Corpo de levantamento - Lifting body

Corpos de levantamento de fabricação americana X-24A, M2-F3 e HL-10

Um corpo de elevação é uma configuração de aeronave ou espaçonave de asa fixa na qual o próprio corpo produz elevação . Em contraste com uma asa voadora , que é uma asa com mínima ou nenhuma fuselagem convencional , um corpo de levantamento pode ser pensado como uma fuselagem com pouca ou nenhuma asa convencional . Enquanto uma asa voadora busca maximizar a eficiência de cruzeiro em velocidades subsônicas eliminando superfícies não levantáveis, os corpos de levantamento geralmente minimizam o arrasto e a estrutura de uma asa para voos subsônicos, supersônicos e hipersônicos , ou reentrada de espaçonaves . Todos esses regimes de voo representam desafios para a segurança de voo adequada.

O levantamento de corpos foi uma área importante de pesquisa nas décadas de 1960 e 70 como um meio de construir uma espaçonave tripulada pequena e leve. Os EUA construíram vários aviões-foguete com corpo de levantamento para testar o conceito, bem como vários veículos de reentrada lançados por foguete que foram testados no Pacífico. O interesse diminuiu à medida que a Força Aérea dos Estados Unidos perdeu o interesse na missão tripulada e o desenvolvimento principal terminou durante o processo de design do ônibus espacial, quando ficou claro que as fuselagens de formato elevado dificultavam o encaixe do tanque de combustível.

Os conceitos avançados de aviões espaciais nas décadas de 1990 e 2000 usavam designs de corpo de levantamento. Os exemplos incluem o HL-20 Personnel Launch System (1990) e o avião espacial Prometheus (2010). O avião espacial com corpo de levantamento Dream Chaser , uma extensão da tecnologia HL-20, estava em desenvolvimento em 2012 como um dos três veículos com potencial para transportar a tripulação dos EUA de e para a Estação Espacial Internacional . Em 2015, o veículo eXperimental intermediário da ESA realizou a primeira reentrada bem-sucedida de uma espaçonave com corpo de levantamento.

História

O corpo de levantamento foi concebido já em 1917, quando algo como um Delta Wing Plan Form com uma espessa fuselagem incluída foi descrito em uma patente de Roy Scroggs . No entanto, em velocidades baixas, o corpo de levantamento é ineficiente e não entrou no projeto de aviões convencionais.

A pesquisa de levantamento de corpos relacionada ao aeroespacial surgiu da ideia de espaçonaves reentrando na atmosfera da Terra e pousando como uma aeronave normal . Após a reentrada atmosférica, as espaçonaves tradicionais em forma de cápsula das séries Mercury , Gemini e Apollo tinham muito pouco controle sobre onde pousaram. Uma espaçonave dirigível com asas poderia estender significativamente seu envelope de pouso. No entanto, as asas do veículo teriam que ser projetadas para suportar as tensões dinâmicas e térmicas da reentrada e do vôo hipersônico. Uma solução proposta eliminou as asas por completo: projete o próprio corpo da fuselagem para produzir sustentação.

A Martin Aircraft Company X-24 construída como parte de um programa militar experimental dos EUA de 1963 a 1975

NASA 'refinamentos do conceito de corpo de levantamento s começou em 1962 com R. Dale Reed da NASA ' s Armstrong Flight Research Centre . O primeiro modelo em tamanho real a sair do programa de Reed foi o NASA M2-F1 , uma nave sem motorização feita de madeira. Os testes iniciais foram realizados rebocando o M2-F1 ao longo de um lago seco na Base Aérea de Edwards na Califórnia, atrás de um Pontiac Catalina modificado . Mais tarde, a nave foi rebocada por um C-47 e liberada. Como o M2-F1 era um planador , um pequeno motor de foguete foi adicionado para estender o envelope de pouso. O M2-F1 logo foi apelidado de "Banheira Voadora".

Em 1963, a NASA iniciou programas com veículos de levantamento movidos a foguetes mais pesados ​​a serem lançados sob a asa de estibordo de um NB-52B, um derivado do bombardeiro a jato B-52 . Os primeiros voos começaram em 1966. Dos corpos de levantamento Dryden, todos, exceto o NASA M2-F1 sem motor, usavam um motor de foguete XLR11 como o usado no Bell X-1 . Um projeto subsequente denominado Northrop HL-10 foi desenvolvido no NASA Langley Research Center . A separação do fluxo de ar causou a queda da carroceria Northrop M2-F2 . O HL-10 tentaram resolver parte deste problema ao inclinar as portuárias e estibordo estabilizadores verticais exterior e ampliando a um centro.

A partir de 1965, o corpo de levantamento russo Mikoyan-Gurevich MiG-105 ou EPOS (acrônimo em russo para Experimental Passenger Orbital Aircraft) foi desenvolvido e vários voos de teste realizados. O trabalho terminou em 1978 quando os esforços mudaram para o programa Buran , enquanto o trabalho em outra espaçonave de pequena escala continuou parcialmente no programa Bor .

O IXV é um veículo de reentrada experimental da Agência Espacial Europeia destinado a validar os lançadores reutilizáveis ​​europeus que podem ser avaliados no âmbito do programa FLPP . O IXV fez seu primeiro voo em fevereiro de 2015, lançado por um foguete Vega .

A Orbital Sciences propôs um avião espacial comercial com corpo de levantamento em 2010. O Prometheus é descrito mais detalhadamente abaixo.

Aplicações aeroespaciais

Corpos de içamento apresentam problemas complexos de controle, estrutura e configuração interna. Corpos de levantamento foram eventualmente rejeitados em favor de um projeto de asa delta para o ônibus espacial. Dados adquiridos em teste de vôo usando abordagens de pouso de alta velocidade em ângulos de descida muito íngremes e altas taxas de afundamento foram usados ​​para modelar o voo do ônibus espacial e perfis de pouso.

No planejamento para a reentrada atmosférica, o local de pouso é selecionado com antecedência. Para veículos de reentrada reutilizáveis, normalmente é preferível um local primário que seja o mais próximo do local de lançamento, a fim de reduzir custos e melhorar o tempo de retorno do lançamento. No entanto, o clima próximo ao local de pouso é um fator importante para a segurança de vôo. Em algumas temporadas, o clima nos locais de pouso pode mudar rapidamente em relação ao tempo necessário para iniciar e executar a reentrada e pouso seguro. Devido ao clima, é possível que o veículo precise executar um pouso em um local alternativo. Além disso, a maioria dos aeroportos não tem pistas de comprimento suficiente para suportar a velocidade de pouso de aproximação e a distância de rolagem exigida pela espaçonave. Existem poucos aeroportos no mundo que podem suportar ou ser modificados para suportar este tipo de requisito. Portanto, os locais de pouso alternativos estão amplamente espaçados nos Estados Unidos e em todo o mundo.

O design da asa delta do ônibus espacial foi impulsionado por esses problemas. Esses requisitos foram ainda mais exacerbados por requisitos militares (a USAF usaria o futuro ônibus espacial para cargas úteis de satélites de defesa e outras missões) que aumentaram o envelope de pouso do ônibus espacial.

Embora uma configuração de corpo de içamento não fosse vulnerável à falha da ponta da asa que causou a perda do segundo ônibus espacial , tal configuração não poderia atender aos requisitos de envelope de vôo da NASA e dos militares.

No entanto, o conceito de corpo de levantamento foi implementado em uma série de outros aeroespaciais programas, o já mencionado NASA X-38 , Lockheed Martin X-33 , BAC 's Multi-Unidade espaço de transporte e recuperação de dispositivos , da Europa EADS Phoenix , ea articulação russo - Nave espacial europeia Kliper . Das três formas básicas de projeto geralmente analisadas para tais programas (cápsula, corpo de levantamento, aeronave), o corpo de levantamento pode oferecer a melhor troca em termos de manobrabilidade e termodinâmica, atendendo aos requisitos da missão de seus clientes.

Outro uso de um corpo de elevação é o primeiro estágio do foguete Falcon 9 da SpaceX . Durante as tentativas de pouso , o primeiro estágio implanta aletas de grade que orientam a elevação produzida pelo corpo cilíndrico do primeiro estágio. De acordo com a SpaceX, as aletas da grade podem inclinar o primeiro estágio em aproximadamente vinte graus para gerar elevação e direcionar o estágio em direção a uma plataforma de pouso flutuante ou base de pouso no solo .

Elevação de aeronave hoje

O Dream Chaser é um avião espacial suborbital e orbital tripulado , decolagem vertical e aterrissagem horizontal (VTHL), que está sendo desenvolvido pela Sierra Nevada Corporation (SNC). O design do Dream Chaser foi planejado para transportar até sete pessoas de e para a órbita baixa da Terra . O veículo seria lançado verticalmente em um Atlas V e pousaria horizontalmente em pistas convencionais.

Levantamento de corpo

Burnelli General Airborne Transport XCG-16, uma aeronave com corpo de levantamento (1944)

Algumas aeronaves com asas também empregam corpos que geram sustentação. Alguns dos projetos de monoplano de asa alta do início da década de 1930 da Bellanca Aircraft Company , como o Bellanca Aircruiser , tinham fuselagens vagamente em forma de aerofólio, capazes de gerar alguma sustentação, com até mesmo os suportes das asas em algumas versões com carenagens alargadas para dar-lhes alguma sustentação capacidade de geração. O avião de corrida Gee Bee R-1 Super Sportster da década de 1930, da mesma forma, a partir de estudos aerodinâmicos mais modernos, demonstrou ter uma capacidade considerável para gerar sustentação com seu projeto de fuselagem, importante para o papel pretendido de corrida do R-1, enquanto em poste altamente inclinado gira durante a corrida. Vincent Burnelli desenvolveu várias aeronaves entre as décadas de 1920 e 1950 que usavam levantamento de fuselagem. Como os monoplanos Bellanca anteriores, o Short SC.7 Skyvan produz uma quantidade substancial de sustentação em seu formato de fuselagem, quase tanto quanto os 35% que cada uma das asas produz. Caças como o F-15 Eagle também produzem sustentação substancial a partir da ampla fuselagem entre as asas. Como a ampla fuselagem do F-15 Eagle é tão eficiente na elevação, um F-15 foi capaz de pousar com sucesso com apenas uma asa, embora quase com potência total, com o empuxo contribuindo significativamente para a elevação.

No verão de 1983 , um F-15 israelense encenou uma luta de cães simulada com Skyhawks para fins de treinamento, perto de Nahal Tzin, no deserto de Negev. Durante o exercício, um dos Skyhawks calculou mal e colidiu com força com a raiz da asa do F-15. O piloto do F-15 estava ciente de que a asa havia sido seriamente danificada, mas decidiu tentar pousar em uma base aérea próxima, sem saber a extensão dos danos de sua asa. Foi só depois de pousar, quando saiu da cabine e olhou para trás, que o piloto percebeu o que havia acontecido: a asa havia sido completamente arrancada do avião e ele pousou com apenas uma asa acoplada. Poucos meses depois, o F-15 danificado ganhou uma nova asa e voltou ao serviço operacional no esquadrão. Os engenheiros da McDonnell Douglas tiveram dificuldade em acreditar na história do pouso com uma asa: no que dizia respeito a seus modelos de planejamento, isso era impossível.

Em 2010, a Orbital Sciences propôs o veículo espacial Prometheus "corpo de levantamento combinado" , cerca de um quarto do tamanho do ônibus espacial , como uma opção comercial para transportar astronautas para a órbita baixa da Terra sob o programa de tripulação comercial . O veículo de decolagem vertical, pouso horizontal (VTHL) deveria ter sido lançado em um foguete Atlas V com classificação humana , mas pousaria em uma pista. O projeto inicial deveria transportar uma tripulação de 4 pessoas, mas poderia transportar até 6, ou uma combinação de tripulação e carga. Além da Orbital Sciences, o consórcio por trás da proposta incluía a Northrop Grumman , que teria construído o avião espacial, e a United Launch Alliance , que forneceria o veículo de lançamento. Não tendo sido selecionado para um prêmio CCDev fase 2 pela NASA, a Orbital anunciou em abril de 2011 que provavelmente diminuiria seus esforços para desenvolver um veículo comercial para a tripulação.

Princípios de projeto de corpos de elevação também são usados ​​na construção de dirigíveis híbridos .

Lista de veículos de levantamento do Armstrong Flight Research Center (1963 a 1975)

O governo dos EUA desenvolveu uma variedade de projetos de carroceria de levantamento de veículos de teste de vôo e prova de conceito do início dos anos 1960 até meados dos anos 1970 no Armstrong Flight Research Center . Estes incluíam:

• M2-F1
• M2-F2
• M2-F3
• HL-10
• X-24A
• X-24B

Pilotos de carroceria de levantamento e voos

* Wood , Haise e Engle fizeram, cada um, um único voo terrestre rebocado pelo carro do M2-F1.

Cultura popular

Aeronave de levantamento Wainfan Facetmobile FMX-4 construída em casa, fotografada de cima durante o vôo

O levantamento de corpos apareceu em algumas obras de ficção científica , incluindo o filme Marooned , e como a espaçonave de John Crichton, Farscape-1, na série de TV Farscape . A série de TV Discovery Channel conjecturou o uso de corpos de elevação para entregar uma sonda a um planeta distante como a Terra no planeta Alien animado por computador . O Doppelgänger 1969 de Gerry Anderson usou um módulo de levantamento / ascensor VTOL para visitar um planeta semelhante à Terra, mas caiu em ambas as tentativas. Sua série UFO apresentou uma nave de levantamento visualmente semelhante ao M2-F2 para operações orbitais ("The Man Who Came Back"). No jogo de computador Race Into Space de Buzz Aldrin , um X-24A modificado torna - se uma espaçonave lunar alternativa que o jogador pode escolher em vez da cápsula Gemini ou Apollo .

O programa de televisão dos anos 1970 , The Six Million Dollar Man, usou imagens de uma aeronave de levantamento, retirada de exercícios reais da NASA, na sequência do título do programa . As cenas incluíam a separação de um HL-10 de seu avião porta-aviões - um B-52 modificado - e um M2-F2 pilotado por Bruce Peterson , caindo e caindo violentamente ao longo da pista seca de lagos de Edwards. A causa da queda foi atribuída ao início da oscilação holandesa decorrente da instabilidade de controle induzida pela separação do fluxo.

Veja também

• Martin X-23 PRIME
• BOR-4
• Kliper
• Sistema de lançamento de pessoal HL-20
• Dream Chaser (nave espacial)
• Space Rider (nave espacial)
• Prometheus (nave espacial)
• Facetmobile
• Corpo de asa misturado
• Asa voadora
• MOSTARDA
• 1953 Horton "Wingless" http://aerospacelegacyfoundation.com/aviation-history-flying-wings/
• Arup S-2 1932, Snyder "Arup" (confunde a fronteira entre "asa voadora" e corpo de levantamento)
• Burnelli RB-1

Referências

Referências

Outras fontes

• McPhee, John (1973), The Deltoid Pumpkin Seed ; ISBN  0-374-51635-9 . (História do Aereon , uma combinação de aeródino / aeróstato , também conhecido como dirigível híbrido .)

links externos

• Folha de dados de corpos de levantamento (NASA)
• NASA Tech Paper 3101: Análise numérica e simulação de um campo de fluxo de veículo de retorno de tripulação garantido (a matemática do fluxo de ar sobre um corpo de elevação)
• Coleções de fotos da NASA do Dryden Flight Research Center
  • HL-10
  • M2-F1
  • M2-F2
  • M2-F3
  • X-24A e X24B
  • História curta M2-F1
  • Alguma história de levantamento de voo corporal
  • Vôo sem asas: a história do corpo com levantamento. NASA History Series SP-4220 1997 PDF