A finales del siglo pasado la NASA comenzó a desarrollar un vehículo que, de seguir adelante, bien podría haber revolucionado el acceso al espacio. Hablamos, claro está, del X-33, un proyecto prácticamente olvidado por la mayoría y que sin embargo que se ha convertido en un auténtico mito de la historia de la astronáutica. Para muchos, el X-33 fue la gran oportunidad perdida, el último intento serio de crear un sistema de lanzamiento barato y reutilizable que hubiese podido revolucionar el acceso al espacio.

Corrían los años 90 y la NASA se encontraba en pleno proceso de reestructuración. El transbordador espacial había resultado ser un fracaso comercial, así que la agencia seguía buscando un sistema de lanzamiento capaz de reducir el coste del acceso a la órbita baja. El administrador Dan Goldin había impuesto su política better, faster, cheaper según la cual se priorizaban los programas de bajo coste y limitada duración temporal frente a los complejos proyectos que tiempo atrás habían consumido el presupuesto de la agencia sin conseguir resultados visibles. En 1995 la NASA creó el programa RLV (Reusable Launch Vehicle) para desarrollar sistemas de lanzamiento reutilizables que pudiesen hacer lo que no había logrado el transbordador. Se esperaba que, con la ayuda de las tecnologías más avanzadas, el sueño de un vehículo totalmente reusable podría finalmente hacerse realidad.

Pero la NASA no quería repetir los errores del pasado y decidió desarrollar primero dos vehículos experimentales que permitieran madurar las tecnologías asociadas y comprobar su viabilidad. El primer proyecto que fue aprobado dentro del marco del programa RLV fue el X-34, un demostrador de lanzadera espacial no tripulada que debía despegar desde un avión convencional y situar hasta 450 kg de carga útil en órbita baja. El X-34 era un sistema TSTO (Two Stages To Orbit), es decir, que estaba formado por dos etapas -el avión y el propio X-34- totalmente reutilizables. Los sistemas TSTO siempre han sido considerados como uno de los métodos de acceso al espacio más prometedores. Pero el verdadero Santo Grial de la astronáutica eran los sistemas SSTO (Single Stage To Orbit), lanzadores capaces de alcanzar el espacio con una única etapa. Un sistema SSTO reutilizable siempre ha sido el sueño húmedo de cualquier ingeniero aeroespacial. Con el fin de crear un sistema de este tipo, la NASA puso en marcha el programa X-33. El objetivo era reducir el coste del acceso al espacio en un orden de magnitud, nada más y nada menos.

En busca de la quimera del SSTO

La ecuación de Tsiolkovsky nos dice que un cohete podrá aumentar su carga útil de forma dramática si está formado por varias etapas o fases que se desprenden a medida que el vector asciende hacia la órbita. Durante décadas se consideró que un sistema SSTO era simplemente una fantasía por culpa de las limitaciones de las técnicas de construcción y los sistemas de propulsión. Un cohete convencional SSTO con una carga útil normal sería un monstruo que pesaría al lanzamiento miles y miles de toneladas. Por lo tanto, para hacer posible un vector de este tipo deberíamos desarrollar nuevos métodos de propulsión más eficientes y técnicas de construcción avanzadas que aligeren la estructura del cohete. Esto ya es complicado de por sí, pero si además queremos, como la NASA, que el sistema sea reutilizable, los desafíos tecnológicos a los que nos enfrentamos son simplemente apabullantes.

El X-33 no era por tanto un vehículo espacial operativo, sino un prototipo suborbital con el que se demostrarían las tecnologías asociadas a los sistemas SSTO. Tres empresas demostraron interés en el X-33. McDonnell Douglas propuso una nave que básicamente era un cohete reutilizable de despegue vertical capaz de aterrizar también verticalmente después de poner en órbita su carga y regresar a la Tierra. El vehículo estaría basado en el famoso demostrador Delta Clipper de aterrizaje vertical que tantos titulares había acaparado por entonces. La segunda empresa en liza era Rockwell, quien participó con un diseño basado en el del transbordador espacial -construido por esta compañía-. Rockwell proponía un cohete alado que despegaría verticalmente y aterrizaría planeando en una pista convencional. El aterrizaje similar al del shuttle permitía reducir la cantidad de combustible que llevaría el vehículo, pero a cambio había que cargar con el peso muerto de las alas hasta la órbita.

Pero la propuesta más revolucionaria fue la de Lockheed Martin. Con el objetivo de alcanzar un compromiso entre la forma de cohete tradicional propuesta por McDonnell Douglas y el diseño de lanzadera de Rockwell, Lockheed Martin apostó por un término medio. Su X-33 tendría forma de cuerpo sustentador con unas alas muy pequeñas. Sería el propio fuselaje de la nave el que generaría la sustentación necesaria para permitir el planeo del vehículo. De esta forma se prescindía de las molestas alas, aunque a cambio los tanques de combustible debían adaptarse ahora a la compleja forma de la nave. Como veremos, este requisito sería uno de los defectos que terminó por condenar al programa.

Pero además de la forma de la nave, Lockheed Martin decidió incorporar un novedoso sistema de propulsión. En vez de usar motores con toberas convencionales, su X-33 tendría un motor de tipo aerospike. Este tipo de motor permite solucionar otro de los típicos problemas de un sistema SSTO, que no es otro que el de la eficiencia a diferentes alturas. Y es que los motores cohetes deben estar optimizados a la altura en la que operan para sacarles el máximo rendimiento. En la mayoría de casos esto no suele ser un problema porque los motores están situados en etapas que solamente funcionan durante un rango de presiones atmosféricas determinado. Sin embargo, en un sistema SSTO los motores deben funcionar desde el nivel del mar hasta el vacío de la órbita baja. Una solución es liarse la manta a la cabeza y seguir adelante de todos modos, eligiendo un motor con un diseño de tobera determinado, aún sabiendo de que será poco eficiente en la mayoría de fases del lanzamiento. Otra es elegir un sistema que mantenga su eficiencia casi independientemente de la altura, como es el caso del aerospike.

El aerospike es básicamente una tobera ‘al revés’ formada por dos rampas opuestas, de tal forma que los gases del motor no se expanden o se comprimen en exceso, manteniendo por tanto la máxima eficiencia -que en los motores se mide en impulso específico (Isp)- a cualquier altura. El concepto aerospike ya era por entonces muy antiguo, pero nunca antes se había propuesto su uso en un sistema operativo. Como propergoles Lockheed decidió emplear, al igual que Rockwell y McDonnell Douglas, oxígeno e hidrógeno líquidos. Estos combustibles criogénicos son los más eficientes -proporcionan mayor Isp- en servicio y además no son tóxicos, pero lidiar con el hidrógeno líquido no es fácil. Este elemento es el más ligero y ocupa un volumen enorme, aumentando sobremanera el tamaño de los tanques. Además tiene la fea costumbre de colarse por las conducciones y quebrar los metales con los que entra en contacto. Pero este es el precio que hay que pagar por alcanzar el nirvana del SSTO.

En julio de 1996 la NASA anunció el ganador del programa X-33 en una ceremonia pública presentada por Al Gore. La división Skunkworks de Lockheed Martin, famosa por sus diseños de aviones militares, se hizo con el contrato. El propio Dan Goldin declaró que, de las tres propuestas, la de Lockheed Martin era la más ambiciosa y la que conllevaba mayores desafíos técnicos.

El X-33, del mito a la realidad del VentureStar

El X-33 era un prototipo, pero la NASA y la propia Lockheed Martin quería que sirviese como base para crear una nave espacial operativa. Esta nave, también no tripulada, recibió el nombre de VentureStar -sí, todo junto- desde un primer momento. En un principio se especuló que el X-33 debía tener el 53% del tamaño final del VentureStar, que sí sería un sistema SSTO ‘de verdad’. Lamentablemente, el VentureStar tendría una capacidad de carga en órbita baja muy reducida, de entre 5 y 20 toneladas. Esta última cifra se introdujo simplemente porque se trataba de la capacidad efectiva del transbordador y por tanto era un requisito implícito para cualquier vehículo que pretendiese sustituirlo, pero lo cierto es que nadie en Lockheed pensaba que era posible alcanzar semejante número, ni de lejos. Y es que lo malo de un sistema SSTO, no importa lo avanzado que sea, es su limitada capacidad de carga. Sólo la perspectiva de la reutilización puede hacer que valga la pena comercialmente.

El X-33 nunca fue diseñado para viajar al espacio, pero debía ser capaz de alcanzar una velocidad de Mach 13,8 (unos 17000 km/h) y una altura de unos 75 kilómetros. El diseño de cuerpo sustentador del X-33 hundía sus raíces en la propuesta de transbordador Star Clipper de Lockheed de los años 60, pero era mucho más complejo que el de su antecesor. Para lograr un sistema SSTO, Lockheed sabía que la forma de cuerpo sustentador y el aerospike no serían suficientes, así que decidió aligerar dramáticamente la estructura del vehículo usando materiales compuestos (grafito-epoxi). Esto en sí ya era una novedad, pero la sorpresa fue mayúscula cuando la empresa anunció su intención de fabricar los dos tanques de hidrógeno con este material. Como se menciona más arriba, el empleo de hidrógeno obliga a usar tanques enormes que lógicamente contribuyen a aumentar el peso de la nave. Los materiales compuestos nos permiten reducir el peso de estos tanques, pero al mismo tiempo introducen una serie de dificultades, comenzando por la tendencia de estos materiales a volverse quebradizos a muy bajas temperaturas. Y si por algo se caracteriza el hidrógeno líquido es por el frío (-253º C). De hecho, muchos ingenieros del programa se mostraron frontalmente opuestos a esta decisión, que complicaba un programa ya de por sí increíblemente ambicioso. El tiempo terminaría dándoles la razón.

Pero eso no era todo. La compleja forma de cuerpo sustentador obligaba a que los tanques de hidrógeno y el de oxígeno -construido en una aleación tradicional de litio y aluminio- tuviesen un diseño enrevesado formado por varios lóbulos unidos entre sí, lo que dificultó aún más el proceso de construcción. Por culpa de este requisito, los tanques de hidrógeno pronto superaron la masa esperada, ya que las juntas de los lóbulos tuvieron que ser reforzadas más allá de lo planeado en un primer instante.

Y, por su no fuera suficiente, el X-33 contaría con un nuevo sistema de protección de la temperatura durante la reentrada (TPS) formado por 1241 láminas metálicas. Estas placas serían reutilizables y requerían muy poco mantenimiento después de cada vuelo comparadas con las losetas cerámicas del transbordador. Eso sí, en el morro y en los bordes de ataque se usarían paneles de carbono-carbono, mientras que en la parte superior irían mantas térmicas, al igual que en el shuttle. El sistema de control de la orientación (RCS) también era nuevo y debía usar metano y oxígeno líquido en vez de los tradicionales y tóxicos propergoles hipergólicos. El diseño preliminar del X-33 se finalizó en diciembre de 1996 y el diseño final en octubre de 1997.

Según el diseño final, el X-33 era un vehículo de 20,7 metros de largo, 9,37 metros de alto y 23,1 metros de ancho. Tenía una masa al lanzamiento de 131 toneladas (34 toneladas en seco) y cargaba 13,6 toneladas de hidrógeno líquido y 81,7 toneladas de oxígeno líquido. El sistema de propulsión consistía en un motor aerospike XRS-2200 de 181 toneladas de empuje a nivel del mar (226 toneladas en el vacío). Había sido construido por Rocketdyne y estaba formado en realidad por dos motores J-2S modificados que expulsaban sus gases a través de diez celdas de combustión -cinco por cada rampa del aerospike-. El impulso específico al nivel del mar era de 340,3 segundos, mientras que alcanzaba 429,3 s en el vacío. El tren de aterrizaje era una versión del tren de un caza F-15E.

El centro de lanzamiento se denominó FOC (Flight Operations Center). Comenzó a construirse en la Base de Edwards en noviembre de 1997 y se terminó en diciembre de 1998. El X-33 era capaz de ser lanzado con un alto grado de automatización, un sistema que debía haber heredado el VentureStar. En febrero de 1998 se finalizó el tanque de oxígeno y en octubre comenzaron las pruebas de prototipos aerospike usando un avión SR-71. Ese mismo año se probaron algunas láminas del sistema TPS en vuelo supersónico a bordo de un F-15B. En febrero de 1999 se ensamblaron los problemáticos tanques de hidrógeno, pero en noviembre aparecieron numerosas grietas en uno de los tanques durante una de las pruebas al llenarse con hidrógeno líquido. Las voces críticas contra los tanques de materiales compuestos volvieron a dejarse oír y en diciembre se tomó la decisión de emplear tanques metálicos de litio y aluminio, no sin antes haber perdido un precioso tiempo de desarrollo y haber gastado millones de dólares en la construcción de estos tanques de materiales compuestos.

El añadido de tanques metálicos de hidrógeno aumentó una vez más el peso del X-33, que no paraba de engordar cual lechón bien criado. Ya entonces muchos creían que sin tanques de materiales compuestos el VentureStar nunca alcanzaría la órbita (o lo haría con una carga ridícula), pero ese problema era mejor dejarlo para más tarde. Para septiembre de 2000 el 95% de los componentes del X-33 estaban finalizados y el ensamblaje del primer prototipo se había completado en un 75%. En diciembre comenzarían las pruebas de encendido del aerospike en Stennis, aunque para entonces se había decidido cambiar los materiales de la rampa del motor por otros más pesados, y eso que la masa del motor ya era muy superior a la originalmente planeada. El pequeño X-33 seguía engordando.

Estaban planeados quince vuelos suborbitales dentro del programa. Los tres primeros servirían para demostrar las características básicas del sistema y los tres siguientes tenían por objetivo demostrar la capacidad del X-33 para realizar dos lanzamientos en menos de una semana. El séptimo buscaría los límites aerodinámicos del vehículo. En estos vuelos el X-33 despegaría desde Edwards y aterrizaría en la base Michael Army Airfield de Dugway, Utah, alcanzando una velocidad de Mach 11, una altura máxima de 50 kilómetros y tras recorrer 724 kilómetros. Los últimos ocho vuelos de prueba aterrizarían en la base aérea de Malmstrom, Montana, y en ellos el X-33 alcanzaría Mach 13,8 y 76 kilómetros de altura. La fase propulsiva del aerospike duraría unos tres minutos durante las pruebas.

Pero el programa no duró mucho más. Aunque Lockheed Martin presionó para que la NASA continuase financiando el X-33, los sobrecostes y las numerosas dificultades técnicas provocaron el rechazo de una agencia espacial que había cambiado desde aquel año 1996 en el que fue aprobado el programa. En marzo de 2001 el X-33 fue cancelado de forma oficial sin haber logrado despegar de la rampa.

A pesar de la cancelación, Lockheed Martin siguió promocionando su VentureStar con la esperanza de que la Fuerza Aérea financiase el programa. Por entonces el diseño del VentureStar se había apartado considerablemente del X-33 a raíz de los problemas surgidos durante el desarrollo de este prototipo. Algunos ingenieros involucrados en el programa señalan que el diseño final era más parecido al Delta Clipper DC-X de McDonnell Douglas que al X-33 original. Es decir, habría sido un cohete de aterrizaje y despegue vertical en vez de un cuerpo sustentador.

¿Podría el X-33 haber cambiado el curso de la historia? A pesar del aura mítica que rodea al proyecto en la actualidad, el X-33 arrastraba demasiados problemas técnicos para crear a partir de él un sistema reutilizable y rentable a corto plazo. El X-33 jugó con demasiadas tecnologías radicalmente nuevas al mismo tiempo, más de las que pudo digerir. A esto debemos añadir la poca capacidad de carga que habría tenido el VenturStar de serie, lo que habría limitado enormemente su efectividad para lanzamientos a la órbita geoestacionaria. Y no olvidemos que el negocio está principalmente en este tipo de satélites.

No obstante, gracias al X-33 se dio un nuevo impulso a nuevas tecnologías aeroespaciales, como el TPS metálico o el aerospike. Lamentablemente, todas los avances en este campo fueron rápidamente olvidados y no parece que nadie tenga interés en resucitarlos de nuevo. Es muy posible que, con la financiación y el apoyo político adecuados, el X-33 y el VentureStar hubieran visto la luz. Otro asunto muy distinto es que hubieran sido tan revolucionarios como prometían. Al fin al cabo el transbordador espacial también debía haber abaratado el acceso a la órbita baja y nunca consiguió su objetivo. Sea como sea, el X-33 permanece como un auténtico monumento a ese mito de la astronáutica que son los sistemas SSTO. Puede que algún día logremos crear uno al fin.

Referencias:

• http://er.jsc.nasa.gov/seh/EDC_TPS.pdf
• http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110016255.pdf
• http://netspublic.grc.nasa.gov/main/HQ-0028-MSFC-EIS-X-33-Vol1.pdf
• http://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88573main_H-2221.pdf
• http://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88638main_H-2333.pdf
• http://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88644main_H-2345.pdf
• http://www.gpo.gov/fdsys/pkg/GAOREPORTS-GAO-01-1041R/pdf/GAOREPORTS-GAO-01-1041R.pdf