AERONAVE DE VUELO MIXTO AERODINÁMICO Y ESPACIAL Y PROCEDIMIENTO DE PILOTAJE ASOCIADO.

Aeronave que comprende un fuselaje, un ala (3), unos motores aeronáuticos (7) y unos propulsores de cohete (16,

17), en la que el ala es fija, esencialmente recta y alargada en la dirección lateral del fuselaje y con una envergadura mayor que la longitud del fuselaje, y una parte anterior (11) del fuselaje comprende una cabina, caracterizada porque unos depósitos de propelente (14, 15) están situados en una parte posterior (13) del fuselaje (1) y el ala (3) está situada sobre dicha parte posterior.

Aeronave de vuelo mixto aerodinámico y espacial y procedimiento de pilotaje asociado.

El objeto de esta invención es una aeronave de vuelo mixto aerodinámico y espacial, así como su procedimiento de pilotaje asociado.

El campo técnico de la invención es el de los aviones espaciales, es decir de los vehículos que pueden despegar desde el suelo como los aviones, ir hasta el espacio y volver aterrizando en la Tierra también como los aviones. Estos vehículos deben poder llevar una carga útil y ofrecer unas condiciones de seguridad adecuadas para los vuelos habitados, del mismo modo que los aviones clásicos, y deben en particular ser reutilizables, a diferencia de los cohetes, que se consumen durante el lanzamiento al final del vuelo. El término de espacio se puede entender de acuerdo con la terminología de la Federación Internacional de Aeronáutica, que designa todo el espacio designado fuera de la atmósfera de la Tierra, por convención por encima de cien kilómetros de altitud. También se puede considerar como el espacio en el que la atmósfera está demasiado enrarecida como para permitir el vuelo de los aviones clásicos.

Se puede distinguir entre los aviones orbitales, que son capaces de alcanzar la velocidad orbital a una altitud dada (del orden de 7, 5 km/s a 200 km de altitud) , y los aviones suborbitales, que no pueden hacerlo. Los aviones orbitales se pueden convertir en satélites permaneciendo un tiempo casi indefinido en órbita tras la fase de propulsión, mientras que los aviones suborbitales siguen una trayectoria que los devuelve a la Tierra cuando su fase de propulsión ha terminado, al cabo de un tiempo limitado, del orden de una hora y media, o menos. Los aviones orbitales se distinguen de los suborbitales sobre todo por la cantidad de energía que deben llevar para alcanzar la velocidad orbital y por el diseño particular que se les da para que resistan el calentamiento mucho mayor que experimentan al volver a la atmósfera. La presente invención se refiere, en primer lugar, a los aviones suborbitales, pero no de manera exclusiva ya que se podría aplicar a aviones orbitales con unas modificaciones cuantitativas o secundarias, y también puede transportar como carga útil un vehículo capaz que puede realizar el vuelo orbital.

Al contrario que los cohetes que ya son objeto de grandes desarrollos industriales, los aviones espaciales todavía están muy poco extendidos y muchos de ellos no existen más que en el estado de proyecto. Un primer ejemplo es el transbordador americano que, no obstante, no es un avión espacial puro, sino una lanzadera mixta de dos fases, que despega como un cohete y del cual solo la segunda fase, que se desprende tras la etapa de despegue, es un planeador espacial. Este planeador espacial presenta la doble ventaja, buscada por la invención, de poder reutilizarse y aterrizar en la Tierra del mismo modo que un planeador supersónico, por lo tanto a gran velocidad y sin poder corregir ningún error; pero la primera fase sigue teniendo los inconvenientes del cohete, de los cuales los principales son el uso único y el gran consumo de propelente para liberarse de la proximidad de la atmósfera.

Un segundo ejemplo de avión espacial lo ha diseñado la empresa Scaled Composite; este también es de dos fases. Un primer avión de vuelo aerodinámico arrastra a otro hasta los 15 km de altitud y lo suelta. El segundo avión tiene un motor de cohete anaerobio, capaz de llevar la carga útil hasta 100 km de altitud. Esta segunda fase aterriza como la del transbordador.

Un tercer ejemplo, bastante más antiguo, es el prototipo americano X15, que se soltaba desde un avión portador y podía alcanzar una altitud superior a 100 km.

Se han descrito otros vehículos espaciales en la página web http://www.spacefuture.com/vehicles/designs.shtml, pero estos vehículos no se han construido ni se han puesto en marcha. Algunos despegan verticalmente, pero su modo de propulsión sigue siendo tan caro como el de un cohete, o están asociados a un cohete que les sirve de primera fase, como el transbordador espacial americano.

Los documentos EP 0 264 030, GB 2 362 145, WO 98/30 449, WO 01/64513, US 6 119 985, US 6 745 979, US 2005/0279889, US 6 193 187, FR 1 409 520, WO 98/39207 y US 3 104 079 ilustran respectivamente una lanzadera de dos fases; una lanzadera en la que la primera fase es un globo; un avión que arrastra a otro; una lanzadera cuya primera fase es una lanzadera de propulsión mixta para motores aeronáuticos y propulsores de cohete; un avión espacial que se abastece de oxígeno; tres aviones con una geometría variable; un avión clásico (de hélice en la realización representada) al que se han añadido unas toberas para la modificación de la orientación, que son unos motores auxiliares que no toman parte, en principio, en la propulsión; un avión espacial provisto de motores de aire y de motores de propulsión de cohete y que se pueden abastecer en vuelo; y una aeronave con ala delta propulsada mediante un cohete que luego se separa, la aeronave descendiendo en vuelo planeado.

La mayoría de los proyectos de aeronaves espaciales, y los únicos que han volado, son, por lo tanto, de fases múltiples. Este diseño parece más ventajoso ya que este permite una relación más interesante entre la masa útil y la masa en el despegue, que da la posibilidad de asociar una cantidad mayor de carburante a la carga útil y, por lo tanto, de propulsarla más lejos. Los inconvenientes son que la complejidad se ve muy aumentada y que la fase superior tiene unas reducidas posibilidades de desplazamiento. Las dos fases deben estar provistas de los mismos medios para determinadas funciones, como las toberas direccionales para ajustar su orientación, y también deben comprender unos medios de separación. La fase superior no se puede pilotar de forma eficaz para el retorno y debe retornar en vuelo planeado. Esto y la circunstancia de que los medios de lanzamiento pueden ser susceptibles de fallos hacen que el vuelo sea más arriesgado.

Algunas aeronaves han utilizado una propulsión mixta aerobia y anaerobia, para circular de manera sucesiva por la atmósfera densa y por el espacio. Esta idea se explota en la invención, no obstante de una manera más eficaz ya que los diseños anteriores no pueden, en general, superar el condicionante de las fases múltiples. La causa principal es una elección diferente de las alas, ya que a los presentes inventores les ha parecido que las alas que, de manera general, se han propuesto para estos diseños anteriores eran alas delta, cortas y con un gran flecha hacia atrás, bien adaptadas para los vuelos supersónicos, pero cuya sustentación es peor. El diseño de la invención utiliza, por el contrario, un ala recta y larga, con una pequeña flecha hacia atrás, para garantizar una buena sustentación en la atmósfera densa y hasta una gran altitud. Estas partes del viaje se llevan a cabo sin inconvenientes a velocidad subsónica. La propulsión del cohete no comienza hasta una altitud lo bastante elevada como para que el ala pueda soportar las fuerzas aerodinámicas. No es necesario, por lo tanto, adoptar una geometría variable para proteger el ala y reducir la resistencia replegándola contra el fuselaje.

Por el contrario, se prefiere un diseño rígido, más simple, más ligero, que necesita menos mantenimiento y que no es susceptible de avería.

De una manera general, se ha buscado optimizar el vuelo atmosférico en términos de consumo, de altitud y de masa; se ha adoptado el concepto de vuelo subsónico a gran altitud y esto ha permitido conseguir una optimización de la masa total y, en particular, de la propulsión de cohete, ya que menos masa para el vuelo atmosférico implica menos empuje y menos carburante para el vuelo de cohete, y de nuevo menos masa y menos carburante para el vuelo atmosférico: se ha podido obtener una aeronave bastante simple, ligera y economizadora de energía para llevar ella misma su propio carburante, sin una lanzadera auxiliar separada ni abastecimiento en vuelo, y apta para comenzar y acabar el vuelo del mismo modo que un avión clásico, con un pilotaje y una orientación horizontal. Hay que subrayar la ventaja de poder pilotar y dirigir la aeronave durante el vuelo de retorno, en comparación con los retornos en vuelo planeado, para mejorar la seguridad de los vuelos habitados. De este modo el avión podrá recorrer unas distancias significativas tras su retorno a la atmósfera y elegir la pista de aterrizaje. La velocidad final de vuelo será mucho más lenta que con un vehículo con alas delta diseñado para el vuelo supersónico.

Un objetivo... [Seguir leyendo]

1. Aeronave que comprende un fuselaje, un ala (3) , unos motores aeronáuticos (7) y unos propulsores de cohete (16, 17) , en la que el ala es fija, esencialmente recta y alargada en la dirección lateral del fuselaje y con una envergadura mayor que la longitud del fuselaje, y una parte anterior (11) del fuselaje comprende una cabina, caracterizada porque unos depósitos de propelente (14, 15) están situados en una parte posterior (13) del fuselaje (1) y el ala (3) está situada sobre dicha parte posterior.

2. Aeronave de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la envergadura del ala y la longitud del fuselaje están en una relación comprendida entre 1 y 2.

3. Aeronave de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la envergadura del ala y la longitud del fuselaje están en una relación comprendida entre 1 y 1, 4.

4. Aeronave de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque comprende una carga de ala compuesta de entre 2, 5 y 3, 3 metros cuadrados por tonelada.

5. Aeronave de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque tiene una masa en vacío comprendida entre el 40 % y el 60 % de la masa con carga.

6. Aeronave de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la aeronave comprende un estabilizador (4) situado sobre dicha parte anterior.

7. Aeronave de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque comprende un par de propulsores de cohete.

8. Aeronave de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque comprende un tren de aterrizaje (6) .

9. Aeronave de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque comprende unas toberas para la modificación de la orientación (19, 20, 21) , entre las que se encuentran unas toberas de control de balanceo situadas en los extremos de las alas y unas toberas de cabeceo y de guiñada situadas en la parte delantera del fuselaje.

10. Procedimiento de pilotaje de una aeronave que comprende un ala fija, esencialmente recta y alargada en la dirección lateral de un fuselaje de la aeronave, caracterizada porque esta comprende una primera etapa de vuelo aerodinámico a una velocidad subsónica comprendida entre Mach 0, 5 y Mach 0, 8 que hace uso de unos motores aeronáuticos sin abastecimiento en vuelo, una segunda etapa de vuelo de lanzamiento espacial que hace uso de unos propulsores de cohete tras haber ordenado un cambio de inclinación de la aeronave entre la primera etapa y la segunda etapa, una tercera etapa de caída situada con el fuselaje prácticamente perpendicular a la trayectoria y una cuarta etapa de vuelo aerodinámico de aterrizaje tras haber vuelto a colocar a la aeronave prácticamente en la dirección de la trayectoria entre la tercera etapa de vuelo y la cuarta etapa de vuelo.

11. Procedimiento de pilotaje de una aeronave de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizada porque la propulsión de cohete es de empuje variable.

12. Procedimiento de pilotaje de una aeronave de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, caracterizada porque la cuarta etapa se realiza en vuelo propulsado aerodinámico y subsónico.

13. Procedimiento de pilotaje de una aeronave de acuerdo con las reivindicaciones 10, 11 o 12, caracterizada porque el vuelo aerodinámico se continúa hasta una altitud de 12 km al menos.

14. Procedimiento de pilotaje de una aeronave de acuerdo con las reivindicaciones 10 a 13, caracterizada porque el vuelo aerodinámico se realiza a una velocidad subsónica comprendida entre Mach 0, 5 y Mach 0, 6.