quarta-feira, 13 de agosto de 2008

Voando sem Asas:Os Lifting Bodies da NASA

Nos anos 50 e 60 os EUA viram um avanço aeroespacial sem precedentes,as cápsulas Mercury e Gemini tinham levado os americanos ao espaço e fornecido dados imprescindíveis para um passo ainda mais ousado,a conquista da Lua realizada pelas naves Apollo.O problema com tais cápsulas era a incapacidade de controlá-las quando reentravam na atmosfera terrestre.Os engenheiros aeroespaciais investigaram a possibilidade de criar cápsulas espaciais com algum tipo de sustentação durante a reentrada,assim sua aterrissagem poderia ser controlada em alguma extensão.O método mais lógico para se gerar sustentação é através de asas,mas elas devem ser extremamente resistentes para suportar o tremendo stress gerado pelo vento nas velocidades hipersônicas(no mínimo 5 a 6 vezes mais rápido que o som)durante a reentrada.

Em 1962 o engenheiro da NASA Dale Reed iniciou a pesquisa em aeronaves sem asas que pudessem vir do espaço e flutuar na atmosfera até a aterrissagem.Eles chamaram esses aparelhos sem asas de “Lifting Bodies”,algo como “Corpo Suspenso”,devido ao fato de sua sustentação ser gerada pela fuselagem ao invéz de asas.O desenho sugerido por Reed era essencialmente um cone cortado ao meio.Muitas pessoas duvidaram da eficácia daquilo,assim ele construiu um modelo em balsa e o lançou de cima de um prédio.A coisa mostrou-se estável em vôo e logo ele lançou o modelo ao ar usando o disparador a gás, logo em seguida ele planou e pousou em segurança.Reed filmou seus experimentos e os mostrou a seus colegas do Centro de Pesquisas em Vôo da NASA(agora Centro de Pesquisas em Vôo Dryden)na Base da USAF(Força Aérea dos EUA) Edwards na Califórnia.Logo ele estava liderando um time que recebera aprovação para construir uma aeronave manejável leve e em escala real designada M2-F1.O “M” significava veículo Manejável e “F” representava flight vehicle(Veículo de vôo).Logo recebeu o apelido de “Banheira Voadora”.

Como seu predecessor,o M2-F1 foi construído com madeira.Oficialmente era apenas um modelo em escala real para túnel de vento mas Reed e seu pessoal planejaram rebocá-lo com um Pontiac Catalina envenenado que fora comprado numa loja de Hot Rods em Long Beach,na Califórnia.Eles fizeram isso em alguns testes iniciais em março de 1963,rebocando o aparelho ao longo do deserto e a poucos metros acima do solo.O modelo mostrou-se estável e ganhou apoio posterior.

Em 16 de agosto de 1963,o M2-F1 foi lançado ao ar rebocado por um avião de transporte R4D(C-47)”Gooney Bird”.Nos dois anos seguintes,Reed e sua equipe da NASA conduziram testes com a aeronave para determinar suas características de vôo.Esses testes mostraram que o aparelho podia voar.O interesse na aeronave cresceu na NASA e na USAF e NASA e esta aprovou o desenvolvimento de uma versão pesada para explorar altas velocidades.Ela foi designada M2-F2,era equipada com foguetes e seria lançada a partir de um B-52 como muitas aeronaves experimentais.


M2-F1 (1964):

O conceito de lifting-body originou-se em meados dos anos 50 no Comitê Nacional de Aeronáutica no Laboratório Aeronáutico Ames,Mountain View,Califórnia.Em fevereiro de 1962 uma série de modelos possíveis tinham sido desenvolvidos e R. Dale Reed estava trabalhando para ganhar apoio à pesquisa com o veículo.

A construção do M2-F1 foi um esforço conjunto entre Dryden e um fabricante local de planadores,a Companhia Briegleb Glider e o orçamento era de 30.000 dólares.O pessoal da NASA e engenheiros construíram a armação tubular interna.O revestimento externo de madeira prensada foi feito à mão por Gus Briegleb e sua empresa.Ernie Lowder,um artesão da NASA que tinha trabalhado no H-4 Hércules de Howard Hughes(o Spruce Goose),assinou contrato para ajudar Briegleb.

A montagem final dos componentes restantes(incluindo as caudas de alumínio,varetas de controle e o trem de pouso de um Cessna 150,que foi depois trocado pelo de um Cessna 180)foi feita nas instalações da NASA.

O desenho foi inicialmente planejado com a intensão de pousar a aeronave horizontalmente após a reentrada atmosférica.A ausência de asas faria o extremo calor da reentrada menos danoso ao veículo.Ao invéz de se usar uma trajetória balística como numa cápsula espacial convencional,poderia com seu raio limitado de manobra escolher areas de pouso numa area do tamanho da Califòrnia.


Testes Rebocados

O primeiros testes de vôo com o M2-F1 ocorreram no lago seco Rogers,na extermidade de um cabo preso a um Pontiac coversível.Em 5 de abril de 1963 o piloto de teste Milt Thompson ergueu o nariz do aparelho pela primeira vez,a velocidade era de 138 km/h.A leve aeronave começou a balançar descontrolada indo para frente e para trás sobre o tem de pouso principal,parando quando desceu o nariz até o solo.Ele tentou de novo,mas toda vez tinha os mesmos resultados.Ele sentiu que o problema era no trem de pouso.Após assistirem filmes dos testes,foi decidido que o balanço era causado provavelmente por movimentos indesejados do leme.O sistema de controle de vôo número dois foi substituido em favor do número um e o aparelho nunca mais balançou de novo.

Descobriu-se que o carro usado para rebocar a aeronave não era potente o bastante para levantar o M2-F1 inteiramente do solo.Com ingenuidade,o FRC arranjou um carro envenenado por Bill Straub.A velocidade do reboque aumentou para 176km/h,o que permitiu a Thompson elevar o aparelho a uma altura de 7m e planar por 20 segundos após soltar-se do cabo.Foi mais do que se podia esperar durante um reboque por carro.

Esses testes iniciais produziram dados o bastante sobre o M2-F1 para se conduzir vôos rebocados a grandes altitudes a partir de um C-47 da Marinha.

Vôos de Teste:

O primeiro dos reboques com o C-47 foi em 16 de agosto de 1963.O M2-F1 tinha sido recém-equipado com um assento ejetor e pequenos foguetes,chamados pelo pessoal de “Instante L/D”,na cauda para se aumentar o impulso de pouso para 5 segundos se necessário e Thompson se preparou para o vôo com mais alguns reboques junto ao Pontiac.A visibilidade no M2-F1 era muito limitada durante o reboque,exigindo que Thompson voasse mais alto que o C-47,assim ele poderia ver o avião através da janela no nariz.A velocidade era de quase 160km/h.O C-47 elevou o aparelho aos 3660m,onde vôos livres de volta ao Lago Seco Rogers começaram.Vôos planados típicos com o M2-F1 duravam quase dois minutos e alcançavam velocidades de 11o a 120 milhas por hora.A altitude de liberação era de 3600m.O lifting body descia num raio de 1100m por minutos.A 300m acima do solo o nariz era abaixado para aumentar a velocidade para quase 240km/h,os foguetes eram acionados a 60m com 20 graus de inclinação.O pouso era suave e o programa seguia seu caminho.

O M2-F1 voou até 16 de agosto de 1966.Esse aparelho abriria as portas para “versões pesadas”.Mais de 400 reboques no solo e 77 com o C-47 foram realizados com o M2-F1.O sucesso do programa levou a NASA a desenvolver dois aparelhos pesados baseados nas pesquisas dos Centros de Ames e Langley.O programa dos lifting bodies teriam forte impacto no desenvolvimento do Ônibus Espacial.

Northrop HL-10 (1966):

O Hl-10 foi usado pela NASA para se avaliar o “fluxo de ar invertido” e a plataforma em delta.O contrato para a construção do HL-10 e M2-F2 era de 1,8 milhões de dólares.As letras “HL” representavam Horizontal Landing(aterrissagem horizontal) e o “10” representava o décimo desenho estuidado pelo Centro de Pesquisas da NASA Langley.O trem de pouso traseiro era o sistema de um T-38 Talon modificado retraível manualmente e abaixado por nitrogênio à pressão.A roda do nariz era de um T-39,também usando o mesmo sistema.

O assento ejetável do piloto era de um F-106.Baterias especiais supriam o sistema de controle ,instrumentos de vôo,rádios,calor no cockpit e também o sistema de argumentação de estabilidade.Para assistir o pré-pouso usava-se quatro foguetes de peróxido de hidrogênio com empuxo de 400lb. Um dos grandes problemas desses aparelhos era a chamada “separação de fluxo”.O fluxo de ar sobre a fuselagem tornava-se turbulento e não fluía suavemente.Os desenhistas do HL-10 evitaram isso adicionando as barbatanas traseiras encurvadas.

História Operacional:

Após ser entregue à NASA em janeiro de 1966,o HL-10 realizou seu primeiro vôo em 22 de dezembro de 1966,com o piloto Bruce Peterson nos controles.Embora tivessem sido instalados os foguetes XLR-11(do mesmo tipo usado no Bell X-1),os primeiros 11 lançamentos a partir de um B-52 foram vôos planados sem motor para avaliar a manobrabilidade,estabilidade e controle.No fim,o HL-10 foi reconhecido como o aparelho com melhores características entra os três modelos pesados originais(M2-F2/F3,Hl-10 e X-24).O HL-10 voou 37 vezes e alcançou a maior altitude e maior velocidade em todo o programa.Em 18 de fevereiro de 1970,o piloto da USAF Peter Hoag levou o HL-10 a Mach 1.86.Nove dias depois o piloto da NASA Bill Dana levou o veículo aos 27000m,a maior altitude alcançada em todo o programa.A altitude média de liberação era de 13500m.Momentos após o lançamento o XLR-11 era acionado.A velocidade e altitude aumentava até o motor ser desligado ou até o combustível acabar,dependendo do tipo de missão.Os lifting bodies normalmente levavam combustível suficiente para 100 segundos de vôo propulsado e normalmente alcançavam altitude de 15000 a 24000m e velocidades acima de Mach 1.

Após o desligamento do motor,o piloto manobrava o veículo num retorno do espaço simulado através de um corredor pré-planejado até a aproximação final no Lago Seco Roger em Edwards.Uma aproximação circular era usada para se perder altitude durante a fase de pouso.Na perna finl de aproximação o piloto aumentava seu raio de decida.Aos 300m,um pequeno disparo de foguetes aumentava a velocidade para o pouso.Algumas lições novas foramm aprendidas com o HL-10.Esses dados,combinados com os do M2-F2/F3 serviram de base para futuros veículos de reentrada,incluindo o Ônibus Espacial.

O HL-10 no Espaço:

De acordo com o livro “Võo sem Asas” de R. Dale Reed,se tivesse tido chance,o HL-10 teria ido ao espaço no início dos anos 70.Após o cancelamento do programa Apollo na Lua,Reed deu-se conta que os equipamentos do programa Apollo poderiam ser utilizadios para outros fins,incluindo módulos de comando e foguetes Saturno V.Seu plano era modificar o HL-10 com a adoção de um escudo protetor de calor,controles à reação e outros sistemas adicionais necessários a um vôo espacial manobrado.O veículo poderia voar montado no Saturno V,no mesmo espaço antes destinado ao módulo lunar.Uma vez em órbita,planejou-se que um braço robótico poderia remover a aeronave de dentro do terceiro estágio do foguete e colocá-lo adjacente ao Módulo de Comando Apollo.Um dos astronautas,treinados para voar na aeronave,podia deixar a Apollo,entrar no lifting body e efetuar uma checagem de pré-reentrada.Foram planejados dois vôos desse tipo.No primeiro,o piloto do lifting body retornaria à Apollo e enviaria o HL-10 de volta à Terra no automático.Se esse vôo fosse um sucesso,o seguinte poderia ser pilotado,com um pouso tripulado na Base Edwards.Ao que se sabe,Werner Von Braun achou a idéia maravilhosa e se ofereceu para preparar dois Saturno V e Modulos Apollo para a Missão.Infelizmente o Diretor do Centro de Pesquisas Paul Bickle disse não,declarando que isso ia além de sua experiência ou interesse.

Curiosidade:No episódio “Replay Mortal” de “O Homem de Seis Milhões de Dólares”,o HL-10 é identificado como a aeronave que o personagem Coronel Steve Austin estava voando quando se acidentou e levou à sua transformação em homem biônico,o HL-10 também aparece nesse episódio.Outros episódios e o livro original “Cyborg” de Martin Caidin,contradizem isso,de qualquer modo,a aeronave identificada por Austin como HL-10 é um fictício M3-F5 no livro.

M2-F2 (1968):

O sucesso do Dryden M2-F1 levou a NASA a construir outros dois lifting bodies pesados,o M2-F2 e o HL-10,ambos construidos pela Northop.O M2-F2 fez seu primeiro vôo conectado o tempo todo a um B-52 em 23 de março de 1966.O primeiro vôo foi em 12 de julho de 1966,com Thompson pilotando.O mesmo B-52 já famoso por carregar a aeronave de pesquisa X-15 foi usado para carregar os lifting bodies.Thompson foi lançado a partir de um suporte montado na asa direita do B-52 e de uma altitude de 13700m em seu vôo planado.Ele alcançou uma velocidade de planeio de 720km/h.

História Operacional:

Antes de serem conduzidos os vôos com propulsão,foram realizadas uma série de vôos planados.Em 10 de maio de 67,o décimo sexto vôo planado terminou em desastre quando o veículo capotou no lago seco durante o pouso.Com o piloto de testes Bruce Peterson nos controles,o aparelho sofreu de oscilação induzida quando próximo ao lago seco.O veículo rolou de lado a lado em vôo enquanto ele tentava manter o controle.Peterson controlou a aeronave mas então viu um helicóptero de resgate que parecia estar numa rota de colisão.Distraído,Peterson desviou num vento cruzado para uma area não demarcada do lago seco onde era muito difícil julgar a altitude sobre o solo devido à falta de marcas na pista.Peterson disparou os foguetes de pouso para obter sustentação adicional mas o bateu no chão antes que o trem de pouso estivesse totalmente baixado e travado.O M2-F2 capotou quase seis vezes,parando de cabeça para baixo.Retirado do aparelho por Jay King e Joseph Huxman,Peterson foi levado ao hospital de base e transferido para a Base da USAF March e depois para o então hospital UCLA.Ele recuperou-se mas perdeu a visão do olho direito devido a uma infecção.

Trechos do filme do M2-F2,incluindo a espetacular colisão de Peterson,foram usados no filme de TV “O Homem de Seis Milhões de Dólares” de 1973 e mais tarde na abertura de cada episódio da série de TV.Os pilotos da NASA e pesquisadores descobriram que o M2-F2 tinha problemas de controle lateral mesmo com o sistema de controle e argumentação.Quando o M2-F2 foi reconstruído ele foi redesignado M2-F3 e recebeu uma barbatana vertical adicional para melhorar o controle.

M2-F3 (1970):

Os testes iniciais como M2-F1 e M2-F2 tinham validado o conceito de um aparelho sem asas pilotado do espaço até pousar em terra.Quando o M2-F2 acidentou-se,valiosas informações tinham sido obtidas e contribuiram para novos desenhos.Os pilotos da NASA diziam que o M2-F2 tinha problemas de controle lateral,assim ele foi reconstruído pela Northop e redesignado M2-F3.Ele recebeu uma aleta vertical adicional ao centro das externas para melhorar as características de controle.Após um ano de redesenho e esforço em reconstrução,o M2-F3 estava pronto para voar.Ele também tinha danificado sua estrutura interna e revestimento externo.Os engenheiros do Centro de Pesquisas em Vôo trabalharam no redesenho junto ao Centro de Pesquisas Ames e a USAF.Quando em vôo,a aleta central eliminava o alto risco de oscilação induzida pelo piloto(PIO),que era a característica do M2-F2.

História Operacional:

O primeiro vôo do M2-F3,com Bill Dana nos controles,ocorreu em 2 de junho de 1970.O veículo modificado exibiu muito melhor estabilidade e controle que antes e somente três vôos planados foram necessários antes do primeiro vôo propulsado em 25 de novembro de 70.O centésimo vôo desses pesados lifting bodies foi completado em 5 de outubro de 1972,com o piloto Bill Dana alcançando uma altitude de 20200m e Mach 1.37.Durante suas 27 missões,o M2-F3 alcançou a máxima velocidade de Mach 1.6 e a maior altitude alcançada foi de 20790m em 20 de dezembro de 1972,data do último vôo,com o piloto da NASA John Manke nos controles.Um sistema de controle à reação(RCT),similar aos usados em naves orbitais,também foi instalado para se obter dados sobre sua eficiência no controle do veículo.Com o fim da participação do M2-F3 no programa lifting body se aproximando,também foi avaliado um sistema de controle de argumentação e um pequeno manche em forma de joystick lateral,atualmente usado em aeronaves como o F-16 e os Airbus..

A pesquisa com o M2-F2/F3 respondeu a diversas questões quanto a esses aparelhos.A NASA doou o M2-F3 ao Smithsoniam em dezembro de 1973.Atualmente ele está pendurado no Museu Nacional do Ar e Espaço ao lado do X-15 número 1,que esteve no hangar em Dryden de 1965 a 1969.


Martin-Marietta X-24:

O X-24 foi construido pela Martin-Marietta e voou para Edwards,na Califórnia.O X-24A foi o quarto desenho de lifting body a voar.Fez seu primeiro vôo planado em 17 de abril de 1969 com o Major Jeraud Gentry nos controles.Gentry tammbém pilotou durante o primeiro vôo propulsado em 19 de março de 1970.O X-24 voaria 28 vezes a velocidades acima dos 1667km/h e altitudes acima de 21,8km.


História Operacional:

Assim como o HL-10,o X-24 validou o conceito de que um Ônibus Espacial poderia aterrissar sem propulasão nenhuma.O aparelho era impulsionado por um motor foguete XLR-11 com empuxo máximo teórico no vácuo de 37.7kn.Posteriormente em 1972 o X-24 foin transformado no mais estável X-24B em delta,esse serviu de base para o SV-5J.A fuselagem X-24A foi mais tarde usada no veículo X-38Os lifting bodies desenvolvidos pela NASA durante os anos 60 demonstraram as limitações de uma aeronave sem asas.Sua principal limitação era suas altas velocidades de pouso,o que tornava seu controle difícil e perigoso.Como resultado dessa experiência,os engenheiros da NASA escolheram desenvolver um Ônibus Espacial com asas.Embora o Ônibus Espacial ainda tenha uma velocidade de pouso alta,ele é mais lento e mais manobrável do que um lifting body de mesmo tamanho.De qualquer modo,outro fruto da pesquisa com esses aparelhos foi demonstrar que pousos planados podiam ser seguros.O Ônibus Espacial beneficiou-se muito
dessa pesquisa.

As Versões Recentes:

No início dos anos 90,o Centro de Pesquisas em Langley propôs um HL-10 melhorado conhecido com Veículo de Lançamento de Pessoal HL-20 para servir como “táxi espacial” para a Estação Espacial Internacional.Embora tenha sido construído um modelo em escala,o programa não foi aprovado e não houveram testes de vôo.

No fim dos anos 90 os engenheiros da NASA começaram novamente a avaliar o lifting body como um Veículo de Retorno de Tripulação(CRV)para a Estação.O CRV podia servir como “barco salva-vidas” conectado à Estação Espacial e podia trazer a tripulação de volta à Terra no caso de uma emergência.O aparelho deveria ser capaz de desacelerar através da atmosfera suavemente para não afetar um possível tripulante ferido.Também deveria ser capaz de planar uma grande distância pois os tripulantes poderiam de soltar da Estação mesmo sobre oceanos e depois procurar a zona de pouso segura mesmo à longas distâncias.

Os desenhistas escolheram desenvolver um lifting body e iniciaram um programa de testes usando um novo veículo,designado X-38.O X-38 usava a mesma configuração externa do X-24A,incluindo uma bolha na parte de cima da fuselagem onde no X-24A havia um cockpit,embora o X-38 não o tivesse.Isso foi feito para ser possível usar usar ao máximo todos os dados de teste do X-24A.Uma diferença chave no X-38 era que ele não pousava sobre rodas numa pista.Ao invéz disso,o X-38 liberava um páraquedas retangular próximo ao solo e flutuava até o pouso.Esse método foi escolhido porque a NASA aprendera em seus anos de pesquisa com os lifting bodies que eles possuíam características de pouso inseguras.

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