El concepto de ala recta era perfectamente viable. Según The Space Shuttle Decision, Max Faget prefirió la aproximación de ala recta principalmente porque optimizaría el rendimiento en la fase final de aproximación y aterrizaje subsónico.

El ala recta también proporcionaría muy poca sustentación en la fase de reentrada de alta velocidad con el morro alto, lo que significa que caería muy rápidamente y el período de calentamiento sería mucho más corto, lo que generaría una menor carga de calor total. En este gráfico se muestra el calentamiento de reentrada de un orbitador de ala recta con una relación de elevación a arrastre de 0,5 frente a un orbitador de ala delta con una relación de elevación a arrastre de 1,7:

Por otro lado, el largo reingreso del ala delta del transbordador hizo que el viaje fuera muy suave, con un pico de carga g de reingreso de aproximadamente 1,2 g. Un transbordador de ala recta habría incurrido en fuerzas g mucho más altas, pero no prohibitivamente altas. El flujo de aire turbulento alrededor del ala durante el reingreso también aumentaría las temperaturas máximas en los costados del fuselaje del orbitador , compensando parcialmente los ahorros en protección térmica obtenidos por el reingreso más corto.

Otra ventaja pequeña y sutil del diseño del orbitador de ala recta es que los cambios en el peso y el equilibrio durante el desarrollo se pueden abordar más fácilmente mediante ligeros cambios en la posición y/o el barrido del ala con poco impacto en el diseño general, a diferencia de la integración ala-cuerpo más extensa de un diseño de ala delta.

Los científicos de la Fuerza Aérea se opusieron al ala recta. Durante la transición del reingreso con el morro hacia arriba al vuelo horizontal, el ala se detendría y el transbordador perdería aproximadamente 15,000 pies de altitud antes de recuperar el control. El ala delta mantendría las características de vuelo del orbitador cambiando más gradualmente a medida que pasa de la reentrada al vuelo supersónico y subsónico. El ala delta también fue necesaria para lograr el requisito de alto rango cruzado de la Fuerza Aérea (permitiendo que el orbitador maniobre 1000 millas o más fuera de su ruta de vuelo de reentrada), pero el transbordador nunca utilizó la extensión de esa capacidad de rango cruzado. La NASA originalmente quería de 250 a 400 millas de alcance cruzado; cuanto mayor sea la capacidad de rango cruzado, más oportunidades de reingreso y aterrizaje seguro en situaciones de emergencia. Faget'

Se propusieron docenas de conceptos generales de diseño para el transbordador durante este período de tiempo general, hasta la selección final de una configuración en 1972. Varios de ellos se ilustran en The Space Shuttle Decision y muchos otros en el libro de Dennis Jenkins ; aquí están algunos de los primeros:

Hasta mediados de 1971, los diseños de ala recta dominaron las propuestas a pesar de la oposición de la Fuerza Aérea. La mayoría de las propuestas a partir de mediados de 1971 eran deltas, aunque después de eso, Faget deslizó algunos diseños más de ala recta en la mezcla.

No veo ningún concepto en Jenkins con un borde de ataque completamente sin barrido y un borde de fuga ligeramente barrido hacia adelante, como en este modelo, y la mayoría de ellos eran de una sola cola en lugar de dos colas.

Un orbitador de ala recta no habría satisfecho el requisito de rango cruzado de la Fuerza Aérea, pero aparte de eso, no hay una razón fundamental por la que no podría haber sido un transbordador espacial exitoso.

Requisitos de la misión para un avión espacial que se ven afectados por su forma aerodinámica

• Capacidad de rango cruzado
  • Rango de planeo perpendicular al plano orbital en el reingreso. De lo contrario, debe esperar en órbita a que la Tierra gire su lugar de aterrizaje para alinearse con el plano orbital.
• Cualidades de vuelo
  • Qué fácil es volar el avión espacial.
• Velocidad de aterrizaje
  • Velocidad segura para el aterrizaje, que luego determina la longitud de la pista.
• Cargas estructurales máximas de reentrada
  • Cuánto refuerzo (masa adicional) es necesario para que el fuselaje resista las fuerzas aerodinámicas de reentrada.
• Cargas térmicas de reentrada
  • El plasma sobrecalentado formado en los amortiguadores de proa en la superficie de barlovento del avión espacial irradia calor hacia la estructura del avión. Si esto se vuelve demasiado intenso o persiste durante demasiado tiempo, los componentes pueden sobrecalentarse o dañarse.

Para simplificar esta respuesta, no entraré en la aerodinámica de lanzamiento.

Etapas de un reingreso y aterrizaje típico de un avión espacial a tener en cuenta

1. Cuando comienza a ingresar a la atmósfera delgada muchos minutos después de la quema de reingreso, el avión espacial se coloca en una posición de AoA alto para que la resistencia alta disminuya la velocidad lo suficientemente rápido como para no exceder los límites de carga estructural o térmica más adelante en el reingreso. El balanceo del avión espacial se puede ajustar para comenzar a alejar el avión espacial de su plano orbital (rango cruzado).
2. Después de pasar las partes más calientes de la reentrada, el avión espacial disminuye su AoA y básicamente se convierte en un planeador, aunque con un rendimiento mucho peor que un planeador especialmente diseñado. Todavía se encuentra a gran altitud en este punto, por lo que tiene una capacidad significativa de rango cruzado para explotar, ya sea supersónico o subsónico.
3. La aproximación y el aterrizaje del avión espacial es como cualquier planeador, solo que a mayor velocidad.

Comparación con el transbordador espacial real

El fuselaje de este modelo no es significativamente diferente al del transbordador espacial real, por lo que no comentaré sobre su desempeño.

Las alas, sin embargo, son superficies aerodinámicas combadas de alta relación de aspecto con una forma trapezoidal convencional. La alta relación de aspecto y el cono trapezoidal reducen la resistencia inducida. Estas alas son eficientes y tienen un buen rendimiento a velocidades subsónicas, lo que es una ventaja sobre un ala delta para las cualidades de vuelo subsónico, la velocidad de aterrizaje y la capacidad de rango cruzado mientras es subsónico .

Estas alas son más difíciles de reforzar por área contra cargas aerodinámicas de reentrada hipersónica de alto AoA que un ala delta debido a su alta relación de aspecto. También aumentan los requisitos de aislamiento térmico para el avión espacial en su conjunto, ya que no protegen el fuselaje por encima de ellos tanto como un ala delta.

Estas alas son menos eficientes que un ala delta en planeo supersónico de bajo AoA debido a que sus puntas probablemente sobresalgan del cono de flujo supersónico ya perturbado de la nariz. Esto da como resultado más arrastre de onda, lo que disminuye la capacidad de rango cruzado y aumenta las cargas aerodinámicas. Las alas que no se barren hacia atrás dan como resultado una mayor resistencia debido a la regla del área (cambios bruscos en el área de la sección transversal = mayor resistencia). Durante el vuelo transónico (Mach~1), las alas producen menos sustentación debido a que el número crítico de Mach es más bajo en las alas sin barrido.

La cola horizontal tiene los mismos problemas que las alas en vuelo supersónico, pero la cola vertical doble con grandes timones inclinados hacia adelante es excelente para las cualidades de vuelo supersónico/hipersónico con un AoA alto.

En resumen

Estas son alas optimizadas para subsónicos que probablemente facilitarían el aterrizaje que con un ala delta. Sacrifican el calentamiento de reentrada crítico y el rendimiento del planeo supersónico, lo que reduce la capacidad de rango cruzado y las cualidades de vuelo supersónico, al tiempo que aumentan las cargas estructurales de reentrada y las cargas térmicas de reentrada. Si bien probablemente podría hacer que una forma como esta funcione, el avión espacial resultante no tendría mucha capacidad de masa de carga útil debido a la masa seca adicional necesaria para mitigar los problemas anteriores. Es posible que, para el diseño de este modelo, hubiera otro requisito sobre las condiciones de aterrizaje que exigía un ala subsónica.

Referencias:

• Michael A. Rampino, Conceptos de operaciones para un vehículo espacial de lanzamiento reutilizable. https://fas.org/spp/eprint/rampino.htm
• John D. Anderson, flujo compresible moderno

El modelo en sí se sometió a algunas pruebas de vuelo.

El diseño parece descender de silbervogel , una fuente de proyecto alemana de la Segunda Guerra Mundial. Las colas gemelas habrían sido para mantener el control en un ángulo de ataque alto, pero parece que las ventajas de las formas romas del cuerpo para el control de la calefacción de reentrada no se entendieron dando alas rectas con bordes afilados.

La posibilidad de un diseño delta solo se estaba desarrollando aproximadamente al mismo tiempo , y es posible que el equipo de diseño de Silvervogel no haya tenido acceso al trabajo aerodinámico detrás de ellos, o que no haya visto una necesidad: las proporciones del diseño probablemente se basaron en trabajo de ingeniería para altitudes muy altas. aviones convencionales

Lo extraño es hacer un modelo en 1969 cuando la reentrada y las alas delta se entendieron con los aviones espaciales propuestos por Von Braun a principios de los años 50 y Dynasoar en 1965 fuente

Usando formas conocidas.

La especulación sin fuente es que se trata de un modelo Silvervogel mucho más antiguo utilizado como parte de una colección más grande de diseños de aviones espaciales por el Dr. Faget en 1969, o que se construyó en 1969 como un proyecto de "qué tan bien habría funcionado" por interés personal. Tenga en cuenta que el modelo es de madera y papel dopado, por lo que es completamente inútil para trabajos serios en túneles de viento supersónicos o hipersónicos, y parece tener un peso en la nariz para planear en vuelo libre.