¿Por qué los aviones suborbitales tienen cola en H y/o puntas de alas grandes?

La mayoría de los aviones espaciales son aerodinámicamente solo aviones hipersónicos. El ala delta sin cola con aletas estabilizadoras direccionales en las puntas es una solución óptima, especialmente si no desea una aleta en el fuselaje. La estabilidad direccional puede ser esquiva y altamente no lineal, por lo que los tipos diseñados antes de los días de los sistemas de control digital de alta velocidad a menudo recurrían a superficies extragrandes.

Durante el reingreso, un avión espacial no puede caer en picado o se sobrecalentaría y se derretiría o se rompería en pedazos. Tiene que hacer una especie de panqueque en su parte inferior, manteniendo la velocidad de avance suficiente para mantener el control aerodinámico (una nave orbital necesita aislamiento térmico de alta tecnología incluso para esto, pero es poco probable que se necesite para naves suborbitales). El ángulo seguro para esta maniobra es bastante pequeño con poco margen de error, solo unos pocos grados en ambos sentidos. Era un riesgo aceptable para el transbordador espacial, pero puede que no lo sea para los vuelos comerciales de pasajeros.

SpaceShipOne y Two son una solución única al problema del reingreso seguro. La configuración de la cola se conoce como cola exterior o estabilizador horizontal exterior (OHS). Se ha estudiado de vez en cuando, pero nunca voló realmente (un prototipo de investigación alemán se construyó en la Segunda Guerra Mundial, pero no está claro si alguna vez voló). Fue adoptado para la serie SpaceShip por la razón obvia de que quita el estabilizador del camino del escape del cohete. También facilitó la solución mecánica a su otra gran innovación aerodinámica, la cola de "veleta" de geometría variable. Al girar la cola hacia arriba para volver a entrar, estabiliza el avión espacial mientras vuelve a descender, lo que aumenta enormemente la zona segura y hace que el reingreso sea casi trivialmente seguro.

Los pasajeros que regresan de la órbita real presentan un desafío mucho mayor, aún sin resolver.

Dreamchaser no pretende ser suborbital. No sé acerca de su tercera imagen, pero la nave espacial 1 y 2 fueron diseñadas por la misma persona/empresa, por lo que no es sorprendente que usen los mismos elementos de diseño.

Los diseños de Dreamchaser vs Spaceship N abordan dos problemas diferentes. Un vehículo orbital tiene que desacelerar desde ~17,000 mph, mientras que un vehículo suborbital en una trayectoria balística (simplistamente hacia arriba y hacia abajo) comienza desde cero en su punto más alto y necesita evitar ganar demasiada velocidad. Entonces, si no me equivoco, una función principal de la cola H es permitir que todo el vehículo actúe como un dispositivo de arrastre. Eso no sería práctico para un vehículo de reentrada orbital debido al calentamiento y las fuerzas aerodinámicas.

Los alerones masivos en un ala delta muy delgada son necesarios para la estabilidad direccional y para un aterrizaje exitoso como planeador. Si bien una aleta central también proporcionaría estabilidad direccional, produciría un mayor balanceo inducido por deslizamiento lateral debido a su ubicación alta en el fuselaje. Luego, el fuselaje trasero es principalmente un caparazón alrededor del motor del cohete y tendría que ser más pesado para tolerar las cargas de una cola masiva. Al desplazar las colas verticales hacia la punta del ala, se vuelven más efectivas desde su ubicación más trasera.

Pero más importante para la ubicación de las aletas en la punta del ala es la L/D, que sería demasiado baja sin ellas para ensancharse durante el aterrizaje, especialmente en el caso del Dreamchaser y el proyecto del vehículo de reentrada europeo Hermes. Sin la mejora en L/D, ambos perderían demasiada energía cinética durante la llamarada para reducir su velocidad de descenso antes de entrar en pérdida.

A una velocidad extrema, cuanta más simetría tenga, mayores serán sus posibilidades de mantenerse recto. Esto es especialmente preocupante en altitudes muy altas, donde las fuerzas aerodinámicas (velocidad indicada) son pequeñas. X15 es un buen ejemplo de esto. Además, la cola tipo H ayuda a mantener las superficies de control alejadas de la tobera del cohete.

Los vehículos tipo lanzadera también enfatizan la estabilidad de balanceo y cabeceo en el reingreso. Es muy interesante notar que la humilde cápsula tiene 360 ​​grados de estabilidad de balanceo (allí también para cabeceo). A los soviéticos les gustó la pelota, con un peso un poco bajo, por la misma razón.

La nave espacial 2 tiene la configuración emplumada (llave de lanzadera). Dream Chaser (y la Fuerza Aérea) tiene un diedro fuerte. Estos solo quieren entrar en posición vertical y aterrizar de manera segura.