British Aerospace HOTOL

Las ideas detrás de HOTOL se originaron a partir del trabajo realizado por el ingeniero británico Alan Bond en el campo de los motores a reacción preenfriados. Bond había realizado esta investigación específicamente con la intención de producir un motor viable para impulsar un sistema de lanzamiento espacial . ^{[ 1 ]} En 1982, British Aerospace (BAe), que era el principal constructor de satélites de Europa , comenzó a estudiar un posible nuevo sistema de lanzamiento con el objetivo de proporcionar costos de lanzamiento que fueran el 20 por ciento del transbordador espacial estadounidense operado por la NASA . ^{[ 2 ]} BAe tuvo conocimiento del trabajo del fabricante británico de motores Rolls-Royce en un motor adecuado, y pronto concibió un avión espacial alado de una sola etapa a órbita (SSTO) no tripulado y totalmente reutilizable como vehículo de lanzamiento. ^{[ 2 ]}

Así, el proyecto pronto se convirtió en una empresa conjunta entre BAe y Rolls-Royce, liderada por John Scott-Scott y Bob Parkinson . ^{[ 2 ]} Desde el principio, existía la ambición de «europeizar» el proyecto e involucrar a otras naciones en su desarrollo y fabricación, ya que se reconoció que se necesitarían aproximadamente 4 mil millones de libras esterlinas para financiar el desarrollo a gran escala. ^{[ 2 ]} En agosto de 1984, BAe presentó una exhibición pública del proyecto del lanzador de satélites HOTOL y publicó detalles sobre sus operaciones propuestas. ^{[ 3 ]}

En diciembre de 1984, un memorándum del Departamento de Comercio e Industria (DTI) señaló que Alemania Occidental estaba interesada en el programa, mientras que Francia había adoptado una actitud crítica hacia HOTOL, lo que el ministerio consideró que se debía posiblemente a que se le veía como un competidor de los proyectos liderados por Francia. Según el Ministro de Comercio e Industria, Geoffrey Pattie , la presión diplomática francesa para obtener apoyo para su propio vehículo espacial Hermes había generado inadvertidamente apoyo e interés entre los miembros de la Agencia Espacial Europea (ESA) en el proyecto HOTOL. ^{[ 3 ]} A pesar de este clima de interés tentativo y posible apoyo europeo, existía una actitud general de reticencia dentro del gobierno británico a tomar el liderazgo en un nuevo lanzador espacial. ^{[ 3 ]}

En marzo de 1985, se afirmó que Rolls-Royce estaba en proceso de llevar a cabo conversaciones de licencia para la tecnología del motor HOTOL con la empresa de propulsión estadounidense Rocketdyne . ^{[ 3 ]} En abril de 1985, Pattie escribió al Secretario de Estado de Defensa, Michael Heseltine, para proponer que se realizara un estudio de prueba de concepto de dos años y 3 millones de libras esterlinas bajo un acuerdo de asociación público-privada , que consistía en 1 millón de libras esterlinas aportadas por el gobierno del Reino Unido y el resto financiado por Rolls-Royce y BAe. Pattie argumentó que el proyecto serviría a la "capacidad estratégica" de Gran Bretaña y que las pruebas de tecnologías clave podrían fomentar la colaboración internacional. ^{[ 3 ]} Según la publicación aeroespacial Flight International , el apoyo del Ministerio de Defensa (MoD) era fundamental ya que el diseño del motor de HOTOL había sido clasificado. ^{[ 3 ] [ 2 ]}

En julio de 1985, el director técnico de Rolls-Royce, Gordon Lewis, declaró que la empresa buscaba la participación del grupo de propulsión del Royal Aircraft Establishment (RAE) y que Rolls-Royce no estaba dispuesta a invertir sus propios fondos en el desarrollo del motor para HOTOL. ^{[ 3 ]} Para la segunda mitad de 1985, se había iniciado el trabajo en el estudio de concepto de prueba de dos años. ^{[ 3 ]} Desde el principio, hubo una presión considerable para demostrar la viabilidad y credibilidad del proyecto antes de que la ESA tomara las decisiones finales sobre el Hermes y lo que se convertiría en el sistema de lanzamiento Ariane 5 , por lo que el trabajo se concentró en la validación de las tecnologías críticas involucradas. ^{[ 2 ]}

En noviembre de 1985, las conversaciones entre DTI y RAE indicaron que Rolls-Royce buscaba datos estadounidenses sobre tecnología de estatorreactores para respaldar su trabajo en el motor, al que se refería con el nombre de Swallow . ^{[ 3 ]} Según se informa, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos estaba interesada en la tecnología utilizada en el motor Swallow para sus propios fines. ^{[ 2 ]} En noviembre de 1985, las conversaciones entre la primera ministra Margaret Thatcher , el ministro sin cartera David Young y el asesor científico del presidente estadounidense Ronald Reagan, George Keyworth, señalaron el interés estadounidense en colaborar en el desarrollo de vehículos hipersónicos como el HOTOL, y que un prototipo podría estar volando ya en 1990. ^{[ 3 ]}

Según los archivos del gobierno británico, ni BAe ni el Ministerio de Defensa estaban entusiasmados con la posibilidad de la participación estadounidense en el programa, expresando reticencia por creer que tal decisión podría convertir al Reino Unido en un miembro secundario en un proyecto que alguna vez lideró. ^{[ 3 ]} También se creía que si Gran Bretaña optaba por aliarse con Estados Unidos, quedaría excluida del trabajo en futuros lanzadores europeos. ^{[ 2 ]} Sin embargo, Rolls-Royce consideraba necesaria la cooperación transatlántica. ^{[ 3 ]} El jefe de negocios futuros de BAe, Peter Conchie, declaró que, de ser posible, HOTOL debería formar parte del marco espacial europeo. ^{[ 2 ]} A principios de 1986, el gobierno británico aprobó formalmente el estudio de dos años. ^{[ 3 ]}

En diciembre de 1984, el consultor de gestión de proyectos David Andrews publicó una crítica de ocho páginas del programa, señalando que el diseño estaba optimizado para el ascenso, pero que se exponía a cargas térmicas prolongadas durante el descenso debido a un bajo nivel de resistencia aerodinámica . También afirmó que el vehículo no ofrecía ninguna capacidad que no estuviera ya disponible; BAe respondió que las críticas formuladas habían sido respondidas. ^{[ 3 ]} En abril de 1985, el subdirector del departamento de investigación y desarrollo del Ministerio de Defensa, James Barnes, afirmó que el HOTOL carecía de justificación y que no existía ningún requisito de defensa para tales vehículos. También señaló que los "problemas de ingeniería son considerables" y que era improbable que entrara en servicio hasta la década de 2020; Barnes también observó que el motor del HOTOL era "ingenioso". ^{[ 3 ]}

En noviembre de 1985, la RAE emitió una evaluación de la propuesta de estudio de HOTOL; la organización consideró que el desarrollo de HOTOL tardaría hasta 20 años, en lugar del plazo de 12 años previsto por la industria. La RAE también estimó que el proyecto tendría un coste total de 5.000 millones de libras esterlinas (según su valor en 1985), de los cuales 750 millones se requerirían en una fase de definición de seis años y 25 millones en un estudio de viabilidad previo a la definición. ^{[ 3 ]}

Durante el desarrollo, se descubrió que el motor trasero, relativamente pesado, desplazaba el centro de masa del vehículo hacia atrás. Esto implicaba que el vehículo debía diseñarse para desplazar el centro de resistencia aerodinámica lo más atrás posible y así garantizar la estabilidad durante todo el vuelo. El rediseño del vehículo para lograr esto requirió una gran cantidad de sistemas hidráulicos, que representaban una proporción significativa de la carga útil y generaban incertidumbre económica. ^{[ 4 ]} En particular, algunos análisis parecían indicar que una tecnología similar aplicada a un sistema de cohetes puros ofrecería aproximadamente el mismo rendimiento a un menor costo.

Para 1989, el panorama para HOTOL se había vuelto sombrío. Desde el inicio del proyecto, el apoyo entre el gobierno británico y los socios industriales había sido desigual, mientras que Estados Unidos se había convertido en la única nación extranjera que mostró voluntad de contribuir al programa, ^{[ 3 ]} en parte debido al secretismo que lo rodeaba. Había pocas perspectivas de participación europea, ya que la ESA había optado por continuar con el desarrollo de lo que se convertiría en el Ariane 5 , un sistema de lanzamiento espacial convencional. ^{[ 3 ]} Rolls-Royce se retiró del proyecto, considerando que el mercado final para el motor probablemente no sería lo suficientemente grande como para recuperar los costos de desarrollo. ^{[ 5 ]} El gobierno británico se negó a ofrecer más financiación para HOTOL. El proyecto estaba casi al final de su fase de diseño conceptual, mientras que gran parte de los planes permanecían en un estado especulativo; según se informó, la nave aún sufría problemas aerodinámicos y desventajas operativas en ese momento.

BAe promovió en 1991 un rediseño más económico, denominado Interim HOTOL o HOTOL 2 , que se lanzaría desde la parte trasera de un avión de transporte Antonov An-225 modificado ; sin embargo, esta propuesta también fue rechazada. El diseño del Interim HOTOL prescindía del ciclo de motor de respiración de aire y, en su lugar, utilizaba una mezcla más convencional de LOX e hidrógeno líquido como combustible. ^{[ 6 ]}

En 1989, Alan Bond, cocreador de HOTOL, y los ingenieros John Scott-Scott y Richard Varvill fundaron Reaction Engines Limited (REL), que trabajó en un nuevo motor de respiración aérea, SABRE , que utilizaba diseños alternativos para sortear (y mejorar) las patentes de Rolls-Royce, y en el vehículo Skylon, concebido para resolver los problemas de HOTOL. Publicaron por primera vez estos conceptos de motor y nave espacial en 1993, ^{[ 7 ]} y continuaron desarrollando las tecnologías centrales, en particular el motor y su preenfriador con control de escarcha; inicialmente con el apoyo de financiación privada, pero posteriormente con el apoyo de la Agencia Espacial Europea , el Centro Espacial Nacional Británico , la Agencia Espacial del Reino Unido , BAe, ^{[ 8 ]} y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea . A partir de 2017REL tenía previsto demostrar en 2018 un preenfriador listo para el vuelo que funcionaría en condiciones de vuelo simuladas, y realizar pruebas estáticas de un núcleo de motor de demostración en 2020. REL entró en concurso de acreedores en 2024, cesando todas sus operaciones. Ni el SABRE (un motor funcional a escala real; no se contabilizan los prototipos parciales ni los componentes para pruebas) ni el Skylon llegaron a construirse.

HOTOL fue concebido como un avión espacial alado de una sola etapa a órbita (SSTO), no tripulado y totalmente reutilizable. La nave no tripulada estaba diseñada para colocar una carga útil de entre 7 y 8 toneladas en órbita, a 300  km de altitud. ^{[ 9 ]} Su objetivo era despegar desde una pista, montado sobre un gran carro propulsado por cohetes que ayudaría a la nave a alcanzar la "velocidad operativa". El motor debía cambiar de propulsión a chorro a propulsión de cohete pura a una  altitud de entre 26 y 32 km, momento en el que la nave viajaría a Mach 5 a 7. Tras alcanzar la órbita terrestre baja (LEO), HOTOL debía reingresar en la atmósfera y planear hasta aterrizar en una pista convencional (de aproximadamente 1500 metros como mínimo). Solo se transportaría una carga útil a la vez, ya que BAe consideró que esto era más económico, pues eliminaba la necesidad de interfaz con satélites y permitía adaptar las misiones a las necesidades individuales. ^{[ 9 ]}

Durante su fase de gran altitud, su sistema de control de vuelo habría estado conectado a estaciones terrestres y al sistema de navegación global espacial , mientras que el radar se habría utilizado durante las fases de despegue y aterrizaje. Además de colocar satélites en órbita geoestacionaria o LEO, también se proyectó que HOTOL podría recuperar satélites y hardware de LEO. ^{[ 9 ]} El material promocional de BAe muestra a HOTOL acoplándose a la Estación Espacial Internacional (ISS), una hazaña que, según la compañía, habría requerido operación tripulada, ya que los sistemas automatizados no eran capaces de realizar tales maniobras de acoplamiento en ese momento. ^{[ 9 ]} HOTOL fue diseñado para realizar vuelos no tripulados totalmente automatizados; sin embargo, se había previsto en una etapa posterior la posible reintroducción de un piloto. Las operaciones tripuladas habrían requerido la instalación de un módulo presurizado específico dentro de la bahía de carga útil. ^{[ 9 ]}

Según el diseño original, el HOTOL habría tenido 62 metros de largo, 12,8 metros de alto, un diámetro de fuselaje de 5,7 metros y una envergadura de 19,7 metros. ^{[ 9 ]}

El diseño final del vehículo (HOTOL-K) tenía una masa al despegue de 275 toneladas. Aproximadamente el 82 % de esa masa correspondía al propulsor, mientras que la estructura del vehículo representaba otro 16 %. Esto dejaba solo un 2 % (aproximadamente 5 toneladas) para la carga útil, lo que limitaba considerablemente el margen de maniobra para modificar la estructura básica del vehículo.

Presentaba un diseño de ala derivado del del Concorde ; su gran superficie resultaba en una carga alar relativamente baja, lo que habría dado lugar a temperaturas de reentrada más bajas (que nunca superaban los 1400  °C). ^{[ 9 ]} Construido con materiales compuestos de carbono , no habría sido necesario el uso de losetas aislantes similares a las que componían el sistema de protección térmica del Transbordador Espacial . El tren de aterrizaje, almacenado internamente, habría sido demasiado pequeño para soportar el peso del cohete completamente cargado de combustible, por lo que los aterrizajes de emergencia habrían requerido el vaciado del combustible. ^{[ 9 ]}

Prácticamente toda la parte delantera del fuselaje, delante de la bahía de carga útil, estaba compuesta por un único tanque de hidrógeno.

El HOTOL fue diseñado con una aleta vertical justo detrás de la nariz para brindar estabilidad lateral. Sin embargo, conversaciones posteriores con NPO Molniya sobre el Hotol provisional dejaron claro que la aleta se habría sobrecalentado durante la reentrada (debido a la interacción entre dos ondas de choque). Por consiguiente, el Hotol provisional volvió a utilizar una aleta de cola más convencional (aunque de mayor tamaño).

El RB545 , al que su fabricante, el fabricante británico de motores Rolls-Royce, denominó « Swallow », era un motor cohete de respiración atmosférica. ^{[ 3 ]} Habría funcionado como una planta motriz integrada de doble función, capaz de respirar aire mientras operaba dentro de la atmósfera y de operar de manera similar a un cohete una vez alcanzada la órbita terrestre baja (LEO). ^{[ 10 ]} Este motor también habría sido capaz de impulsar la nave espacial a velocidades hipersónicas . Fue un elemento crucial del programa, al que se le atribuyó públicamente «el corazón de los bajísimos costes de lanzamiento de Hotol». ^{[ 9 ]}

Los detalles exactos de este motor estaban protegidos por la Ley de Secretos Oficiales del Reino Unido; por consiguiente, existe relativamente poca información pública sobre su desarrollo y funcionamiento. Sin embargo, posteriormente se desclasificó material cuando la política gubernamental cambió para impedir que se mantuvieran patentes secretas sin una justificación atribuida. ^{[ 11 ] [ 5 ]}

Dentro de la atmósfera, el aire se tomaría a través de dos rampas de admisión montadas verticalmente , luego el flujo se dividiría, pasando la cantidad correcta a los preenfriadores y el exceso a los conductos de descarga. El hidrógeno de los tanques de combustible pasaría a través de dos intercambiadores de calor para preenfriar el aire antes de entrar en un ciclo de motor tipo turborreactor de alta relación de presión total ; el hidrógeno calentado impulsaría un compresor para comprimir y alimentar el aire enfriado al motor cohete, donde se combustionaría con parte del hidrógeno utilizado para enfriar el aire. La mayor parte del hidrógeno caliente restante se liberaría por la parte posterior del motor, y una pequeña cantidad se tomaría para recalentar el aire en los conductos de descarga en una configuración de estatorreactor para producir "arrastre de momento de admisión negativo". ^{[ a ]}

Para evitar que los preenfriadores se congelaran, el primer preenfriador enfriaba el aire a unos 10 grados por encima del punto de congelación para licuar el vapor de agua presente en él. A continuación, se inyectaba oxígeno líquido (LOX) en el flujo de aire para reducir la temperatura a −50 °C (−58 °F), congelando instantáneamente el agua en cristales de hielo microscópicos, lo suficientemente fríos como para que no se derritieran por calentamiento cinético al entrar en contacto con los elementos del segundo preenfriador. Se podía añadir una trampa de agua después del primer preenfriador si las condiciones de funcionamiento generaban un exceso de humedad. ^{[ 12 ]}  

Cuando ya no fuera posible utilizar la atmósfera para la combustión, el RB545 pasaría a utilizar LOX a bordo para quemar con el hidrógeno como un cohete de hidrógeno/oxígeno de alta eficiencia. ^{[ 3 ]}