El Skylon es un proyecto de avión espacial tipo lanzador orbital monoetapa ( Single Stage To Orbit o "TOSS"), desarrollado por la empresa British Reaction Engines Limited desde la década de 1990 e inspirado en el proyecto HOTOL lanzado en la década de 1980 . El corazón del Skylon es un nuevo motor de ciclo combinado, el motor SABRE , capaz de funcionar en dos modos diferentes. En la atmósfera (desde la pista de despegue hasta Mach 5), el motor extrae su oxígeno de la atmósfera (operación aeróbica). Más allá de Mach 5 y 26 kmaltitud, el motor funciona como un motor de cohete estándar de alto momento específico , utilizando oxígeno líquido a bordo con su combustible ( hidrógeno líquido ) para alcanzar la velocidad de la órbita a la órbita terrestre baja, a 300 kilómetros de altitud.
Un lanzador orbital de una sola etapa es un vehículo espacial capaz de alcanzar la órbita terrestre y la velocidad de la órbita sin tener que liberar una o más etapas de propulsión durante su ascenso. Se han estudiado varios proyectos de este tipo, incluidos HOTOL , DC-XA y X-33 . Para poder orbitar la Tierra, este tipo de nave espacial, si está impulsada por motores de cohetes convencionales, debe tener un índice de estructura, la relación entre la masa de su estructura acumulada y la carga útil en relación con la masa total, inferior al 10%. De hecho, un lanzador monoetapa conserva toda su estructura durante todo el vuelo, lo que por tanto representa un peso creciente con respecto a la masa total. La segunda dificultad en el diseño de máquina de una tal deriva de la necesidad de optimizar el funcionamiento de la propulsión de acuerdo con la densidad de la atmósfera circundante: en un lanzador convencional, este problema se resuelve por el uso de los motores de cohete. Con boquillas de tamaño diferente dependiendo de el escenario . Para lograr la construcción de un lanzador monoetapa, se han explorado varias vías, en particular el aligeramiento de la estructura, mediante el uso de materiales de baja densidad para los tanques, como composites a base de fibras de carbono o mediante el uso de propulsión aeróbica , que evita transporte de oxidantes para la primera fase de vuelo. De hecho, la propulsión de un lanzador tiene una eficiencia muy baja porque, para poder funcionar en el espacio, el cohete debe llevar su oxidante. Los mejores motores de cohetes que utilizan una combinación de hidrógeno y oxígeno líquido tienen un impulso específico de 450 segundos. Un turborreactor de avión, que extrae su oxidante de la atmósfera, en cambio tiene un impulso específico de entre 3.000 y 8.000 segundos, según el modelo.
El Skylon propone utilizar sucesivamente los dos modos de propulsión para mejorar la eficiencia global de sus propulsores, y así permitir aumentar la proporción asignada a la estructura y a la carga útil puesta en órbita. Un cohete de una sola etapa que usa la misma combinación de combustible toma más del 90% de su masa como combustible. Los responsables del proyecto Skylon indican un ratio en torno al 78%. El Skylon debe usar motores SABRE , quemando una mezcla de hidrógeno y oxígeno, capaces de operar en dos modos:
La relación combustible / masa total mucho más favorable permite que el Skylon esté equipado con los componentes que le permiten despegar como un avión, realizar la reentrada atmosférica sin desintegrarse, aterrizar como un planeador y llevar una carga útil. , empenajes, tren de aterrizaje, revestimiento térmico.
El motor Sabre ( Synergistic Air-Breathing Rocket Engine ) está en el corazón del proyecto. Este motor es un motor híbrido aeróbico y un motor de cohete . El motor está diseñado para funcionar con hidrógeno líquido a bordo y oxígeno del aire hasta que el Skylon alcance Mach 5 , luego debe usar oxígeno líquido a bordo en la última fase del ascenso a la órbita. Durante la fase aeróbica, utiliza un máximo de componentes de motor cohete: para ello debe aumentar la presión del aire en la entrada de la cámara de combustión para que alcance la de un motor cohete. Para ello utiliza una versión optimizada del concepto desarrollado para el motor LACE ( Liquid Air Cycle Engine ): el aire entrante pasa a través de un intercambiador de calor que utiliza hidrógeno líquido para enfriar el aire. A partir de ahí, una bomba puede aumentar la presión del aire al valor deseado. Para lograr el rendimiento deseado, se utiliza un circuito en el que circula helio para enfriar el aire entrante.
El diseño del Skylon se inspira en parte en el del SR-71 Blackbird , un avión de reconocimiento supersónico estadounidense. El SR-71 es el único avión que ha logrado un rendimiento de vuelo (velocidad máxima Mach 3,2) comparable al objetivo de Skylon en la fase aeróbica (Mach 5,5). El tamaño del avión es imponente -84 m de largo y 6,5 m de diámetro- principalmente porque utiliza hidrógeno como fuente de energía, un combustible de muy baja densidad (70,973 kg / m 3 ).
La estructura interna de la aeronave estaría construida con plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP - plástico reforzado con fibra de carbono ), con tanques de combustible de aluminio . Para resistir el choque térmico durante la reentrada atmosférica , el fuselaje estará cubierto con un material de fibra cerámica , de medio milímetro de espesor, con una estructura corrugada, como en el SR-71, para permitir la expansión térmica. Este original diseño, para un revestimiento térmico destinado a proteger la aeronave del calor generado por la reentrada atmosférica, es posible gracias a la presencia de los grandes tanques de hidrógeno, que luego serán más ligeros que el aire en esta etapa, y aligerarán entonces sustancialmente peso de la aeronave.
La carga útil se instala en el medio del fuselaje al nivel de las alas. El compartimento de carga tiene 4,8 metros de ancho, unos 3 metros de alto y 13 metros de largo. Dos puertas se abren en la parte superior del fuselaje para permitir la instalación de la carga útil y su puesta en órbita. Skylon puede maniobrar en órbita utilizando dos motores SOMA diseñados por Airbus Defence and Space . Este motor quema una mezcla de oxígeno líquido / hidrógeno líquido y produce un empuje de 40 kN . Estos motores son en cierto modo los equivalentes del sistema RCS que equipó al transbordador espacial estadounidense . Una sola turbina impulsa tanto el turbo a oxígeno como a hidrógeno suministrando dos cámaras de combustión con una presión de 90 bares . La masa del motor es de 102,5 kg y la relación de la sección de la tobera es de 285. Skylon tiene una capacidad de maniobra de 100 m / s ( delta-V ) fuera de maniobra para efectuar su reentrada atmosférica. La masa de los propulsores transportados con este fin debe restarse de la carga útil a razón de 16 kg por m / s (por lo tanto, un máximo de 1,6 toneladas).
La arquitectura del Skylon es más complicada que la del HOTOL, pero resuelve los problemas de centrado: la bodega, los motores, el combustible, el fuselaje tienen el mismo centro de gravedad . Por lo tanto, es más fácil imaginar cambios en los motores y cargas mientras se retiene el resto del vehículo.
Las especificaciones anunciadas en 2014 son las siguientes:
El Skylon despega horizontalmente como un avión convencional, utilizando sus motores como turborreactores . Su velocidad de despegue es de 558 km / h . El avión espacial asciende a una altitud de 28 km , alcanzando una velocidad de Mach 5 (aproximadamente 1,5 km / s ). A esta altitud, los motores cambian su configuración para funcionar como motores de cohetes. Luego, el Skylon acelera hasta alcanzar una velocidad orbital (aproximadamente 7,7 km / s ). Hacia el final del vuelo propulsado, el empuje del motor se reduce para no superar una aceleración de 3 g . Después de detener los motores, el avión espacial vacía sus tanques principales de propulsores residuales. La órbita se circulariza mediante motores SOMA. A continuación, se abren las puertas del compartimento de carga para el despliegue de la carga útil . Una vez finalizadas las operaciones con la carga útil, se cierran las puertas del compartimento de carga. Los motores SOMA se encienden para reducir la velocidad orbital y desencadenar la reentrada atmosférica, que comienza a una altitud de 120 km . Durante el reingreso, el vehículo puede cambiar su ángulo de ataque para controlar la temperatura y optimizar su trayectoria. Finalmente, al acercarse al suelo, el Skylon se comporta como un planeador y aterriza tras una aproximación similar a la del transbordador espacial estadounidense.
El Skylon está diseñado para transportar hasta 15 toneladas de carga útil (para la versión D1) en órbita ecuatorial baja, o más de 10 toneladas a la Estación Espacial Internacional . Entre otras cosas, podrá transportar hasta 24 pasajeros en el espacio. El Skylon podría ser completamente reutilizable 200 veces o más. En comparación, durante los 30 años de servicio operativo del transbordador espacial estadounidense Discovery , cuál de los cinco orbitadores que ha realizado más misiones, realizó solo 39 vuelos.
A diferencia de otros proyectos comparables, Skylon está destinado a ser gestionado por empresas comerciales en lugar de agencias espaciales gubernamentales, lo que da como resultado una situación similar a una aeronave normal con solo una escala de dos días entre vuelos, en lugar de varias semanas, como fue el caso del avión. transbordador espacial. Operar sobre una base comercial también podría reducir el precio de lanzamiento de un satélite de 2-3 toneladas a $ 10 millones para todos los productos básicos. Por último, el costo de un asiento de pasajero podría bajar sin costo "solo" 100 000 $ , abriendo el turismo espacial. Reaction Engines prevé que para el 2025 podría haber varias compañías operativas que utilicen los Skylons, con "aeropuertos" ecuatoriales en el espacio construidos específicamente para acomodar la aeronave.
El proyecto Skylon fue desarrollado por el ingeniero Alan Bond , creador de un anterior proyecto de avión hipersónico llamado HOTOL , desarrollado en la década de 1980 pero cuya financiación por parte del gobierno británico se detuvo en 1988 . Bond creó entonces la empresa británica Reaction Engines Limited para continuar con el desarrollo de su proyecto. Las características de éste se modifican en gran medida, y la máquina resultante pasa a llamarse "Skylon" en referencia a una torre erigida en 1951 en Londres durante un festival británico. En 1997 , el proyecto Skylon fue estudiado por la Agencia Espacial Europea (ESA) como parte de su programa FESTP (Future European Space Transport Project). Reaction Engines intentó recientemente establecer un consorcio de empresas aeroespaciales para financiar el proyecto Skylon. Enjunio 2013, el gobierno del Reino Unido ha asignado un presupuesto de 60 millones de libras esterlinas para la construcción de un prototipo.
Reaction Engines Limited también desarrolla en el programa LAPCAT (financiado en parte por la Unión Europea ), el motor SCIMITAR (in) (con tecnología similar a SABRE) para su proyecto de avión hipersónico A2 .
El éxito de Skylon se basa en la capacidad de desarrollar un motor capaz de funcionar de forma fiable y con buen rendimiento tanto en modo aeróbico como anaeróbico.
El progreso de una misión se basa en varios supuestos de rendimiento presentados por Skylon:
⇒ Delta V total: 8 km / s
Pero...
A diferencia de los lanzadores, los tanques no juegan un papel estructural. Skylon debe respetar un límite de masa en vacío (alrededor de 50 toneladas), mientras que el tamaño de la aeronave es imponente e incluye un revestimiento térmico, doble pared, varios apéndices (alas, avión canard, alerón) y tren de aterrizaje, etc.
El Skylon es un avión que implementa técnicas complejas que repercuten en los costes de fabricación y mantenimiento. Al igual que el transbordador espacial estadounidense parcialmente reutilizable, los costos iniciales de mantenimiento y fabricación podrían hacer que su uso sea poco atractivo desde un punto de vista económico frente al objetivo deseado.