prevista.
     
  • El descubrimiento de puntos de calentamiento producidos por irregularidades en la superficie. (Estos últimos cuatro descubrimientos incluyendo al transbordador espacial).
     
  • El descubrimiento de métodos para correlacionar las mediciones de arrastre de base con los resultados obtenidos en pruebas de túnel de modo que se pueda corregir la información del túnel de viento (y así mejorar los criterios de diseño para futuras naves aéreas y espaciales).
     
  • La 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.
     
  • El primer uso de técnicas de manejo energético (referidos al posicionamiento de vehículos para futuras reutilizaciones de vehículos de lanzamiento luego de su reingreso desde el espacio).
     
  • El uso de tres aeronaves X-15 como bancos de prueba con el objeto de llevar a cabo una amplia variedad de paquetes experimentales.
     

Diagram of X-15 flight path Estos experimentos, 28 de ellos, comprendieron desde la astronomía hasta recolecciones de micrometeoritos. Incluyeron pruebas de la definición del horizonte y del aislamiento propuesto que dieron fruto al equipamiento de navegación y protección térmica utilizado en los vehículos de lanzamiento Saturno en el programa Apolo, el cual despachó 12 astronautas a la luna con sus correspondientes regresos. Dentro de esos 12 se encontraba Neil Armstrong: el primer ser humano en pisar la superficie lunar y ex piloto del X-15 quien también voló muchas otras aeronaves de investigación en el Centro de Investigaciones de Vuelo.

En cuanto al área de la fisiología, los investigadores aprendieron que las frecuencias cardiacas de los pilotos de los X-15 oscilaban entre 145 a 185 latidos por minuto durante el vuelo. Dichas cifras excedieron sobremanera la frecuencia normal de 70 a 80 latidos por minuto que se registraban en misiones de prueba para otras aeronaves. La razón de la diferencia se debió al estrés que enfrentaban los pilotos del X-15 durante el pre-lanzamiento y en vistas a cada misión. Tal como se comprobó, las frecuencias más altas demostraron ser características para el comportamiento fisiológico futuro de los pilotos astronautas.

Algo más intangible pero no menos importante, en expresiones de John Becker, fueron los hallazgos del proyecto X-15 que llevó a "la adquisición de un nuevo 'conocimiento' sobre los vuelos aeroespaciales piloteados por parte de muchos equipos gubernamentales y de la industria. Tuvieron que aprender a trabajar juntos, enfrentar problemas sin precedente, desarrollar soluciones y realizar este primer proyecto de trabajo aeroespacial tripulado (hoy, diríamos piloteado). Estos equipos fueron un importante activo de la nación que tendió a asegurar los programas espaciales".

Como sugiere la lista parcial de logros, el X-15 logró exitosamente su objetivo básico de sustentar el vuelo hipersónico piloteado dentro y fuera de la atmósfera terrestre. Asimismo, llevó a cabo las "exploraciones con el objeto de separar los problemas concretos de los imaginarios y puso de manifiesto los problemas no contemplados e inesperados" que Hugh Dryden había mencionado en 1956 cuando el X-15 todavía estaba en la fase de diseño y desarrollo.



La Aeronave

Salvo en el caso de la X-15 número dos cuando se modificó como X-15A-2, las X-15 eran de casi 50 pies (15,24 m) de largo con una envergadura de 22 pies (6,71 m). La cola vertical con formato de cuña era de 13 pies (3,96 m) de altura. Debido a que la cola vertical inferior se extendía por debajo de los patines de aterrizaje cuando éstos se desplegaban, una parte de la cola vertical inferior se lanzaba justo antes del aterrizaje y de la recuperación de un paracaídas. La aeronave estaba impulsada por un motor de cohetes propulsado XLR-99 Thiokol (División de motores a reacción) potenciado por amoníaco anhidro y oxígeno líquido. Brindaba un empuje máximo de 57.000 libras (25.855 Kg.) y un mínimo de 28.000 libras (12.700 Kg.). El peso de la aeronave en el lanzamiento era de 31.275 libras (14.186,10 Kg.), descendiendo a 12.295 libras (5.576,92 Kg.) al momento de la combustión total.

La X-15A-2, modificada a partir de la aeronave número dos y entregada a la NASA en febrero de 1964 incluía, entre otras nuevas características, una extensión del fuselaje de 28 pulgadas (71,12 cm) a fin de transportar hidrógeno líquido para un estatorreactor de combustión supersónico que voló (en simulaciones) pero nunca se probó. Contaba también con tanques externos para amoníaco líquido y oxígeno líquido. Estos tanques brindaban aproximadamente 60 segundos adicionales de combustión a los motores y se utilizaban en el vuelo a Mach 6,7 de la aeronave. Si bien se logró un aumento en la velocidad de la X-15, los tanques también incrementaron el peso de la aeronave en casi 57.000 libras (25.854.77 Kg.) e incidían de manera significativa en la resistencia que sufría la aeronave en vuelo.
 

Pilotos

Pilotos de las X-15 en orden, por fecha de los primeros vuelos y número de vuelos



  • A. Scott Crossfield, Aviación de North American, 14
     
  • Joseph A. Walker, NASA, 25
     
  • Robert M. White, United States Air Force (USAF) (Fuerza Aérea de los EE.UU.), 16
     
  • Forrest S. Petersen, United States Navy (Marina de los EE.UU.), 05
     
  • John B. McKay, NASA, 29
     
  • Robert A. Rushworth, USAF (Fuerza Aérea de los EE.UU.), 34
     
  • Neil A. Armstrong, NASA, 07
     
  • Joe H. Engle, USAF (Fuerza Aérea de los EE.UU.) , 16
     
  • Milton O. Thompson, NASA, 14
     
  • William J. Knight, USAF (Fuerza Aérea de los EE.UU.), 16
     
  • William H. Dana, NASA, 16
     
  • Michael J. Adams, USAF (Fuerza Aérea de los EE.UU.), 07
     
  • Número total de vuelos: 199
     

La X-15 tuvo su cuota de aterrizajes de emergencia y accidentes, pero solamente dos produjeron accidentes graves o muertes. El 9 de noviembre de 1962, Jack McKay sufrió una falla en el motor y aterrizó en Mud Lake, Nevada. El tren de aterrizaje se hundió, provocando que tanto el piloto como la aeronave se dieran vuelta. Si bien el piloto se recuperó de las lesiones de manera significativa como para volar nuevamente, con el tiempo tuvo que retirase producto de dichas lesiones.

X-15 drawing El 15 de noviembre de 1967, en el séptimo vuelo de Michael Adams, éste ingresó en una rotación en barreno de la cual pudo recuperase pero no pudo salir de un picado invertido debido a un problema técnico con el sistema de control de vuelo adaptativo. Falleció a raíz del impacto resultante de la X-15 número tres.
 

Fuentes

  • Milton O. Thompson, At the Edge of Space: The X-15 Flight Program (En la frontera del espacio: El programa de vuelo X-15) (Washington, DC, y Londres: Smithsonian Institution Press, 1992).
     
  • Richard P. Hallion, On the Frontier: Flight Research at Dryden (En la frontera: Investigaciones de vuelo en Dryden), 1946-1981 (Washington, DC: NASA SP-4303, 1984).
     
  • Wendell H. Stillwell, X-15 Research Results (Resultados de las investigaciones de las X-15) (Washington, DC: NASA SP-60, 1965).
     
  • John V. Becker, "The X-15 Program in Retrospect" ("El programa X-15 en retrospectiva") 3rd Eugen Sänger Memorial Lecture, Bonn, Alemania, 4 y 5 de diciembre de 1968, copia en la Colección de referencia histórica de Dryden NASA.
     
  • Kenneth W. Iliff y Mary F. Shafer, Space Shuttle Hypersonic Aerodynamic and Aerothermodynamic Flight Research and the Comparison to Ground Test Results (Investigación de la aerodinámica hipersónica del transbordador especial e investigación de vuelo aerotermodinámica y la comparación con los resultados de pruebas en tierra) (Washington, DC: Memorando técnico de la NASA 4499, 1993), p. 2 para cotizaciones y vea también "A Comparison of Hypersonic Flight and Prediction Results" ("Una comparación de los resultados de los vuelos hipersónicos y las previsiones") AIAA-93-0311, documento entregado en la 31º Exhibición y Reunión de las Ciencias Aeroespaciales, 11 al 14 de enero de 1993, en Reno, Nevada.
     
  • R. L. Schleicher, "Structural Design of the X-15" ("Diseño structural de la X-15") Journal of the Royal Aeronautical Society (Revista de la Real Sociedad Aeronáutica) (Octubre de 1963): 618-636.
     
  • Proceedings of the X-15 First Flight 30th Anniversary Celebration ("Actas de la Conmemoración del 30º aniversario del primer vuelo de la X-15") (Washington, DC: Publicación de conferencia de la NASA 3105, 1991).
     
Image Token: 
[image-36]
Image Token: 
[image-51]
Page Last Updated: August 21st, 2013
Page Editor: NASA Administrator