Experimento de vuelo de borde afilado

SHEFEX (Sharp Edge Flight Experiment) es un experimento llevado a cabo por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) para el desarrollo de nuevos principios de diseño más económicos y seguros para cápsulas espaciales , vehículos hipersónicos y aviones espaciales con capacidad de reentrada en la atmósfera, así como su integración en un sistema completo.

El DLR explicó los objetivos de SHEFEX: El objetivo de la investigación es un avión espacial que se pueda utilizar para experimentos en microgravedad a partir de 2020. ^{[ 1 ]} Está previsto que finalice con un proyecto de avión espacial llamado REX Freeflyer (REX por Experimento Retornable, en alemán : Rückkehrexperiment ). ^{[ 2 ]}

Durante la reentrada de las naves espaciales a la atmósfera terrestre, la alta velocidad de la nave, junto con la fricción y el desplazamiento de las moléculas de aire, produce temperaturas superiores a los 2000  °C. ^{[ 1 ]} Para evitar fallos catastróficos durante la reentrada debido al exceso de calor, las naves espaciales actuales dependen principalmente de materiales muy caros y, en ocasiones, frágiles para sus escudos térmicos.

La idea que da nombre al experimento de vuelo de bordes afilados de Hendrik Weihs, coordinador de tecnologías de retorno del DLR, es una forma completamente nueva para una nave espacial, concretamente con esquinas y bordes afilados en lugar de las formas redondeadas que se utilizan habitualmente en los vuelos espaciales actuales. Las formas planas tipo baldosa se pueden producir a un coste menor que las formas redondeadas altamente personalizadas. ^{[ 1 ]}

El Dr. Klaus Hannemann, jefe del departamento de naves espaciales del Instituto de Aerodinámica y Tecnología de Flujo del DLR en Gotinga, explica la ventaja fundamental de este concepto:

"Un transbordador espacial tiene más de 25.000 losetas de formas diferentes. La forma sencilla de las losetas Shefex debería reducir los costes de mantenimiento del sistema de protección térmica y permitiría una sustitución sencilla de las losetas en el espacio."

Además, el proyecto tiene como objetivo mejorar la aerodinámica. El director general del proyecto, Hendrik Weihs, declaró:

"La cápsula casi alcanza las características aerodinámicas de un transbordador espacial, pero es más pequeña y no necesita alas." ^{[ 3 ]}

Programáticamente, el DLR dijo:

A juzgar por la experiencia en el desarrollo de sistemas de protección térmica, los contornos exteriores curvos con altos requisitos de precisión se identificaron como un factor determinante del coste. Las grandes estructuras curvas de fibra cerámica requieren herramientas de producción sofisticadas, moldes auxiliares y una fabricación optimizada para cada componente. Por lo tanto, es posible reducir costes mediante la simplificación, teselando el contorno exterior con baldosas planas de pocas formas distintas. En principio, es posible producir diferentes baldosas planas a partir de una baldosa básica mediante el recorte. Esto también conlleva un ahorro significativo en el mantenimiento y la sustitución de baldosas dañadas. Sin embargo, surgen problemas debido a la dinámica de fluidos alrededor de los bordes y esquinas afilados, que generan temperaturas muy elevadas que deben controlarse mediante nuevas tecnologías, como los elementos de refrigeración activa. Los bordes afilados también presentan ventajas aerodinámicas, ya que reducen la resistencia en condiciones de vuelo hipersónico.

SHEFEX I fue el primer vehículo experimental del proyecto SHEFEX ^{[ 4 ]} y se lanzó el jueves 27 de octubre de 2005 desde el Campo de Lanzamiento de Cohetes de Andøya en Noruega . Shefex I alcanzó una altura de unos 200  km sobre el Mar del Norte . En 20 segundos, el vehículo reingresó a la atmósfera terrestre a casi siete veces la velocidad del sonido. Los datos medidos y las imágenes en vivo de la cámara a bordo se transmitieron directamente a la estación terrestre . Sin embargo, durante la activación del sistema de paracaídas se produjo un error que provocó la pérdida del sistema de paracaídas y, en consecuencia, la pérdida de la unidad de vuelo. Según el DLR, la evaluación de los datos proporcionó información importante, por lo que SHEFEX I pudo considerarse un gran éxito desde la perspectiva del DLR. Para el vuelo, se utilizó un cohete sonda VS-30 Orion, que constaba de una primera etapa brasileña VS-30 y un cohete HAWK como segunda etapa. El costo del proyecto de tres años fue de aproximadamente 4 millones de euros. Formaba parte del programa espacial de la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes (HGF) y del DLR.

Con SHEFEX II, se evaluaron nueve sistemas de protección térmica diferentes en la superficie facetada, principalmente cerámicas de fibra de última generación. Además, las empresas aeroespaciales EADS Astrium y MT Aerospace , así como Boeing, utilizaron parte de la superficie de SHEFEX II para sus propios experimentos. El vehículo estaba equipado con sensores para medir la presión, el flujo de calor y la temperatura en la punta.

El 22 de junio de 2012, el SHEFEX II fue lanzado desde la misma plataforma de lanzamiento, el Campo de Lanzamiento de Cohetes de Andøya en Noruega . Alcanzó una altura de aproximadamente 180 kilómetros y una velocidad de unos 11 000 kilómetros por hora (once veces la velocidad del sonido). El cohete utilizado fue el brasileño VS-40 . Durante su reentrada, el SHEFEX II soportó temperaturas superiores a los 2500  °C, mientras enviaba datos de sus 300 sensores a la estación terrestre.

SHEFEX III es un pequeño vehículo similar a un avión espacial . Se espera que vuele aún más rápido y permanezca en el aire durante 15 minutos, mucho más que los dos experimentos anteriores. ^{[ 5 ]} Su lanzamiento está previsto para la década de 2020 en un cohete VLM brasileño . ^{[ 6 ]}

El REX-Free Flyer se concibe como una primera aplicación de la experiencia adquirida en SHEFEX. Este sistema servirá como plataforma de vuelo libre para experimentos de microgravedad de alta calidad durante varios días. La posibilidad de retorno controlado y el diseño modular de las bandejas de experimentos, muy similares a las de los cohetes sonda , permitirán a los experimentadores acceder a sus experimentos de forma rápida y económica. ^{[ 7 ]}

• Sitio web de SHEFEX en DLR .