AIM 98-4149

SPACE MANEUVER VEHICLE DEVELOPMENT BY THE MINI-SPACEPLANE TECHNOLOGY PROGRAM

Harry Kcrasopoulos Richard T. CervisI John Anttonen John T. Fuller Air Force Research Laboratory The Boeing Company

AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit

August 10-12, 1998 / Boston, Massachusetts

For permission to copy or republish, contact the American Institute of Aeronautics and Astronautics 1801 Alexander Bell Drive, Suite 500, Reston, Virginia 20191 -4344

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SPACE MANEUVER V E H I C L E DEVELOPMENT B Y T H E MINI-SPACEPLANE T E C H N O L O G Y PROGRAM

Harry Karasopoulos* A i r F o r c e Research Laboratory, A i r Vehicles D i r e c t o r a t e

Richard T. Cervisi^ The Boeing Company

John Anttonen* A i r F o r c e Research Laboratory, Space Vehicles D i r e c t o r a t e

John T. Fuller^ The Boeing Company

Abstract

Under the Mini-Spaceplane Technology Program, the United States Air Force is currently examining a small, reusahle, upper stage vehicle concept designed hy Boeing. This Space Maneuver Vehicle (SMV) is a reusahle satellite hus capahle of heing launched from several candidate hooster platforms, recovered on a conventional runway, and quickly refurhished and re-launched. It is a key component of the Space Operation Vehicle system architecture currently heing studied hy the Air Force. The Space Maneuver Vehicle has the capahility to support military missions in space such as space-hased surveillance, reconnaissance, and space control, with great flexihility and a large on-orhit A V. The Mini-Spaceplane Technology Program is a 24 month, $6.4M contract with Boeing to study SMV design requirements, perform conceptual design trades, and undertake two advanced technology demonstrations. In 1997 Boeing designed a wing hox and center fuselage section structural test article under this effort, and fahricated it under a related contract. This component was tested to failure hy Air Force Research Lahoratory in Septemher 1997. The second advanced technology demonstration under the Mini-Spaceplane Technology Program is the design, fahrication, and testing of an unpowered, 90% scale, flight test vehicle. Ground and captive-carry testing of the SMV flight test vehicle is currently underway at Holloman Air Force Base, New Mexico; autonomous approach and landing flight tests are scheduled for summer 1998. This paper presents an overview of the Mini-Spaceplane Technology Program, emphasizing the two advanced technology demonstrations.

Nomenclature Introduction A F R L = A i r F o r c e R e s e a r c h L a b o r a t o r y G P S = G l o b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m G E O = G e o s y n c h r o n o u s E a r t h O r b i t I N S = I n e r t i a l N a v i g a t i o n S y s t e m L E O = L o w E a r t h O r b i t M = M a c h n u m b e r S M V = S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e S O V = S p a c e O p e r a t i o n s V e h i c l e A V = C h a n g e i n v e l o c i t y , f t / s e c

R e u s a b l e m i l i t a r y s p a c e p l a n e a n d t r a n s a t m o s p h e r i c v e h i c l e c o n c e p t s h a v e l o n g b e e n o f i n t e r e s t t o t h e U n i t e d S t a t e s A i r F o r c e . E a r l y h y p e r s o n i c r e s e a r c h a n d l i f t i n g r e e n t r y v e h i c l e p r o g r a m s s u c h a s t h e X - 1 5 , X - 2 3 , a n d X - 2 4 p r o g r a m s o f t h e 1 9 5 0 s a n d 1 9 6 0 s f e d a n u m b e r o f A i r F o r c e m i l i t a r y s p a c e p l a n e s t u d i e s o f t h a t e r a s u c h a s t h e D y n a - S o a r X - 2 0 a n d t h e A e r o s p a c e p l a n e p r o g r a m s . A l t h o u g h n u m e r o u s t r a n s a t m o s p h e r i c v e h i c l e c o n c e p t u a l s t u d i e s f o l l o w e d o v e r t h e y e a r s , a n o p e r a t i o n a l s y s t e m w a s n e v e r b u i l t . I n t h e 1 9 8 0 s t h e A i r F o r c e r e v i s i t e d t h e s e s y s t e m s . S t u d i e s s u c h a s t h e A d v a n c e d M i l i t a r y S p a c e f l i g h t

* S M V P r o g r a m M a n a g e r , M e m b e r A I A A ' B o e i n g S M V C h i e f E n g i n e e r , M e m b e r A I A A * S O V P r o g r a m O f f i c e , M e m b e r A I A A ^ B o e i n g S M V P r o g r a m M a n a g e r , M e m b e r A I A A

T h i s paper i s d e c l a r e d a w o r k o f t h e U . S . G o v e r n m e n t a n d i s n o t sub jec t t o c o p y r i g h t p r o t e c t i o n i n t h e U n i t e d S ta t e s .

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C a p a b i l i t y , M i l i t a r y A e r o s p a c e V e h i c l e , a n d T r a n s a t m o s p h e r i c V e h i c l e p o i n t e d t o t h e c o n s i d e r a b l e m i l i t a r y p o t e n t i a l f o r t h i s c l a s s o f v e h i c l e s . T h e A i r F o r c e i n v e s t e d h e a v i l y i n m i l i t a r y s p a c e p l a n e t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t i n t h e N a t i o n a l A e r o s p a c e P l a n e ( N A S P ) p r o g r a m f r o m t h e m i d - 1 9 8 0 s t o t h e e a r l y 1 9 9 0 s , p a r t i c u l a r l y i n h y p e r s o n i c a i r b r e a t h i n g e n g i n e t e c h n o l o g i e s . S i n c e t h a t t i m e , e m p h a s i s h a s s e e m i n g l y s h i f t e d f r o m a i r b r e a t h i n g e n g i n e t o r o c k e t p o w e r e d s p a c e p l a n e s y s t e m s , a n d f r o m c o n v e n t i o n a l r o c k e t l a u n c h o p e r a t i o n s t o m o r e a i r c r a f t - l i k e l a u n c h o p e r a t i o n s . T h i s e m p h a s i s i s r e f l e c t e d b y t h i s d e c a d e ' s D C - X a n d D C - X A p r o g r a m s , a n d b y t h e c u r r e n t S p a c e O p e r a t i o n s V e h i c l e S y s t e m p r o g r a m .

T h e A i r F o r c e i s c u r r e n t l y v e r y i n t e r e s t e d i n m i l i t a r y s p a c e p l a n e s a n d t r a n s a t m o s p h e r i c v e h i c l e s . A s o u r c o u n t r y ' s e c o n o m i c a n d m i l i t a r y r e s o u r c e s i n s p a c e c o n t i n u e t o r a p i d l y e x p a n d , r e q u i r e m e n t s f o r r o u t i n e , f a s t r e s p o n s e , a i r c r a f t - l i k e o p e r a t i o n s t o , i n , a n d f r o m s p a c e b e c o m e i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t . R e q u i r e m e n t s f o r g l o b a l r e c o n n a i s s a n c e , s p a c e l i f t , a n d s p a c e c o n t r o l a r e d r i v i n g a n o v e r a l l S p a c e O p e r a t i o n s V e h i c l e s y s t e m a r c h i t e c t u r e i n w h i c h t h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e .

The Space Maneuver Vehicle T h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e c o n c e p t c u r r e n t l y b e i n g s t u d i e d b y t h e U n i t e d S t a t e s A i r F o r c e i s a d e r i v a t i v e o f B o e i n g ' s R E F L Y T M c o n c e p t . ' T h i s S M V ( F i g u r e 1 ) i s a s m a l l , r e u s a b l e , u p p e r s t a g e w i t h a w i n g - b o d y c o n f i g u r a t i o n . I t h a s a w i n g s p a n o f a b o u t 1 4 f t , a n o v e r a l l l e n g t h o f a b o u t 2 5 f t , a n d a w i n g r e f e r e n c e a r e a o f 6 4 s f t . T h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e e m p l o y s r u d d e r v a t o r a n d f l a p e r o n c o n t r o l s u r f a c e s , a n d i n e r t i a l / d i f f e r e n t i a l G P S g u i d a n c e . T h e S M V h a s a g r o s s w e i g h t o f a b o u t 1 1 , 0 0 0 l b , a p a y l o a d w e i g h t o f 1 2 0 0 l b , a d r y w e i g h t o f a b o u t 2 5 0 0 l b , a n d a p r o p e l l a n t w e i g h t o f a b o u t 6 9 0 0 1 b .

T h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e i s d e s i g n e d f o r a i r c r a f t ­l i k e o p e r a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y , a s w e l l a s e x t e n d e d o n -o r b i t o p e r a t i o n s w i t h d w e l l t i m e s o f u p t o o n e y e a r . T h e 7 f t l o n g b y 4 f t d i a m e t e r p a y l o a d b a y i s d e s i g n e d w i t h s t a n d a r d i n t e r f a c e s t o a l l o w i n t e r c h a n g e a b l e p a y l o a d s f o r m i s s i o n f l e x i b i l i t y . O f f - b o a r d p a y l o a d p r o c e s s i n g w i l l b e e m p l o y e d t o h e l p d r i v e t u r n a r o u n d t i m e s t o 7 2 h o u r s o r l e s s . T h e S M V i s a r e u s a b l e s a t e l l i t e b u s t h a t i s e f f e c t i v e l y a t r a n s a t m o s p h e r i c U A V ( U n i n h a b i t e d A i r V e h i c l e ) a s i t i s d e s i g n e d t o o p e r a t e a u t o n o m o u s l y t h r o u g h o u t b o t h a t m o s p h e r i c a n d e x o a t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n t s . A f t e r r e e n t r y , t h e S M V w i l l l a n d o n c o n v e n t i o n a l r u n w a y s .

T h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e c o n c e p t i s p o w e r e d b y a r o c k e t e n g i n e i n t h e 4 0 0 0 t o 5 0 0 0 l b t h r u s t r a n g e u t i l i z i n g s p a c e s t o r a b l e p r o p e l l a n t s . A v a r i e t y o f r o c k e t e n g i n e o p t i o n s a r e c u r r e n t l y b e i n g s t u d i e d ; o n e i s a n e n g i n e b a s e d o n t h e X L R - 1 3 2 u s i n g h y p e r g o l i c p r o p e l l a n t s ( n i t r o g e n t e t r o x i d e a n d h y d r a z i n e ) t o

p r o v i d e a A V o f m o r e t h a n 1 0 , 5 0 0 f t / s . W i t h s u c h a l a r g e A V c a p a b i l i t y , t h e S M V w i l l p e r f o r m a s a r e u s a b l e s a t e l l i t e b u s t o l o w - a n d m i d - e a r t h o r b i t s . I t w i l l a l s o b e a b l e t o c o n d u c t G E O f l y b y s w h e n i n s e r t e d d i r e c t l y i n t o L E O b y a l a u n c h v e h i c l e . T h i s l a t t e r o p t i o n w o u l d a l l o w t h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e t o u t i l i z e i t s f u l l A V p o t e n t i a l f o r e x t e n s i v e o r b i t m a n e u v e r s . A r e u s a b l e a e r o d y n a m i c a l l y - c o n f i g u r e d S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e o f f e r s m u c h g r e a t e r m i s s i o n f l e x i b i l i t y o v e r c o n v e n t i o n a l l a u n c h v e h i c l e u p p e r s t a g e s , i n c l u d i n g t h e a b i l i t y t o p e r f o r m a e r o a s s i s t e d o r b i t a l m a n e u v e r s f o r u n p r e d i c t a b l e , o n - d e m a n d o r b i t t r a n s f e r s , a n d t o p r o v i d e i n c r e a s e d d o w n r a n g e a n d c r o s s r a n g e r e c o v e r y o p t i o n s .

T h e S M V i s a c r i t i c a l c o m p o n e n t o f t h e o v e r a l l S p a c e O p e r a t i o n V e h i c l e ( S O V ) s y s t e m a r c h i t e c t u r e u n d e r d e v e l o p m e n t b y t h e A i r E o r c e R e s e a r c h L a b o r a t o r y ' s S p a c e V e h i c l e s D i r e c t o r a t e a t K i r t l a n d A i r F o r c e B a s e , N e w M e x i c o . I n t h i s r o l e t h e S M V w i l l b e l o f t e d b y e i t h e r a s u b - o r b i t a l ( n e a r t e r m ) o r a f u l l y o r b i t c a p a b l e ( f a r t e r m ) r e u s a b l e S O V . A L E O c a p a b l e S O V c o u l d d e p l o y a S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e b y d i r e c t o r b i t i n s e r t i o n i n L E O , o r d e p l o y m u l t i p l e S M V s v i a a s u b o r b i t a l p o p - u p m a n e u v e r . S u c h a s y s t e m w o u l d b e e n t i r e l y r e u s a b l e a n d p r o v i d e s i g n i f i c a n t m i s s i o n c a p a b i l i t y a n d f l e x i b i l i t y . E x p e n d a b l e l a u n c h v e h i c l e s c o u l d a l s o b e u t i l i z e d u n d e r s o m e c i r c u m s t a n c e s t o b o o s t S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e s t o L E O a n d b e y o n d .

Mini-Spaceplane Technology Program T h e M i n i - S p a c e p l a n e T e c h n o l o g y P r o g r a m i s a 2 4 m o n t h , $ 6 . 4 M c o n t r a c t w i t h B o e i n g t o s t u d y S M V a p p l i c a t i o n s a n d d e s i g n r e q u i r e m e n t s , p e r f o r m c o n c e p t u a l d e s i g n t r a d e s , a n d t o u n d e r t a k e t w o a d v a n c e d t e c h n o l o g y d e m o n s t r a t i o n s . T h i s p r o g r a m i s f u n d e d b y t h e S p a c e O p e r a t i o n s V e h i c l e S y s t e m P r o g r a m O f f i c e a n d i s j o i n t l y m a n a g e d b y A F R L ' s A i r V e h i c l e a n d S p a c e V e h i c l e D i r e c t o r a t e s .

I n t h e f i r s t a d v a n c e d t e c h n o l o g y d e m o n s t r a t i o n , B o e i n g d e s i g n e d a w i n g b o x a n d c e n t e r f u s e l a g e s t r u c t u r a l t e s t a r t i c l e u s i n g a d v a n c e d c o m p o s i t e s . T h i s t e s t a r t i c l e w a s t h e n f a b r i c a t e d u n d e r a s i s t e r c o n t r a c t a n d t e s t e d t o f a i l u r e b y t h e A i r F o r c e R e s e a r c h L a b o r a t o r y i n S e p t e m b e r 1 9 9 7 . T h e s e c o n d a d v a n c e d t e c h n o l o g y d e m o n s t r a t i o n i s t h e d e s i g n , f a b r i c a t i o n , a n d t e s t i n g o f a n u n p o w e r e d , 9 0 % s c a l e , f l i g h t t e s t v e h i c l e . G r o u n d a n d c a p t i v e - c a r r y t e s t i n g o f t h i s S M V f l i g h t t e s t v e h i c l e i s c u r r e n t l y u n d e r w a y a t H o l l o m a n A i r F o r c e B a s e , N e w M e x i c o ; a u t o n o m o u s a p p r o a c h a n d l a n d i n g f l i g h t t e s t s a r e s c h e d u l e d f o r t h e s u m m e r o f 1 9 9 8 . T h e s e d e m o n s t r a t i o n s a r e d i s c u s s e d i n m o r e d e t a i l b e l o w .

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AIAA-98-4149

Composite Structure Advanced Technology Demonstration T h e o b j e c t i v e o f t h e c o m p o s i t e s t r u c t u r e a d v a n c e d t e c h n o l o g y d e m o n s t r a t i o n w a s t o d e m o n s t r a t e a l o w c o s t , l o w w e i g h t c o m p o s i t e s t r u c t u r e f o r t h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e , a s w e l l a s v a l i d a t e d e s i g n m e t h o d s a n d l o a d p a t h s . A w e i g h t g o a l o f 1.0 l b p e r s f t w e t t e d a r e a w a s s e l e c t e d a l o n g w i t h a c o s t g o a l o f $ 3 0 0 0 p e r l b o f s t r u c t u r e . T h e s t r u c t u r a l t e s t a r t i c l e d e s i g n u s e d B o e i n g ' s REFLY™ 1 0 9 - 1 c o n f i g u r a t i o n a s t h e s t r u c t u r a l b a s e l i n e ( F i g u r e 2 ) . T h i s c o n f i g u r a t i o n i s p r i m a r i l y m a d e o f h i g h - t e m p e r a t u r e - c u r e g r a p h i t e e p o x y c o m p o s i t e s . A m a j o r p o r t i o n o f t h e S M V s t r u c t u r e w a s s e l e c t e d f o r d e s i g n , f a b r i c a t i o n , a n d t e s t i n g . T h i s w i n g b o x a n d c e n t e r f u s e l a g e s e c t i o n ( F i g u r e 3 ) e x t e n d s f r o m t h e f o r w a r d l o a d e x t e n s i o n s t r u c t u r e , f o r w a r d o f t h e w i n g , t h r o u g h t h e m i d -f u s e l a g e a n d w i n g b o x , t o t h e a f t l o a d e x t e n s i o n j u s t f o r w a r d o f t h e r u d d e r v a t o r s . F i g u r e 4 p r e s e n t s d e s i g n h i g h l i g h t s o f t h e t e s t a r t i c l e . T h e a c t u a l t e s t s t r u c t u r e a p p e a r s i n F i g u r e s 5 a n d 6 .

A l t h o u g h t h e s t r u c t u r a l t e s t a r t i c l e w a s d e s i g n e d u n d e r t h e M i n i - S p a c e p l a n e T e c h n o l o g y P r o g r a m , i t w a s c o n s t r u c t e d b y B o e i n g u n d e r t h e M i n i C e n t e r F u s e l a g e & W i n g b o x D e m o n s t r a t i o n t a s k o f t h e A F R L S t r u c t u r a l T e s t A r t i c l e P r o g r a m . A f t e r a b o u t a 6 M o n t h , $ 6 0 0 K l o a d s a n a l y s i s , f a b r i c a t i o n , a n d i n s t r u m e n t a t i o n e f f o r t , B o e i n g d e l i v e r e d t h e s t r u c t u r a l t e s t a r t i c l e t o t h e A i r F o r c e i n A u g u s t 1 9 9 7 . I n S e p t e m b e r i t e n t e r e d A F R L , A i r V e h i c l e D i r e c t o r a t e ' s i n - h o u s e S t r u c t u r a l T e s t F a c i l i t y a t W r i g h t - P a t t e r s o n A i r F o r c e B a s e . S t r u c t u r a l t e s t i n g t o f a i l u r e o f t h e w i n g b o x a n d c e n t e r f u s e l a g e s e c t i o n w a s c o m p l e t e d i n S e p t e m b e r . ^ T w o l o a d i n g c o n d i t i o n s w e r e s e l e c t e d t h a t c o r r e s p o n d e d t o w o r s t c a s e l o a d i n g s r e s u l t i n g f r o m a n S M V l a u n c h f r o m a n a i r - d r o p p e d e x p e n d a b l e l a u n c h v e h i c l e . A s y m m e t r i c l o a d i n g c o n d i t i o n w a s s t a t i c a l l y t e s t e d t o 8 0 % o f t h e d e s i g n u l t i m a t e l o a d . A n u n s y m m e t r i c l o a d i n g c o n d i t i o n w a s t h e n s t a t i c a l l y t e s t e d t o f a i l u r e , w h i c h o c c u r r e d a t a b o u t 1 6 0 % o f t h e d e s i g n u l t i m a t e l o a d .

T h e s e t e s t s s u c c e s s f u l l y v a l i d a t e d t h e p r e - t e s t d e s i g n a n d l o a d p a t h a n a l y s e s . T h e c o s t g o a l o f l e s s t h a n $ 3 0 0 0 / l b w a s a l s o m e t . T h e final o b j e c t i v e o f t h i s a d v a n c e d t e c h n o l o g y d e m o n s t r a t i o n , a s t r u c t u r a l w e i g h t o f 1 .0 I b / s f t o f w e t t e d a r e a , w a s e f f e c t i v e l y i f n o t e x p l i c i t l y m e t . A l t h o u g h t h e a s - b u i l t s t r u c t u r a l w e i g h t c a m e t o 1 . 0 8 I b / s f t , s o m e o n - h a n d , h e a v i e r t h a n r e q u i r e d m a t e r i a l w a s e m p l o y e d i n a n o n - c r i t i c a l a r e a o f t h e s t r u c t u r e t o s a v e m o n e y . A n a l y s e s s h o w t h a t u s i n g t h e l i g h t e r , m o r e e x p e n s i v e m a t e r i a l w o u l d h a v e r e s u l t e d i n 0 . 9 6 I b / s f t . •

Autonomous Approach & Landing Advanced Technology Demonstration T h e o b j e c t i v e s o f t h i s a d v a n c e d t e c h n o l o g y d e m o n s t r a t i o n a r e t o v a l i d a t e S M V l o w s p e e d h a n d l i n g q u a l i t i e s , a v i o n i c s , a n d d e m o n s t r a t e a u t o n o m o u s

a p p r o a c h a n d l a n d i n g g u i d a n c e a n d c o n t r o l . U n d e r t h e M i n i - S p a c e p l a n e T e c h n o l o g y P r o g r a m , B o e i n g d e s i g n e d a n d b u i l t a 9 0 % - s c a l e " S M V f l i g h t t e s t v e h i c l e ( F i g u r e 7 ) b a s e d o n t h e i r R E F L Y T M 3 0 9 - 6 c o n f i g u r a t i o n . T h i s f l i g h t t e s t v e h i c l e h a s a g r a p h i t e -e p o x y a n d a l u m i n u m h o n e y c o m b s t r u c t u r e a n d w e i g h s 2 6 0 0 l b . F o r c a p t i v e - c a r r y a n d f r e e - f l i g h t t e s t s , t h e S M V f l i g h t t e s t v e h i c l e i s a t t a c h e d t o a s t r o n g h a c k a p p a r a t u s ( F i g u r e 8 ) . T h e s t r o n g h a c k i s r i g g e d t o c a r r y t h e f l i g h t t e s t v e h i c l e a t a n a n g l e o f a t t a c k a t a b o u t - 2 d e g . T h e f l i g h t t e s t v e h i c l e i s a t t a c h e d t o a 7 f t d i a m e t e r p a r a c h u t e o n a 3 0 f t l i n e f o r s t a b i l i z a t i o n i n t h e t o w c o n f i g u r a t i o n . T h e f l i g h t t e s t v e h i c l e r i g i s l i f t e d v e r t i c a l l y a n d t o w e d o n a 7 0 f t t e t h e r b y a S i k o r s k y H H - 6 0 B l a c k H a w k h e l i c o p t e r ( F i g u r e 9 . )

T h i s f l i g h t t e s t p r o g r a m i s c u r r e n t l y u n d e r w a y a t H o l l o m a n A i r F o r c e B a s e ( F i g u r e s 1 0 - 1 2 ) . E x t e n s i v e s t a t i c a n d d y n a m i c g r o u n d t e s t s a n d c a p t i v e - c a r r y f l i g h t t e s t s h a v e b e e n c o m p l e t e d a s o f t h e d a t e t h i s p a p e r w a s w r i t t e n . ' • T h e s e t e s t s i n i t i a l l y v e r i f i e d t h e o p e r a t i o n o f t h e s e p a r a t i o n , e m e r g e n c y r e c o v e r y , l a n d i n g , a n d c o m m u n i c a t i o n s u b s y s t e m s . A t o t a l o f e i g h t c a p t i v e -c a r r y t e s t s a c c o m p l i s h e d n u m e r o u s o b j e c t i v e s . T h e s e i n c l u d e d d e m o n s t r a t i n g s t a b l e t o w o f b o t h t h e s t r o n g h a c k a l o n e a n d s t r o n g h a c k / f l i g h t t e s t v e h i c l e c o m b i n a t i o n b y t h e H H - 6 0 h e l i c o p t e r . I n - f l i g h t p e r f o r m a n c e w a s c h a r a c t e r i z e d f o r t h e r a d a r a l t i m e t e r , G P S / I N S , a c t u a t i o n , i n s t r u m e n t a t i o n , a n d a i r d a t a s u b s y s t e m s . F l i g h t t e s t v e h i c l e b a s e p r e s s u r e w a s c o l l e c t e d t o c o n f i r m d r a g p r e d i c t i o n . P e r f o r m a n c e o f t h e r a n g e t r a c k i n g s y s t e m w a s a l s o c h a r a c t e r i z e d . P r a c t i c e r u n s t h r o u g h t h e r e l e a s e b o x c o n f i r m e d t h e h e l i c o p t e r p i l o t ' s a b i l i t y t o m e e t a l t i t u d e , s p e e d , h o r i z o n t a l p o s i t i o n , a n d l o a d o s c i l l a t i o n r e q u i r e m e n t s w i t h t h e f l i g h t t e s t v e h i c l e u n d e r t o w . T h e s e t e s t s a l s o s e r v e d a s a t r a i n i n g p e r i o d f o r p e r s o n n e l m a n n i n g t h e c o n t r o l v a n .

C a p t i v e - t a x i t e s t s w e r e c o m p l e t e d t o v e r i f y s a f e t o w o f t h e f l i g h t t e s t v e h i c l e b y t h e g r o u n d t o w t e s t v e h i c l e a t s p e e d s u p t o 7 7 m p h . S e v e n t e e n f r e e - t a x i t e s t s a t s p e e d s u p t o 6 2 m p h h a v e c h a r a c t e r i z e d t h e o p e r a t i o n o f t h e a u t o n o m o u s n a v i g a t i o n , g u i d a n c e , s t e e r i n g , a n d b r a k i n g s u b s y s t e m s . T h e s e t e s t s p r o v i d e d t i r e s i d e f o r c e c o e f f i c i e n t a n d b r a k e t o r q u e d a t a r e q u i r e d t o r e f i n e g u i d a n c e a n d c o n t r o l g a i n s . A 7 7 m p h b r a k i n g p a r a c h u t e r u n w i l l b e c o n d u c t e d t h i s s u m m e r d u r i n g a r e g r e s s i o n t e s t p e r i o d .

A s e r i e s o f a u t o n o m o u s a p p r o a c h a n d l a n d i n g f r e e -f l i g h t t e s t s a r e s c h e d u l e d f o r t h e s u m m e r o f 1 9 9 8 . F o r t h e s e t e s t s , t h e S M V f l i g h t t e s t v e h i c l e w i l l b e r e l e a s e d f r o m t h e s t r o n g h a c k a t a b o u t 9 , 0 0 0 f t a b o v e g r o u n d l e v e l , a b o u t 3 n m i f r o m t h e t o u c h d o w n p o i n t , a n d a s p e e d o f a b o u t 9 0 k t s . D u a l - g l i d e s l o p e a u t o n o m o u s a p p r o a c h a n d l a n d i n g g u i d a n c e l o g i c i s e m p l o y e d b y t h e S M V , s i m i l a r t o t h a t u s e d b y t h e S p a c e S h u t t l e . A f t e r r e l e a s e , t h e f l i g h t t e s t v e h i c l e w i l l d i v e s t e e p l y

' A c t u a l l y , 1 0 0 % s c a l e o f a n e a r l i e r d e s i g n . '' T h i s p a p e r w a s w r i t t e n i n M a y 1 9 9 8 .

3

AIAA-98-4149

a n d a c c e l e r a t e , m a i n t a i n i n g a c o n s t a n t . 2 5 g n o r m a l a c c e l e r a t i o n u n t i l r e a c h i n g a r e l a t i v e s p e e d o f a b o u t 2 4 0 k t s . A t t h i s p o i n t t h e S M V f l i g h t t e s t v e h i c l e w i l l h a v e e n t e r e d t h e a p p r o a c h p r o f i l e , a n d i t w i l l p e r f o r m a . 6 g p u l l - u p t o e n t e r a c o n s t a n t - 2 2 d e g s t e e p g l i d e s l o p e . W h e n a n a l t i t u d e o f a b o u t 9 0 0 f t i s r e a c h e d , t h e v e h i c l e w i l l p e r f o r m a s e c o n d , . 5 g p u l l - u p t o a - 1 . 5 d e g s h a l l o w g l i d e s l o p e . T h e S M V f l i g h t t e s t v e h i c l e w i l l d e p l o y i t s l a n d i n g g e a r a t a n a l t i t u d e o f 1 5 0 f t , a n d p e r f o r m a f i n a l l a n d i n g f l a r e a t a b o u t 3 0 t o 5 0 f t a b o v e g r o u n d l e v e l . T o u c h d o w n s p e e d w i l l b e a b o u t 1 6 0 k t s . N o s e w h e e l s t e e r i n g w i l l b e u s e d t o t r a c k t h e r u n w a y c e n t e r l i n e a n d c l o s e d l o o p a u t o b r a k i n g w i l l b e e m p l o y e d t o c o n t r o l r o l l - o u t d e c e l e r a t i o n .

The Future Future SMV Development T h e M i n i - S p a c e p l a n e T e c h n o l o g y P r o g r a m d e s c r i b e d a b o v e i s a p o r t i o n o f t h e f i r s t p h a s e o f a p l a n n e d ( b u t c u r r e n t l y u n f u n d e d ) m u l t i - p h a s e d A i r F o r c e S M V d e v e l o p m e n t a n d a c q u i s i t i o n p r o g r a m . T h e P h a s e I o b j e c t i v e s a r e t o e x a m i n e s y s t e m r e q u i r e m e n t s , c o n d u c t e x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n o f k e y s y s t e m c o m p o n e n t s , a n d t o p e r f o r m i t e r a t i v e c o n c e p t u a l d e s i g n . T h i s p h a s e w a s i n i t i a t e d i n t h e f a l l o f 1 9 9 6 w i t h t h e M i n i - S p a c e p l a n e T e c h n o l o g y P r o g r a m . A d d i t i o n a l c o n c e p t d e s i g n a n d o p t i o n a l e x p e r i m e n t a l d e m o n s t r a t i o n s a r e n e c e s s a r y t o c o m p l e t e t h i s p h a s e . I f f u n d s b e c o m e a v a i l a b l e , c u r r e n t A i r F o r c e p l a n s a r e t o l e t t h r e e c o m p e t i t i v e c o n t r a c t s l a t e r t h i s y e a r t o c o n t i n u e t h i s p h a s e a n d l e a d t o a d o w n - s e l e c t t o o n e c o n t r a c t o r i n t h e f a l l o f 1 9 9 9 .

T h e P h a s e I I o b j e c t i v e s a r e t o d e s i g n a n d b u i l d t w o S M V f l i g h t t e s t v e h i c l e s , a n d t o i n c r e m e n t a l l y e x p a n d t h e i r f l i g h t e n v e l o p e . A s e r i e s o f s u b s o n i c t h r o u g h h y p e r s o n i c p o w e r e d f l i g h t t e s t s u s i n g e x i s t i n g r o c k e t e n g i n e t e c h n o l o g y a r e p l a n n e d . T h i s p h a s e w o u l d a l s o i n c l u d e h i g h h y p e r s o n i c , s u b o r b i t a l f l i g h t d e m o n s t r a t i o n s u s i n g e x p e n d a b l e b o o s t e r s . S u c c e s s f u l c o m p l e t i o n o f t h e s e t e s t s w o u l d l e a d t o o n e o r m o r e o r b i t a l m i s s i o n t e s t s . F o r t h i s , t h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e w o u l d b e i n s e r t e d i n t o o r b i t w i t h e i t h e r t h e S p a c e S h u t t l e o r a n e x p e n d a b l e b o o s t e r . I n P h a s e I I I , t h e S M V f l i g h t t e s t v e h i c l e s w o u l d b e l a u n c h e d i n a p o p - u p m o d e b y t h e S p a c e O p e r a t i o n s V e h i c l e s u b o r b i t a l d e m o n s t r a t o r .

SMV as a Technology Testbed A S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e t e c h n o l o g y d e m o n s t r a t o r c a n b e f l i g h t t e s t e d t o h y p e r s o n i c a n d o r b i t a l v e l o c i t i e s a n d s e r v e a s a n i n e x p e n s i v e t e s t - b e d f o r a n u m b e r o f h y p e r s o n i c a n d s p a c e p l a n e t e c h n o l o g i e s . D u r i n g b o t h t h e a s c e n t a n d r e e n t r y p h a s e s o f f l i g h t , t h e S M V t r a v e r s e s m u c h o f t h e h y p e r s o n i c f l i g h t e n v i r o n m e n t t h a t c a n n o t b e s i m u l a t e d i n g r o u n d t e s t f a c i l i t i e s . A n o r b i t a l S M V c o u l d b e u s e d t o t e s t h i g h t e m p e r a t u r e m a t e r i a l s , a c t i v e a n d p a s s i v e t h e r m a l p r o t e c t i o n s y s t e m s , a n d h i g h t e m p e r a t u r e s e n s o r w i n d o w s . I t c o u l d a l s o p r o v i d e h i g h t e m p e r a t u r e , r e a c t i n g g a s f l o w f i e l d a n d b o u n d a r y l a y e r d a t a c r i t i c a l f o r

c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s m e t h o d s v a l i d a t i o n . S i n c e t h e v e h i c l e w i l l h a v e b o t h a e r o d y n a m i c c o n t r o l s u r f a c e s a n d a t t i t u d e c o n t r o l t h r u s t e r s , g u i d a n c e , n a v i g a t i o n , c o n t r o l , a v i o n i c s , a n d a c t u a t i o n s u b s y s t e m s a n d s o f t w a r e c o u l d p o t e n t i a l l y b e t e s t e d d u r i n g o n - o r b i t a n d r e e n t r y m a n e u v e r i n g d e m o n s t r a t i o n s . T h e l a r g e A V c a p a b i l i t y w o u l d p r o v i d e a n u n p a r a l l e l e d o n - o r b i t m a n e u v e r i n g a b i l i t y a n d i t s m o d e r a t e h y p e r s o n i c l i f t - t o -d r a g r a t i o a e r o d y n a m i c s h a p e c o u l d b e u s e d t o d e m o n s t r a t e s i n g l e a n d m u l t i - p a s s a e r o b r a k i n g a n d a e r o a s s i s t e d p l a n e c h a n g e m a n e u v e r s . S u b o r b i t a l o r w h o l l y e n d o a t m o s p h e r i c t r a j e c t o r i e s c o u l d a l s o b e f l o w n t o t e s t a d v a n c e d h y p e r s o n i c a i r b r e a t h i n g e n g i n e c o n c e p t s .

P e r h a p s t h e g r e a t e s t v a l u e o f a S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e t e c h n o l o g y d e m o n s t r a t o r , h o w e v e r , w o u l d b e i t s u s e a s a n o p e r a t i o n s t e s t - b e d a n d t o e v a l u a t e a i r c r a f t - l i k e o p e r a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y t e c h n o l o g i e s . S M V - u n i q u e m i s s i o n s c o u l d b e f l o w n a s w e l l a s s i m u l a t e d S O V m i s s i o n s . L e s s o n s l e a r n e d f r o m b o t h g r o u n d a n d o n - o r b i t o p e r a t i o n s c o u l d b e i n v a l u a b l e f o r f u t u r e r e u s a b l e l a u n c h s y s t e m s .

Summary

T h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e b e i n g e x a m i n e d u n d e r t h e M i n i - S p a c e p l a n e T e c h n o l o g y P r o g r a m i s a s m a l l , r e u s a b l e u p p e r s t a g e v e h i c l e c o n c e p t w i t h a l a r g e o n -o r b i t d w e l l t i m e a n d A V c a p a b i l i t y . I t i s a c r i t i c a l c o m p o n e n t o f t h e o v e r a l l S p a c e O p e r a t i o n V e h i c l e s y s t e m a r c h i t e c t u r e u n d e r d e v e l o p m e n t b y t h e A i r F o r c e R e s e a r c h L a b o r a t o r y . T h i s p a p e r h a s p r e s e n t e d a n o v e r v i e w o f t h e o n - g o i n g M i n i - S p a c e p l a n e T e c h n o l o g y P r o g r a m , a s i g n i f i c a n t first s t e p i n d e v e l o p i n g t h e S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e .

Acknowledgments C o l . C r a i g M c P h e r s o n a n d M a j . K e n V e r d e r a m e o f t h e S p a c e O p e r a t i o n s V e h i c l e P r o g r a m O f f i c e , A F R L . T h e e n t i r e U S A F a n d B o e i n g S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e t e a m , e s p e c i a l l y U S A F S M V T e s t D i r e c t o r , C a p t J e f f J a n i c i k o f t h e S p a c e a n d M i s s i l e S y s t e m s C e n t e r , U S A F S M V T e s t C o n d u c t o r , C a p t . M i k e K e l l y o f t h e 5 8 6 F l i g h t T e s t S q u a d r o n , a n d F l i g h t T e s t P i l o t , L t . C o l . C h e v a l l i e r o f t h e 4 2 2 T e s t a n d E v a l u a t i o n S q u a d r o n . A l s o , M s E s t e l l e A n s e l m o a n d M r . C h r i s C l a y o f t h e A i r V e h i c l e s D i r e c t o r a t e , A E R L .

References

1 . H e r z b e r g , J . , A l v a r a d o , B . , a n d K i l g o r e , T . , " R e u s a b l e S p a c e v e h i c l e T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n s S t u d y , " W r i g h t L a b o r a t o r y T e c h n i c a l R e p o r t , W L - T R -9 6 - 3 0 7 0 , D e c e m b e r 1 9 9 5 .

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2 . A n s e l m o , E . , D e l M u n d o , P . , a n d C l a y , C , " S p a c e M a n e u v e r V e h i c l e ( S M V ) C e n t e r F u s e l a g e T e c h ­n o l o g y D e m o n s t r a t o r , " P r e s e n t e d a t t h e 3'^'' C o n f e r e n c e o n N e x t G e n e r a t i o n L a u n c h S y s t e m s , S p a c e T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n s I n t e r n a t i o n a l F o r u m , A l b u q u e r q u e , N e w M e x i c o , 2 5 - 2 9 J a n u a r y 1 9 9 8 .

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Figure 1 Artist Rendition of a Space Maneuver Vehicle at Touchdown Flare

Figure 2 REFLY SMV Configuration 109-1 as Structural Baseline

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Figure 3 SMV Wing Box and Center Fuselage Test Article

L

AFT LOAD EXTENSION • {Steel Angle;

AFT UPPER FUSELAGE (Graph ite/epoxy-nomex core sandwich)

FWD UPPER FUSELAGE (Graph ite/epoxy-nomex core sandwich)

FWD LOAD EXTENSION (Alum weldment and angles'"'^ bolted to fuselage)

WING LOAD EXTENSION (Machined aluminum plate assembly bolted to fuselage)

LOWER FUSELAGE (One-piece graphite/epoxy-nomex core sandwich)

Figure 4 SMV Test Article Design Highlights

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Figure 7 SMV Flight Test Vehicle at Roll-Out, September 1997

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Figure 10 SMV Flight Test

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