A history of aerospace problems (y2)

ASPECTOS GENERALES

CLASIFICACIÓN DE LOS PROBLEMAS

Evidentemente, en la NASA suelen lidiar con problemas bastante peculiares, algunos tanto que nunca antes se habían planteado.

Pero como en cualquier sector tecnológico, esos problemas pueden surgir en cualquier etapa: Diseño, desarrollo, construcción, pruebas y durante su uso real. El programa del transbordador introdujo también otra necesidad: Reutilización. Esto significa, considerar su vida en servicio, mantenimiento, envejecimiento...

Una buena manera de empezar es saber qué tipo de problemas pueden aparecer. Para eso hay que tener clara la naturaleza de los mismos y agruparlos. En el sector aeroespacial los posibles problemas pueden ser claramente diferentes de los esperables en otros sectores, pero se pueden hacer algunas generalizaciones:

• Problemas relacionados con las propiedades de los materiales:
• Por sus características intrínsecas.
• Por su comportamiento en un entorno determinado (desgaste, rotura, fatiga, corrosión...).
• Problemas relacionados con el diseño.
• Incluyendo las modelizaciones.
• Problemas durante el proceso constructivo.
• Problemas durante las pruebas.
• Problemas durante el uso.
• Problemas con la documentación:
• Especificaciones y procedimientos.
• Control de calidad.

No todos los problemas son el resultado de fallos. Sobre todo si se encuentran o aparecen en las primeras etapas de diseño y pueden ser solventados "en el papel". Lo que sí debería estar claro es que cualquier tipo de problema debe ser una "lección aprendida" que ayude no solo a no repetirlo sino a evitar otros diferentes. Una cuestión de aprendizaje filosófico, en el sentido etimológico de la palabra.

PROYECTOS

REDSTONE Y JÚPITER

CARACTERÍSTICAS

Redstone era un vehículo militar diseñado para llevar una ojiva nuclear a más de 300km (o sea, una bomba nuclear). Estaba propulsado por queroseno y O2 líquido, y era una mejora de las bombas V2 alemanas (no olvidemos que USA se llevó a muchos científicos alemanes tras la 2ª G.M., incluyendo a su diseñador, von Braun, quien luego diseñaría los cohetes Saturno para las misiones Apolo. Para los USA no todos los nazis eran tan malos).

Una de esas mejoras fue hacer que los depósitos de combustible fueran integrales con el resto del fuselaje y el control de vuelo se conseguía con unas pequeñas paletas situadas en las salidas de los gases de escape, complementadas con unos timones que funcionaban durante la parte aerodinámica del vuelo.

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En la NASA adaptaron la zona de la cabeza nuclear para que transportara el primer satélite artificial lanzado por los USA, con la idea de seguir adaptándolo y acoplar una etapa en la que pudiera viajar una persona . El programa se llamó Redstone-Mercurio.

Los vehículos Redstone siguieron mejorando y consiguieron alcanzar lanzar las cabezas (donde podía ir, recordemos, una bomba nuclear) unos 5000km. Alguien tuvo el buen sentido de limitar a los militares el alcance a los 300km señalados antes. Pero Redstone mostró que se podía conseguir un cohete muy robusto y exitoso.

Por su parte, el cohete Júpiter era un misil balístico de alcance intermedio (IRBM) capaz de llevar una ojiva explosiva a 300km. La Fuerza Aérea tenía pepinos similares, Thor y Atlas.

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Este diseño también se modificó para transportar satélites, bajo el nombre en código Juno.

Los logros de los programas Redstone y Júpiter se combinaron en el ya mencionado programa Saturno.

EVOLUCIÓN/CREATIVIDAD/INNOVACIÓN

Durante estos programas las mayores dificultades estaban en controlar la inestabilidad aerodinámica de los pepinos, y la influencia de los vientos, el sistema de guía y las cargas que transportaran. No era plan que una cabeza nuclear (o un satélite, o una persona que viajara en ellos) cayeran en lugares inadecuados.

Lo de la inestabilidad aerodinámica se solucionó con alerones (primero fijos y grandes y luego más pequeños y móviles) en la parte final de la popa, mejoras en la forma externa y usar los tanques de combustible para una mejor distribución de las masas. Los alerones móviles de Redstone se colocaron en la zona de salida del gas de impulsión. En el misil Júpiter se usaba una especie de tubo de escape.

Para los otros problemas se recurrió a los nazis buenos.

Tanto las V-2 como sus herederas Redstone, carecían de la tecnología para hacer frente a la inestabilidad aerodinámica, más allá de usar diferentes configuraciones de alerones. Así que la primera solución fue poner unos al final del cohete, pero de un tamaño lo suficientemente pequeño para que no perturbaran la propia fuerza impulsora el único motor disponible. Esas paletas estaban alineadas con el eje central de la tobera, por lo que no servían para control de giro y notaban bastante el efecto lateral de los vientos.

Se les añadieron unos salientes en los extremos de los alerones, también móviles. De esta manera, a pesar de tener el mismo alcance y capacidad de carga que las V-2, las Redstone  podían llevar una cabeza nuclear y reducir el error de impacto a un radio de 450m (frente a los 4'5km de las V-2).

Gracias también a que en la nariz del cohete llevaba un sistema de guía, que actuaba cuando se desprendía de la parte impulsora, de dos maneras:

• Mediante un control de altitud con giroscopios. Estos chismes se podían parar alcanzando sus topes y desalineándose por lo que se mantenían estables mediante pequeños chorros de gas en la parte inferior de los alerones exteriores de la fase que llevaba la cabeza nuclear.
• Ajustando el diseño aerodinámico de la estructura exterior, en una época en la que no había túneles de viento para hacer pruebas a velocidades supersónicas. Los primeros resultados de las pruebas se obtuvieron sólo 4 meses antes del primer lanzamiento de un Redstone (20 de agosto de 1953). Según parece, los cálculos en el papel estaban tan bien que no hubo que hacer cambios de diseño.

Realmente hubo 2 Redstone: El experimental, de principios de 1951, diseñado para llevar una gran bomba esférica y el táctico, adaptado para cargas cilíndricas, que fue el desarrollado desde 1953.

Antes del Redstone estaba el proyecto Hermes. A finales de los 40 se modificaron las V-2 para conseguir un vehículo que volara a 2'7Mach y a 30km de altura.

http://whiteeagleaerospace.files.wordpress.com/2011/05/hermes-ii-incident.jpg

Entre los enormes alerones de popa y las alas de proa, hasta en el despegue presentaba problemas. Se usó un acelerómetro para corregirlo, que funcionaba bien en el banco de pruebas, pero en vuelo algo falló y dejó el agujero que se puede ver en la foto. Dadas las limitaciones de la telemetría de la época, no se supo de las vibraciones de la estructura habían afectado al funcionamiento del acelerómetro. El proyecto se canceló a principios de 1950.

La Fuerza Aérea había desarrollado el motor para los misiles Atlas, que luego se usaron, a partir de 1955, en el desarrollo de los Thor y los Júpiter (del tipo IRBM) y de los Atlas y Titán (misiles intercontinentales, ICBM). El objetivo era controlar las inestabilidades aerodinámicas prescindiendo de alerones. El diseño ganador seria el del programa Júpiter: Un supositorio con la menor cantidad posible de cosas salientes. La estabilidad se conseguía mediante sistemas de control instrumental y 4 pequeños cilindros pegados al exterior para compensar las pérdidas de estabilidad. El control de giro se conseguía con el tubo de escape en un lateral de la popa.

Todos esos desarrollos tecnológicos de control de vuelo dependían de algo: Entender eso de los vientos. Por tanto, hubo que desarrollar los correspondientes instrumentos de media atmosférica, aprender a entender los resultados y saber modelizar el comportamiento futuro.

Uno de los cohetes Júpiter se perdió por un problema de fuga del combustible líquido y no eran capaces de encontrar la causa. Así que lanzaron un tanque lleno de combustible por una vía para que chocara con el tope del final y "ver qué pasa". Un experimento totalmente controlado. Luego montaron unos flotadores para evitar esas fugas y comprobaron que funcionaban.

También se desarrollaron en la ápoca los recubrimientos resistentes al calor para resistir las temperaturas de la proa durante la reentrada en el atmósfera a elevada velocidad.

En cualquier caso, para resolver cualquiera de los problemas que hubiera, no disponían de potencia de cálculo ni de modelos para hacer simulaciones. Calculadoras y reglas de cálculo. Y pensar.

El resultado final fue conseguir un 50% de reducción de peso y un 50% más de potencia. Y una serie de conocimientos sobre propelentes líquidos y modelos físicos de los cuales tuvieron buena cuenta los militares para su programa Redstone y su posterior conversión en el sistema de misiles USA.

ACTUALIZACIÓN: Dejo este libro pues es un compendio de aspectos demasiado técnicos como para sacar conclusiones generalistas.