Programa ERAST de la NASA

El programa ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology ) fue un programa de la NASA para desarrollar vehículos aéreos no tripulados (UAV) de bajo costo y de vuelo lento que puedan realizar misiones científicas de larga duración a altitudes superiores a los 60 000 pies (18 000 m). El proyecto incluía una serie de programas de desarrollo de tecnología llevados a cabo por la alianza conjunta ERAST de la NASA y la industria. El proyecto finalizó formalmente en 2003. ^[1]

Según la NASA, "ERAST fue un esfuerzo de varios años para desarrollar las tecnologías aeronáuticas y de sensores para una nueva familia de aeronaves pilotadas a distancia destinadas a misiones científicas en la atmósfera superior. Diseñadas para volar a baja velocidad durante largos períodos a altitudes de 60.000 a 100.000 pies (18.000 a 30.000 m), estas aeronaves podrían utilizarse para recopilar, identificar y monitorear datos ambientales para evaluar el cambio climático global y ayudar en el monitoreo y pronóstico del tiempo. También podrían servir como plataformas de telecomunicaciones aéreas, realizando funciones similares a los satélites de comunicaciones a una fracción del costo de lanzar un satélite al espacio". ^[2]

El programa ERAST fue patrocinado por la Oficina de Tecnología Aeronáutica y de Transporte Espacial en la sede de la NASA, y fue administrado por el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA . El Centro de Investigación Ames de la NASA , Moffett Field , California, dirigió el desarrollo de la tecnología de sensores. El Centro de Investigación Lewis de la NASA , Cleveland, Ohio , y el Centro de Investigación Langley de la NASA , Hampton, Virginia , aportaron su experiencia en las áreas de propulsión, estructuras y análisis de sistemas. Varias pequeñas empresas de desarrollo aeronáutico de alta tecnología, incluido el desarrollador de ALTUS General Atomics Aeronautical Systems, Inc., se unieron a la NASA en la Alianza ERAST para trabajar hacia objetivos comunes del programa. ^[2]

Los socios industriales en la Alianza ERAST incluyeron a Aurora Flight Sciences, AeroVironment , General Atomics , Scaled Composites , Thermo-Mechanical Systems, Hyperspectral Sciences y Longitude 122 West. ^[1]

El proyecto ERAST fue una de las tres asociaciones a gran escala de la industria aeronáutica lanzadas por la sede de la NASA entre 1992 y 1994. ^[3] Las asociaciones se basaron en el modelo industrial para asociaciones de I+D entre múltiples partes, inicialmente propuesto para los programas de comercialización espacial de la NASA basados ​​en el precedente del Departamento de Comercio de los EE. UU. establecido para la industria de semiconductores, Sematech. ^[4] El proyecto ERAST utilizó el innovador Acuerdo de investigación patrocinada conjunta (JSRA), adoptado por los funcionarios de la NASA para satisfacer los objetivos de la política de comercialización de tecnología y reconocido por los participantes de ERAST como un facilitador clave del éxito técnico del programa. El JSRA se basó en la Autoridad del Acuerdo de la Ley Espacial de la NASA, que permitió la formación de equipos flexibles, la distribución de costos y la distribución de propiedad intelectual para maximizar la colaboración para un rápido progreso en el desarrollo de tecnología. La contribución federal a ERAST se informó en 42,2 millones de dólares, mientras que la contribución del sector privado se informó en 30.000 dólares junto con contribuciones en especie de personal, equipo y propiedad intelectual de fondo. ^[5] El ERAST JSRA fue uno de los tres acuerdos de asociación aeronáutica diseñados por American Technology Alliances (AmTech). AmTech actuó como facilitador y administrador de la asociación durante la duración del proyecto.

Los tipos de misiones científicas para las que se prepara ERAST pueden incluir teledetección para estudios de ciencias de la Tierra, imágenes hiperespectrales para monitoreo agrícola, seguimiento de tormentas severas y servir como plataformas de retransmisión de telecomunicaciones. ^[2]

Un esfuerzo paralelo encabezado por Ames desarrolló sensores ligeros y microminiaturizados que pueden ser transportados por estas aeronaves para investigaciones ambientales y monitoreo de la Tierra.

Las tecnologías adicionales consideradas por la Alianza ERAST incluyen materiales livianos, aviónica, aerodinámica y otras formas de propulsión adecuadas para altitudes y duraciones extremas.

Aunque los miembros de la Alianza ERAST eran responsables del desarrollo y la operación de las aeronaves, la NASA tenía la responsabilidad principal del liderazgo general del programa, la financiación principal, la gestión de proyectos individuales, el desarrollo y la coordinación de las cargas útiles. La NASA también trabajó en cuestiones de largo plazo con la Administración Federal de Aviación y desarrolló tecnología para hacer que la operación de estas aeronaves operadas a distancia en el espacio aéreo nacional fuera práctica.

En 1987 y 1988, la NASA llevó a cabo estudios sobre el agotamiento de la capa de ozono atmosférico utilizando dos aviones tripulados de la NASA, un avión de pasajeros Douglas DC-8 modificado y un Lockheed ER-2 , una versión civil del avión espía U-2. Sin embargo, operar el ER-2 sobre la Antártida , donde se produjo el agotamiento del ozono , se consideró arriesgado, ya que si el piloto tenía que saltar en paracaídas, la supervivencia era poco probable. Además, el ER-2 tenía un techo de 20 kilómetros (65.000 pies), mientras que el agotamiento del ozono tiene lugar a 30 kilómetros (100.000 pies), y el ER-2 no podía permanecer en el aire el tiempo suficiente para estudiar los cambios de ozono durante un ciclo completo de día y noche. ^[1]

En 1988, la NASA decidió obtener un UAV HALE llamado "Perseus" para lidiar con estos problemas, designando el esfuerzo como el programa Small High-Altitude Science Aircraft (SHASA). Perseus fue diseñado por una empresa emergente llamada Aurora Flight Sciences de Manassas, Virginia . El esfuerzo de diseño de Perseus avanzó con dificultades debido a los escasos fondos hasta 1991, cuando la NASA estaba llevando a cabo un "Programa de investigación de alta velocidad" para evaluar los diseños para un futuro transporte supersónico y necesitaba aprender más sobre el posible impacto ambiental de tal aeronave en la atmósfera superior. Los fondos estuvieron disponibles para adquirir algunas aeronaves. ^[1]

Otras agencias gubernamentales también estaban interesadas en los UAV HALE, y así nació el proyecto ERAST en septiembre de 1994 como un tema de alto perfil en la agenda de la NASA. El objetivo formal de ERAST era promover el uso de UAV en aplicaciones científicas comerciales, en particular la investigación atmosférica a gran altitud. ERAST también se ha centrado en el desarrollo de nuevos sensores miniaturizados y sistemas aviónicos para los UAV y para el Lockheed ER-2 de la NASA. ^[1]

Construido por Aurora Flight Sciences , el UAV de prueba de concepto Perseus voló por primera vez en noviembre de 1991, seguido por Perseus A el 21 de diciembre de 1993, que alcanzó más de 50.000 pies (15.000 m). Diseñado para volar a 62.000 pies (18,9 km) y hasta 24 horas, Perseus B voló por primera vez el 7 de octubre de 1994 y alcanzó 60.280 pies (18.370 m) el 27 de junio de 1998. Su hélice propulsora está propulsada por un motor de pistón Rotax 914 impulsado por un turbocompresor de tres etapas con potencia nominal plana de 105 hp (78 kW) a 60.000 pies (18.000 m). Tiene un peso máximo de 1100 kg (2500 lb), es capaz de transportar una carga útil de 120 kg (260 lb) y su ala de 21,8 m (71,5 pies) tiene una alta relación de aspecto de 26:1 . ^[6] Un sucesor más grande propulsado por dos motores de pistón Rotax 912 , el Theseus voló por primera vez el 24 de mayo de 1996. Diseñado para volar durante 50 horas hasta 20 000 m (65 000 pies), el UAV de peso máximo de 2,5 t (5500 t) tenía 42,7 m (140 pies) de ancho y podía transportar una carga útil de 750 lb (340 kg). ^[7]

Los aviones Pathfinder , Centurion y Helios de la NASA eran una serie de vehículos aéreos no tripulados alimentados por sistemas solares y de células de combustible , que AeroVironment, Inc. desarrolló bajo el programa ERAST. ^[8]

Pathfinder, que fue diseñado y construido por AeroVironment , es esencialmente un ala volante con una envergadura de 99 pies (30 m). Las células solares fotovoltaicas montadas en la parte superior del ala producen hasta 7200 vatios, que alimentan las seis hélices eléctricas de la aeronave, así como el conjunto de instrumentos científicos. Las baterías de respaldo almacenan energía solar para alimentar la aeronave durante la noche. ^[9]

El ALTUS II de General Atomics es una variante civil del UAV MQ-1 Predator diseñado para misiones de investigación científica. Uno de los dos aviones ALTUS, el ALTUS II, se construyó en el marco del programa ERAST y ha participado en varias misiones de investigación relacionadas. ^[2]

El ALTUS II realizó su primer vuelo el 1 de mayo de 1996. Con su motor inicialmente reforzado por un turbocompresor de una sola etapa, el ALTUS II alcanzó una altitud de 37.000 pies durante su primera serie de vuelos de desarrollo en Dryden en agosto de 1996. En octubre de ese año, el ALTUS II voló en un estudio de Medición de Radiación Atmosférica (ARM-UAV) en Oklahoma realizado por Sandia National Laboratories para el Departamento de Energía. Durante el curso de esos vuelos, el ALTUS II estableció un récord de resistencia de un solo vuelo para aeronaves operadas de forma remota de más de 26 horas. En octubre de 1996, el ALTUS II estableció un récord de resistencia para UAV que transportan cargas útiles científicas. El vehículo pasó más de 24 horas a la altitud requerida durante un ARM-UAV.

Después de importantes modificaciones y actualizaciones, incluida la instalación de un turbocompresor de dos etapas en lugar de su unidad original de una sola etapa, un tanque de combustible más grande y capacidad de intercooler adicional, el ALTUS II volvió a estar en estado de vuelo en el verano de 1998. El objetivo de sus vuelos de prueba de desarrollo era alcanzar uno de los principales hitos de rendimiento de nivel 2 de ERAST, volar un avión pilotado a distancia con motor de pistón y propulsado por gasolina durante varias horas a una altitud de 60.000 pies o cerca de ella. El 5 de marzo de 1999, el ALTUS II mantuvo el vuelo a 55.000 pies o más durante tres horas, alcanzando una altitud de densidad máxima de 57.300 pies durante la misión. ^[10]

Durante el verano de 1999, se realizó una demostración en vuelo de una pequeña cámara ARTIS (Airborne Real-Time Imaging System), desarrollada por HyperSpectral Sciences, Inc., en el marco del proyecto ERAST, a bordo del avión Scaled Composites Proteus, que tomó fotografías visuales y de infrarrojo cercano desde el Proteus mientras volaba a gran altura sobre el AirVenture 99 Airshow de la Experimental Aircraft Association en Oshkosh, Wisconsin . Las imágenes se mostraron en un monitor de computadora en el espectáculo sólo momentos después de ser tomadas.

El interferómetro digital de matriz escaneada (DASI) se puso en funcionamiento desde el Pathfinder en el verano de 1997, adquiriendo datos interferométricos de imágenes de las islas hawaianas. El DASI, que se originó en la Universidad de Washington en St. Louis y se desarrolló en conjunto con el Centro de Investigación Ames, tuvo que cumplir con los estrictos requisitos de ingeniería y operación del Pathfinder con respecto a la operación remota, peso muy ligero y bajo volumen, potencia y ancho de banda. ^{[11] [12]}

En marzo de 2002, la NASA Dryden, en cooperación con el Centro de Análisis Técnico y Aplicaciones (TAAC) de la Universidad Estatal de Nuevo México , la FAA y varias otras entidades, llevaron a cabo demostraciones de vuelo de un sistema activo de detección, visualización y evitación ( DSA ) para su posible aplicación en vehículos aéreos no tripulados en Las Cruces, Nuevo México . El avión Scaled Composites Proteus voló como un UAV sustituto controlado de forma remota desde tierra, aunque los pilotos de seguridad estaban a bordo para manejar el despegue y el aterrizaje y cualquier posible emergencia. Otras tres aeronaves, que iban desde aeronaves de aviación general hasta un F/A-18 de la NASA , sirvieron como aeronaves objetivo "cooperativas" con un transpondedor operativo. En cada uno de los 18 escenarios diferentes, un sistema de aviso de tráfico (TAS) Goodrich Skywatch HP en el Proteus detectó el tráfico aéreo que se aproximaba en posibles cursos de colisión, incluidos varios escenarios con dos aeronaves que se acercaban desde diferentes direcciones. Luego, el piloto remoto ordenó al Proteus que girara, ascendiera o descendiera según fuera necesario para evitar la posible amenaza.

En abril de 2003, se llevó a cabo una segunda serie de demostraciones de vuelo centradas en aeronaves "no cooperativas" (aquellas sin transpondedores operativos), en un espacio aéreo restringido cerca de Mojave, California , utilizando nuevamente el Proteus como UAV sustituto. El Proteus estaba equipado con un pequeño sistema de radar primario Amphitech OASys de 35 GHz para detectar posibles aeronaves intrusas en cursos de colisión simulados. Los datos del radar se transmitieron por telemetría directamente a la estación terrestre, así como a través de un sistema de satélite Inmarsat instalado en el Proteus. Una combinación de siete aeronaves intrusas, que iban desde un planeador hasta un jet de alta velocidad, volaron en 20 escenarios durante un período de cuatro días, una o dos aeronaves a la vez. En cada caso, el radar detectó la aeronave intrusa a distancias de entre 2,5 y 6,5 millas (4,0 a 10,5 km), dependiendo de la firma de radar del intruso. El piloto remoto de Proteus en tierra pudo ordenarle a Proteus que tomara acciones evasivas si era necesario.

• Mini-Sniffer de la NASA
• Programa de Ciencias Aerotransportadas
• NASA Earth Science Enterprise (anteriormente "Misión al Planeta Tierra")
• Satélite atmosférico

Este artículo contiene material que originalmente provino del artículo web "Vehículos aéreos no tripulados" de Greg Goebel, que existe en el dominio público.

• Katzberg, Stephen J. (agosto de 1996). "Evaluación del rendimiento del concepto de interferómetro digital escaneado". Documento técnico de la NASA 3570. CiteSeerX  10.1.1.30.4304 .
• Guy Norris (20 de octubre de 1999). "Out on a wing" (En el aire). Flightglobal .
• Hammer, Philip D, et al., "Mapeo de reflectancia de superficies mediante imágenes espectrales interferométricas desde una aeronave pilotada de forma remota"
• Página de la misión Pathfinder, ya no activa en la NASA, archivada en archive.org
• Pathfinder/Helios Archivado el 22 de septiembre de 2006 en Wayback Machine .