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Ready to Sep,… Sep! Mi Experiencia en el Programa Hipersónico de NASA

El siguiente artículo describe el camino que me llevó a trabajar en el exitoso programa de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) denominado Hyper-X y la historia previa a él. Lo que a continuación narro va especialmente destinado y dedicado a los futuros ingenieros e ingenieras, médicos y médicas, maestros y maestras y jóvenes en general que lo lean para que no desesperen en sus empeños y persigan con tenacidad su sueños.

La búsqueda de trabajo

En diciembre del 2001, después de un año trabajando en Estados Unidos en la certificación con la Federal Aviation Administration (FAA) del primer autogiro propulsado con turbohélice, las condiciones laborales se habían deteriorado tanto que me vi obligado a explorar otras oportunidades de trabajo. El ataque a las Torres Gemelas en New York tres meses antes había cortado el flujo de inversión en Groen Brothers Aviation, Inc. (GBA) y, aunque seguían contando conmigo aún después de haber reducido sustancialmente la plantilla, la precariedad de la situación y la cancelación del programa fueron motivos suficientes para justificar mi decisión. La crisis en GBA también hizo que perdiera el seguro médico; por entonces mi primer hijo tenía tan solo 4 meses.

En octubre de ese mismo año GBA me había trasladado desde Utah a Arizona para el comienzo de la fase de ensayos de vuelo; sin estar totalmente asentados en el nuevo apartamento nuestro grupo de amigos se reducía a unos pocos ingenieros que en la gran mayoría estaban preparando el camino de retorno a sus puntos de origen, después de haber sido sometidos al expediente de reducción de empleo. Aunque no fueron momentos precisamente dulces en mi vida, recuerdo los primeros encuentros con la geografía del Desierto de Sonora conduciendo al Aeropuerto de Buckeye sobrecogido por el paraje de una belleza tan espectacular.

Durante la búsqueda de trabajo y gracias al Arizona Republic, el periódico de mayor tirada de Phoenix, supe que iba a tener lugar una Feria del Trabajo en la que estarían presentes empresas del sector aeroespacial como Boeing, Honeywell, Raytheon y General Dynamics, entre otras. Cuando ese jueves conduje hasta Phoenix después de acabar mi jornada de trabajo en GBA sólo pude comprobar que ninguna de ellas buscaba ingenieros con un perfil que se ajustase al mío. Por suerte Orbital Sciences Corporation, la empresa que en 1997 fue encargada de poner el primer satélite español (Hispasat) en órbita, mostraba un cartel en el que buscaba ingenieros especializados en Aerodinámica y Aerotermodinámica con el objetivo de reforzar su participación en el programa Hyper-X de NASA.

Mis dos pasiones hasta entonces habían sido trabajar en la Aerodinámica de rotores y en la Aerodinámica y Aerotermodinámica hipersónicas (mi interés en esta última surgió durante mi colaboración en el Future European Space Transportation Investigation Programme (FESTIP) de la Agencia Espacial Europea -ESA). Esa tarde una vez más el futuro me depararía una sorpresa: la Aerodinámica de rotores que me había llevado tras el señuelo de Boeing resultaría en mi descubrimiento de Orbital Sciences Corporation y su relación con la Aerodinámica y Aerotermodinámica hipersónicas. Esa noche sólo pensaba en haber causado suficiente buena impresión como para recibir una invitación al proceso de entrevistas que realizaban en persona en sus instalaciones del Launch Systems Group (LSG) en Chandler (Arizona). Por lo demás mi plan de ataque seguía siendo el mismo: de día trabajaba en GBA y las tardes las dedicaba a la búsqueda de trabajo.

La Navidad del 2001 la pasamos en Wisconsin. La familia, entonces compuesta de tres miembros, había volado a Milwaukee días antes de la Noche Buena con el objetivo de presentar al nuevo miembro: Iván Bermúdez Weirick. El equivalente al Día de los Santos Inocentes se celebra en Estados Unidos el primero de abril (April Fool’s Day); ese día recibí un correo electrónico del Jefe de la Sección de Aerodinámica y Aerotermodinámica del Launch Systems Group (LSG) de Orbital Sciences Corporation en el que manifestaba su interés en entrevistarme una vez estuviese de vuelta en Arizona. El 8 de enero conducía mi Volkswagen Golf por la I10 con dirección a Chandler. Chandler está al otro lado de Phoenix, a más de 60 km de distancia de donde residía entonces; las ciudades en el Southwest americano (Lejano Oeste) se extienden millas y millas, y las casas se mezclan entre bosques de saguaros y ranchos de ganado.

El examen más largo que nunca he tenido fue el de Mecánica de Fluidos que se extendió durante dos días completos de 8 de la mañana a 6 de la tarde. El examen más duro que nunca he tenido fue mi entrevista con Orbital, una jornada repleta de cuestiones técnicas y profesionales. Aunque un poco exhausto marché con buen sabor de boca y más determinado que nunca, por lo que había aprendido ese día, a trabajar en Orbital Sciences Corporation. Una semana más tarde recibí una llamada del Departamento de Recursos Humanos con una oferta que me hacía miembro de uno de los grupos más competentes de ingenieros que nunca he conocido y trabajando en el programa de NASA denominado Hyper-X. Aunque seguía realizando entrevistas con otras empresas, después de consultar con mi esposa acepté la oferta y fue así como el 28 de Enero de 2002 me convertí en Senior Engineer del Launch Systems Group de Orbital Sciences Corporation.

Ni en el más remoto de mis sueños nunca pensé que me disponía a formar parte del histórico logro técnico en el que Orbital había sido seleccionada por NASA para ser miembro clave.

El camino a Hyper-X

El ramjet es la forma más simple de propulsión por chorro cinético: el motor es un simple tubo sin compresor ni turbina o cualquier otra parte móvil que comprime el aire gracias a la creación de una serie de ondas de choque. La velocidad límite de un vehículo con propulsión ramjet es aproximadamente Mach 6 por razones de temperatura. El supersonic ramjet o scramjet relaja ese límite en base al uso de la combustión supersónica.

A mediados de los 50 Weber y Mackay, investigadores del centro de NASA que hoy es conocido como Glenn Research Center (GRC), fueron los primeros en identificar los requisitos de diseño para construir un scramjet. En 1958 Fred Billing y G. L. Dugger del Applied Physics Laboratory (APL) de la Universidad Johns Hopkins fueron los primeros en ensayar motores de este tipo en túneles aerodinámicos.

El primer intento de construir una aeronave propulsada con scramjet ocurrió entre las décadas de los 50 y 60 en el programa llamado Aerospaceplane bajo el auspicio del US Air Force (USAF). Cambios de rumbo, pero principalmente problemas técnicos, hicieron que el Congreso americano suspendiera la inversión en 1964.

A finales de la década de los 60 el programa de NASA llamado Hypersonic Research Engine (HRE) emergió como la alternativa al Aerospaceplane para continuar con la investigación y el desarrollo de la propulsión hipersónica. La cancelación en 1968 del exitoso programa X-15 tras 199 vuelos, hizo que el HRE pasase de la fase de ensayo en vuelo a una fase de ensayo en túnel aerodinámico. Los resultados decepcionantes del HRE en túnel aerodinámico probaron la falta de madurez técnica para hacer posible este tipo de tecnología.

Es a principios de los 70 cuando investigadores del Langley Research Center (LaRC) de NASA comienzan a elaborar el concepto de airframe-integrated scramjet. Estos investigadores están convencidos de que el diseño de motor góndola del HRE no es viable y desarrollan un vehículo con motor scramjet integrado donde la compresión y la expansión tienen lugar con ayuda del fuselaje del vehículo.

El National Hypersonic Flight Research Facility (NHFRF) fue una propuesta conjunta a mediados de los 70 entre el USAF y NASA que padecería desde el principio de una falta de objetivos técnicos específicos y que consecuentemente resultaría en la propuesta de un vehículo complejo y costoso. El compromiso de NASA con el desarrollo del Shuttle y del USAF con nuevos aviones caza junto con la carencia de una necesidad urgente por velocidad fueron razones suficientes para que el NHFRF nunca ganara adeptos y fuera finalmente aprobado. Casi otra década pasaría antes de que otra propuesta para desarrollar el scramjet fuese presentada; esta sería mucho más ambiciosa pero con los mismos viejos defectos que el NHFRF.

El vehículo de etapa única propulsado por motor scramjet nunca perdió el apoyo: además de las ventajas para acceder al espacio, un vehículo de este tipo podría ser utilizado como medio de transporte de alta velocidad, aeronave de reconocimiento, o incluso avión de combate. Es por ello por lo que los militares americanos fueron quienes retomaron el interés en las posibilidades del scramjet. Estudios de la Air Force Aeronautical Systems Division en 1979, de la Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) in 1982 y de NASA in 1983 dieron como resultado que en 1986 el gobierno americano aprobara trabajos conjuntos del USAF y NASA para el denominado National Aerospace Plane (NASP). El NASP consistía en la investigación y desarrollo de una aeronave con motor scramjet integrado y cuyo reto último era construir dos aviones X-30 de experimentación, el segundo capaz de salir a órbita. Con el paso del tiempo, las inherentes e intratables dificultades técnicas del programa se hicieron patentes y en Octubre de 1994, tras ocho años de trabajo y un desembolso total de 2400 millones de dólares, el programa fue cancelado. Tal inversión de esfuerzo y dinero no resultaron en una solución viable y muchas de las preguntas relacionadas con scramjets y las tecnologías relacionadas con él persistirían.

El programa Hyper-X tendría sus raíces en el NASP y en la enorme cantidad de información que ese programa había generado.

El sueño hecho realidad

En 1996 NASA inicia el programa Hyper-X con el principal objetivo de demostrar y validar las tecnologías, técnicas experimentales, y herramientas y métodos de cálculo para el diseño y predicción de comportamiento de vehículos hipersónicos con motor scramjet integrado. Como segundo objetivo se marca la meta de registrar datos aerodinámicos en régimen hipersónico del vehículo de ensayo X-43A. Hyper-X fue ideado durante la época en la que NASA, bajo su administrador Daniel S. Goldin, se regía bajo el lema del más barato, mejor y más rápido; fue así como el programa se diseñó para ser de alto riesgo pero con posibilidades de un enorme avance técnico.

Como parte de la fase de ensayos de vuelo, NASA contrata a Orbital Sciences Corporation para que ésta proporcione la lanzadera cohete que permitirá poner al X-43A en las condiciones idóneas para realizar el experimento del scramjet. Para conseguir este propósito, Orbital Sciences Corporation desarrolla y construye un vehículo derivado de su lanzadera cohete Pegasus® en la que la segunda y tercera etapas, y la sección que transporta los satélites son sustituidas por el X-43A y una estructura de adaptación.

Para poner al X-43A en las condiciones de operación del scramjet, el nuevo vehículo, denominado Hyper-X Launch Vehicle (HXLV), es transportado bajo el ala de un bombardero B-52 y lanzado a 40000 pies de altura sobre el Océano Pacífico. Cinco segundos después de la separación de la madre nodriza, el motor cohete del HXLV se enciende y el vehículo inicia una maniobra de ascenso en régimen transónico a ángulos de ataque relativamente altos para después reducirlos a velocidades supersónicas y así mantenerse dentro de la atmósfera donde el scramjet debe operar. Para finalizar una segunda maniobra de ascenso en régimen ya hipersónico coloca al HXLV en las condiciones óptimas para separar el X-43A e iniciar el experimento.

La caracterización de la aerodinámica de esta compleja geometría que es el resultado de la combinación de la lanzadera Pegasus® y el X-43A están bajo mi responsabilidad y el equipo de ingenieros a los que lidero. Esta aerodinámica abarca los regímenes transónico, supersónico e hipersónico, y ángulos de ataque que van desde los positivos relativamente elevados a los negativos moderadamente bajos. Tarea crucial va a ser colaborar con los ingenieros de Guiado, Navegación y Control para mantener márgenes positivos de estabilidad y control durante todo el vuelo. Los retos más difíciles serán estudiar y evitar los efectos no lineales asociados con el desprendimiento y vertido de vórtices de las superficies de control del X-43A, la susceptibilidad a perturbaciones de balanceo y la posibilidad de interacciones con las ondas de choque supersónicas.

El primer vuelo el día 2 de Junio del 2001 resulta en la pérdida del vehículo antes de alcanzar Mach 1. Con las lecciones aprendidas de este fallo se llevan a cabo mejoras en el diseño y el 27 de marzo del 2004 y posteriormente el 16 de noviembre del 2005 NASA entra en la historia al conseguir empuje positivo de su X-43A tras ser puesto por el HXLV a Mach 7 y Mach 10, respectivamente. NASA entra también en el Libro Guinness de los Records en ambas ocasiones y deja el record del vehículo propulsado con motor atmosférico más rápido del mundo en cerca de 11600 km/h. La lista de logros técnicos es interminable e impresionante. Tras más de 50 años de desarrollo, plagados de adversidades y cambios de rumbo, el supersonic ramjet o scramjet pasa de la operación en las condiciones controladas de los túneles aerodinámicos a las reales en vuelo atmosférico. El resultado no puede ser más satisfactorio y el éxito más elogiado.

Mis recuerdos me llevan a los días de ambas misiones, sentado en la Sala de Control del Dryden Flight Research Center (DFRC) de NASA en la Base Aérea de Edwards en el Desierto del Mojave y escuchando por cada uno de los canales de mi audífono las orquestas perfectamente organizadas y sincronizadas que dirigen nuestro Jefe de Ingenieros y el Director de Control de la Misión. Mirando a uno de los paneles de datos y a la pantalla que simula gráficamente las condiciones de vuelo del HXLV solamente pienso en alcanzar la etapa de separación en las condiciones acordadas para el éxito del experimento. Tras más de 100 segundos desde la ignición oigo cómo el Director de Control afronta el esperado momento: READY TO SEP… SEP!

 


Sobre el autor

Luis Miguel Bermúdez nació en Tiena (Granada), cursó estudios de Ingeniero Aeronáutico en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos de la Universidad Politécnica de Madrid y de Doctor en Tecnologías Industriales en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Carlos III de Madrid. En la actualidad reside en el norte de Virginia y trabaja como Senior Principal Engineer en el Advanced Programs Group (APG) de Orbital Sciences Corporation (www.orbital.com). Ha recibido tres galardones de NASA por las contribuciones al programa Hyper-X y en el 2008 Orbital Sciences Corporation le otorgó el más prestigioso galardón técnico que concede: el Outstanding Technical Achievement Award. En los últimos ocho años ha desempeñado funciones de líder técnico en Aerodinámica y Aerotermodinámica en los programas hipersónico y espacial tripulado de NASA Hyper-X y Orion, respectivamente. En la actualidad trabaja en el desarrollo de nuevas tecnologías de aerocaptura, aerofrenado y re-entrada en la atmósfera dentro del programa Rapid Eye de DARPA del Departamento de Defensa americano.