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domingo, 11 de fevereiro de 2018

North American X-15: o avião mais veloz da história

Após a Segunda Guerra Mundial, os engenheiros aeronáuticos americanos começaram a fazer estudos a respeito do voo em alta velocidade. Ainda durante a guerra, os primeiros aviões a jato apareceram, as velocidades aumentavam e novos e inesperados problemas surgiram também.
X-15A-2, segunda aeronave de produção, depois da conversão para um modelo aperfeiçoado
Pela primeira vez, a Força Aérea do Exército dos Estados Unidos, depois Força Aérea dos Estados Unidos, criava uma aeronave puramente experimental, que não tinha fins operacionais e que visava essencialmente ao estudo de aerodinâmica e do comportamento de uma aeronave em voo em alta velocidade.
A primeira aeronave da série "X" foi o X-1, de 1947
Essa aeronave foi o Bell X-1, que, em 1947, foi o primeiro avião a voar acima da velocidade do som. O X-1 iniciou uma série de aeronaves experimentais, que permanece até os dias atuais, muitas delas não tripuladas, mas que deram considerável respaldo ao estudo da aerodinâmica e que renderam grandes conhecimentos não apenas para a aviação, mas também para as naves espaciais.

Além do X-1, outra aeronave da série X notável e famosa foi o North American X-15. Assim como o Bell X-1, o X-15 também foi um avião foguete.
X-15 em voo, foto tirada do NB-52 lançador
A gênese do X-15 começou com um estudo de conceito, do engenheiro e militar alemão Walter Dornberger, para uma aeronave hipersônica para a NACA - National Advisory Committee for Aeronautics, antecessora da NASA. Dornberger trabalhou no programa de mísseis alemães V-2, durante a Segunda Guerra Mundial, e foi recrutado pelos americanos quando a guerra acabou, assim como vários outros cientistas alemães daquele programa.
Lançamento de um X-15 de um NB-52
O Pentágono emitiu editais (RFP - Requests for Proposal) para a produção de uma aeronave hipersônica, em 30 de dezembro de 1954, para a célula e, em 4 de fevereiro de 1955, para o motor a foguete. Esses editais resultaram na seleção da North American Aviation para a fabricação da célula, e da Reaction Motors para a construção do motor.

Assim como em várias aeronaves da série X, o X-15 deveria ser lançado em voo por uma aeronave-mãe. Dois bombardeiros B-52 das primeiras séries foram convertidos para isso, um B-52A e um RB-52B, que após a conversão foram redenominados, respectivamente, NC-52A e NC-52B. Os X-15 eram transportados em um pod instalado embaixo da asa direita.

Os desafios do projeto eram muitos. Um dos principais problemas era o superaquecimento da estrutura devido à compressibilidade do ar e ao atrito. Outro problema sério era o controle de voo da aeronave em grandes altitudes, onde o ar muito rarefeito torna os controles aerodinâmicos quase inoperantes.
X-15A-2
Para vencer o problema da temperatura, a North American resolveu usar uma liga metálica denominada Inconel-X 750, constituída principalmente de níquel (70% da liga), cromo (14 a 17%), e outros metais como ferro, nióbio, cobalto, cobre e manganês. Essa liga mantém sua resistência mecânica inalterada a altas temperatura e foi usada para as partes da fuselagem mais sujeitas ao aquecimento.
Cockpit do S-15
A fuselagem era cilíndrica, mas tinha carenagens aerodinâmicas na traseira que achatavam a silhueta traseira da aeronave. As asas eram diminutas, e a empenagem era em formato de cruz, com a deriva e uma barbatana ventral em forma de cunha, que causavam enorme arrasto durante o voo em baixa altitude e maior densidade do ar. De fato, só o arrasto resultante do formato de cunha dessas superfícies era equivalente ao arrasto de um avião Lockheed F-104 inteiro.

Freios aerodinâmicos foram incorporados na seção traseira, abrindo-se lateralmente.

O trem de pouso era constituído de um trem de nariz escamoteável com duas rodas, e dois esquis retráteis na parte traseira. Não havia espaço disponível para um trem de pouso com rodas na traseira. Os freios eram inexistentes. A barbatana ventral da cauda devia ser descartada em voo antes do pouso, e caia de paraquedas, sendo resgatada depois.
O Boeing NB-52B, o principal lançador dos X-15
O controle de voo usava não apenas os controles aerodinâmicos, mas também foguetes direcionais, necessários nas altitudes mais altas, onde o ar extremamente rarefeito praticamente impossibilitava o uso das superfícies aerodinâmicas.
Foguetes de controle da aeronave em grande altitude
O RCS - Reaction Control System usava pequenos foguetes, que foram os primitivos antecessores dos atuais sistemas de controle dos veículos espaciais, além de alguns satélites e sondas. O RCS podia ser operado manualmente ou automaticamente, e era usado, normalmente, por apenas três minutos de voo do X-15, antes dos foguetes pararem de funcionar. O conjunto de foguetes direcionais era instalado no nariz do X-15.

A primeira configuração do cockpit usou um sistema de controle baseado em 3 manches: O manche central era um manche convencional, que operava as superfícies de controle, o da esquerda operava o sistema de controle dos foguetes direcionais (RCS) e o da direita era usado durante a brutal aceleração da aeronave, quando o motor era acendido, ajudando o piloto a manobrar durante essa condição. A carga G horizontal que o piloto sofria era muito grande, quando os motores eram ligados.
O piloto Bill Dana posa para uma foto ao lado do X-15
Os instrumentos de voo do X-15 eram apenas os essenciais para o voo, e totalmente convencionais, dando um aspecto simples ao cockpit, apesar do altíssimo desempenho da aeronave.

O X-15 usou um recurso extra para ajudar a estabilizar a aeronave, o SAS - Stability Augmentation System. Esse sistema, um tipo de piloto automático, operava as superfícies aerodinâmicas ajudando artificialmente o piloto a manter a atitude da aeronave.

O sistema de controle de três manches foi depois substituído por um de manche único, denominado MH-96, que combinava os controles aerodinâmicos e de foguetes automaticamente dependendo da eficácia de cada comando nas diferentes altitudes. Isso simplificou a operação para o piloto. O piloto também dispunha de uma manete de motor, dispositivo raro em motores a foguete, para poder fazer limitados ajustes de potência.
Lançamento do X-15
Para poder voar muito alto, o piloto usava um traje de voo pressurizado com nitrogênio, e respirava oxigênio através de um sistema à parte. Quando a aeronave voava acima de 35 mil pés, o cockpit era pressurizado, com nitrogênio e hélio, a 3,5 PSI, para limitar a inflação do traje na rarefeita atmosfera superior.

Um assento ejetável foi instalado, para preservar a segurança do piloto em caso de necessidade. O assento podia ser usado em velocidades de até Mach 4, e altitudes de até 120 mil pés. O assento possuía pequenas aletas removíveis, que o estabilizava até uma altitude segura de abertura do paraquedas. Os assentos ejetáveis do X-15 nunca foram usados na prática.
O X-15, pendurado na asa de um NB-52
A Reaction Motors forneceu os foguetes XLR-11, de 16.000 lbf de empuxo (71 kN) aperfeiçoados e com 10 mil lbf a mais que o mesmo motor usado no Bell X-1, em 1947, e que levou a aeronave ao voo supersônico, pela primeira vez na história. Os motores eram alimentados com etanol e oxigênio líquido.

Esses motores a foguete foram utilizados apenas nos primeiros 24 voos motorizados do X-15, e depois foram substituídos pelos novos foguetes XLR-99, fornecidos pela Reaction Motors a partir de novembro de 1960. Os XLR-99 consumiam amônia anidra e oxigênio líquido, e produziam, inicialmente, impressionantes 57.000 lbf de empuxo (250 kN), praticamente o mesmo produzido por um motor turbofan de um Boeing 747. Modelos posteriores do motor XLR-99 instalados no X-15 forneciam mais de 70 mil lbf de empuxo.
Motor XLR-99
A autonomia dos motores era muito baixa, em torno de 90 segundos. Após o esgotamento do combustível, a aeronave tornava-se um planador. Os foguetes direcionais usavam HTP, basicamente um mistura de alta concentração de peróxido de hidrogênio em água, como combustível. A autonomia aproximada desses foguetes era de, aproximadamente, 140 segundos.

Como motores a foguete não podem operar bombas e geradores para a aeronave, foi necessário prover o X-15 de um APU - Auxiliary Power Unit como fonte de potência para operar os sistemas do avião. Esse APU era alimentado com o mesmo HTP utilizado pelos foguetes direcionais. O HTP também era usado como combustível para operar as bombas de alta vazão de combustível do motor principal.
O X-15A-2 com tanques auxiliares
O X-15 ainda tinha tanques adicionais que levavam hélio e nitrogênio líquido, necessários para pressurizar a cabine e refrigerar alguns sistemas do avião.

Aerodinamicamente, o voo hipersônico apresentava, relativamente, poucos problemas além do já citado aquecimento superficial. As superfícies verticais da cauda eram enormes, e em forma de cunha, considerada pelos engenheiros como o melhor formato para as necessidades do voo. Essas superfícies em forma de cunha, no entanto, causavam enorme arrasto no voo em baixa altitude. O piloto devia ejetar a parte inferior antes de pousar, através de um comando para isso no cockpit.
Um NB-52 decola com um X-15
As aeronaves-mãe NB-52A e NB-52B levavam o X-15 à sua altitude lançamento de 40 mil pés em um pilone na asa direita, entre a fuselagem e os dois motores internos, e o X-15 era fixado ao pilone por 3 travas operadas hidraulicamente.  Normalmente, os  NB-52 decolavam de Edwards AFB e subiam em espiral, mantendo-se  perto do Lago Seco Rogers, no Deserto de Mojave, local previsto para o pouso, ou do Lago Seco Rosamond, o local de pouso alternativo.
Desenhos do três X-15
Isso era necessário devido pequeno alcance do X-15, mesmo em voo planado. A razão de planeio do X-15 era de, apenas, 4 para 1, e a razão de descida era, em consequência, estonteante. No voo planado, logo após o desligamento da nave-mãe, era de 12 mil pés por minuto. De grandes altitudes, era muito maior.

De fato, um voo inteiro de X-1 durava, no máximo, entre 10 a 12 minutos, já incluído o tempo de voo motorizado, de 85 a 90 segundos. A North American calculou a velocidade de pouso, inicialmente, em cerca de 200 Knots.

Os combustíveis e oxidantes gelados, nitrogênio e oxigênio líquidos, deviam ser fornecidos em voo ao X-15 pelo NB-52, pois são extremamente voláteis e escapam dos tanques continuamente por ebulição, através de tubos de ventilação.
Motor XLR-99. Ao lado, os tubos de ventilação dos tanques de combustível
O primeiro voo do X-15 ocorreu no dia 8 de junho de 1959.  O NB-52, levando o X-15, decolou pela manhã, e após subir para 37.550 pés, estabilizou na proa 140 na vertical do Lago Seco Rosamond. Tratava-se de um teste de voo planado, sem combustível a bordo. O piloto de provas da North American, Scott Crossfield, conduziu o X-15 nesse voo. O lançamento ocorreu às 08:38:40 horas, e o voo deveria durar cerca de 5 minutos apenas, até o pouso.

Dessa forma, o veterano Crossfield teve bem pouco tempo para aprender a lidar com o X-15. Algumas panes afetaram o APU, e o sistema SAS não estava funcionando no modo pitch (arfagem), tornando os comandos extremamente sensíveis. Durante o voo, e ainda alto, testou as qualidades de voo com os flaps abaixados, recolheu novamente, até pouco antes do pouso, quando baixou os flaps para tocar na superfície salgada do Lago Seco Rogers, a 145 Knots.
Bill Dana no X-15-2
A North American executou vários testes de planeio a partir de junho de 1959, e fez voar o primeiro voo motorizado em 17 de setembro de 1959. 23 voos motorizados se seguiram até que o primeiro teste com o novo motor XLR-99 foi executado, em 15 de novembro de 1959. Todos esses voos foram conduzidos pelo piloto Scott Crossfield.

A North American construiu três células do X-15, as quais fizeram um total de 199 voos. Doze pilotos de teste voaram a aeronave: Scott Crossfield, Joe Engle, Bob Rushworth, Neil Armstrong, Pete Knight, Mitt Thompson, John McKay, Joseph Walker, Michael J. Adams, Bill Dana, Forrest S. Petersen e Robert M. White. O piloto que mais voou o X-15 foi Robert Rushworth, 34 vezes.

Os voos do X-15 bateram vários recordes, muitos dos quais ainda não foram superador, até fevereiro de 2018, data desse artigo, como os de velocidade, para aeronaves de asas fixas.

Na verdade, 13 voos do X-15 superaram 50 milhas (cerca de 80 Km) de altitude, ou 264 mil pés, considerado como a fronteira entre a atmosfera e o espaço pela Força Aérea dos Estados Unidos. Dois desses voos superaram 100 Km, 328 mil pés, limite entre a atmosfera e o espaço considerado pela Federação Aeronáutica Internacional. Os pilotos que voaram acima de 80 Km receberam, em consequência, suas Asas de Astronautas.
Os restos do acidente do X-15-1
Em 15 de novembro de 1967, aconteceu o único acidente fatal com o X-15: O major Michael J. Adams pilotava o X-15-3, durante a missão 191, quando perdeu o controle da aeronave, que começou a girar violentamente enquanto descia. As forças G disso resultantes, 15 G na vertical e 8 G lateralmente, acabaram por desintegrar o avião a 60 mil pés de altitude, e os destroços foram espalhados por 139 Km quadrados. Adams não teve a menor chance de usar o assento ejetável.
X-15-2 acidentado no pouso, em 1959
Houve vários acidentes ou incidentes no pouso, desde 5 de novembro de 1959, quando Scott Crossfield pousou em emergência em Rosamond com combustível a bordo, devido a um princípio de incêndio no motor foguete. Estando muito pesado, o X-15-2 teve sua fuselagem quebrada, mas Crossfield nada sofreu, e três meses depois o avião já tinha sido reconstruído.
O grave acidente com o X-15-2, em 1962
O X-15-2 sofreu outro grave acidente no pouso, no Lago Seco Mud, em 9 de novembro de 1962, mas o piloto,  John McKay, embora ferido, salvou-se. McKey resolveu pousar em emergência após sofrer queda de empuxo durante o voo. A aeronave tocou no lago Mud com muito combustível ainda a bordo, e o excesso de peso causou o colapso de um dos esquis, fazendo a aeronave capotar, ficando gravemente danificada, e ficou muito tempo fora de serviço. Todavia, a aeronave foi reconstruída pela North American com várias melhorias, tornando-se um novo modelo, o X-15A-2, voltando ao voo em 28 de junho de 1964.
O X-15A-2, com tanques auxiliares
O X-15A-2 teve várias melhorias em relação à aeronave original, com um acréscimo de  73 cm no comprimento, um novo revestimento resistente ao calor, dois tanques auxiliares de combustível, além de outras melhorias menores.

Em 22 de agosto de 1963, o piloto Joseph Walker estabeleceu o recorde de altitude do programa, ao atingir 353,7 mil pés. Até hoje (fevereiro de 2018), tal marca permaneceu como o recorde de altitude até outubro de 2004, quando foi superado pelo SpaceShip One, que alcançou 367 mil pés, isso, se considerarmos o SpaceShip One com um avião, e não como nave espacial. Todavia, o X-15 poderia ter ido acima de 400 mil pés, mas isso foi evitado para evitar perigosas temperaturas de reentrada na atmosfera.
Pouso do X-15 no Lago Seco Rogers
Em 3 de outubro de 1967, o X-15A-2 bateu o recorde de velocidade para aviões, 3.928 Knots, ou 7.274 Km/h, aproximadamente Mach 6,7. Esse recorde se mantém até hoje para qualquer avião tripulado, mesmo tendo se passado mais de 50 anos desde que foi batido. O piloto foi Willian "Pete" Knight, da USAF. A aeronave, no entanto, sofreu danos estruturais durante esse voo, e sua pintura foi severamente danificada pelo calor, ficando carbonizada. Os reparos foram considerados antieconômicos, e não foram realizados. O avião foi armazenado e nunca mais voou.
Joseph Walker e o X-15
O X-15-1 realizou o último voo, nº 199, no dia 24 de outubro de 1968. Um 200º voo foi programado, mas foi sucessivamente adiado, e por fim foi canceladom junto com o programa inteiro, em 20 de dezembro de 1968. O X-15-1 foi removido do NB-52 e colocado em armazenamento, para nunca mais voar novamente.

As experiências feitas pela NASA com o X-15 mostraram-se extremamente úteis para o programa espacial americano, sendo aproveitadas nos programas Mercury, Gemini, Apollo e Space Shuttle. Tanto os dois X-15 sobreviventes quanto os dois NB-52 lançadores foram preservados. Abaixo, segue uma lista das cinco aeronaves utilizadas pelo programa, e o destino de cada uma.

AERONAVES UTILIZADAS NO PROGRAMA X-15 (1959-1968):

North American X-15-1: USAF #56-6670: Executou os primeiros voos (planado e motorizado) do X-15, e mais 82 voos motorizados. Primeiro voo em 08/06/1959. Fez também o último voo, em 24/10/1968. Foi preservado e hoje encontra-se no National Air and Space Museum, em Washington, DC;

North American X-15-2: USAF #56-6671: Primeiro voo em 17/09/1959. Executou 31 voos motorizados na configuração original, até sofrer um sério acidente no pouso em 09/11/1962. Foi recuperado e retrofitado pela North American, como um novo modelo, X-15A-2. Voltou ao serviço em 28/06/1964) Fez mais 22 voos motorizados nessa configuração. Retirado de serviço em 03/10/11968. Preservado, é exibido hoje no Air Force Museum, em Dayton, Ohio;

North American X-15-3: USAF #56-6672: Primeiro voo em 20/12/1961. Executou 64 voos motorizados até ser perdido em um acidente fatal, em 15/11/1967, com perda total. Destruído;
O NB-52A aposentado em Tucson, Arizona
Boeing NB-52A: USAF #52-003:  Voou pela primeira vez como Boeing B-52A em 05/08/1954, e convertido como nave-mãe do programa X-15 em 1959, sendo redenominado NB-52A. Apelidado como "The High and Mighty One", ou "Balls 3". Retirado de serviço em 10/1969. Preservado, é exibido atualmente no Pima Air & Space Museum, em Tucson, Arizona.
O NB-52B aposentado, no portão de Edwards AFB
Boeing NB-52B: USAF #52-008:  Voou pela primeira vez como Boeing RB-52B em 11/06/1955, e convertido como nave-mãe do programa X-15 em 1959, sendo redenominado NB-52B. Apelidado como "The Challenger", ou "Balls 8", executou a maioria dos lançamentos dos X-15. Após o encerramento do programa X-15, voou missões para os programas X-24, HiMAT, X-43, e também os lançamentos iniciais dos foguetes Pegasus. Foi desativado somente em 17/12/2004, quando era o mais antigo B-52 em serviço, com quase 50 anos de idade. Está exposto no portão de entrada da Base Aérea de Edwards, na Califórnia.

3 comentários:

  1. Muito bom artigo. Certa feita baixei um livro "free" em formato pdf do site da Nasa bem interessante :
    https://www.nasa.gov/pdf/470842main_X_15_Frontier_of_Flight.pdf

    Saudações.

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  2. mais um excelente artigo!!!!!!!!!!!!
    vida longa ao blog!!

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