Project Bee - Parte II, El Canberra a hidrogeno

Vista trasera del 52-1576 donde se puede ver bien la insignia de la NACA en la deriva y el tanque de hidrógeno líquido en la punta del ala izquierda y el intercambiador de calor utilizado para gasificarlo. Fuente: NASA.

Continuando con la historia del "Project Bee", todo estaba listo para probar la factibilidad del uso de hidrógeno en una aeronave. El lago Erie, se convirtió en el escenario de un programa de vuelos de prueba, los cuales brindaron mucha información sobre el uso de esta sustancia como alternativa al JP-4.

Project Bee, demostrará la validez del concepto y nos dejará valiosas lecciones, que como veremos a continuación, pueden llegar a ser de gran utilidad en estos tiempos.

Establecidos los parámetros técnicos para realizar la prueba, era el momento de buscar a la tripulación. La responsabilidad de pilotear al B-57B modificado cayó sobre el piloto de pruebas principal de la NACA, William V. Gough, Jr. 

Gough era un veterano piloto naval, siendo el cuarto piloto de la Armada en ser certificado en helicópteros y el decimotercero para aviones a reacción. Se unió a la NACA después de la guerra y para principios de mayo había realizado la transición al B-57, en las instalaciones de Martin en Baltimore.

A él, se unirá otro piloto de pruebas, Joseph S. Algranti; quien viajaría en el asiento trasero siendo responsable de los controles especiales del sistema de combustible de hidrógeno. Algranti, participó en las pruebas en tierra del sistema desde el inicio del proyecto. A ellos, se sumó un tercer piloto como suplente, que estuvo a cargo de la estación de control en tierra.

Debido al riesgo asociado a volar una aeronave con un combustible volátil como el hidrógeno, se decidió aprovechar la proximidad del lago Erie a las instalaciones de la NACA en Cleveland. Mientras el equipo ultimaba los detalles, la USAF transfirió al 52-1576 para ser modificado.

Uno de los problemas principales que debía resolver el equipo era la provisión y almacenamiento del hidrógeno líquido. La USAF puso a disposición equipos móviles de licuefacción de hidrógeno y tanques de almacenamiento provenientes del programa de bombas de hidrógeno; lo que permitió al laboratorio Lewis conseguir un abastecimiento parcial del mismo. Adicionalmente, en la primera mitad de 1956 y como parte de otro programa, se construyó en Painesville, Ohio, una planta de licuefacción de hidrógeno con una capacidad de 680 kg por día. Resolviendo de manera definitiva la provisión del mismo durante la duración del programa.

Silverstein no quería dejar ningún detalle al azar e insistió en una revisión minuciosa del motor y del sistema de alimentación, utilizando alternativamente JP-4 e hidrógeno como combustibles, en un túnel de viento que permitía simular diferentes altitudes. Este trabajo fue realizado por un equipo liderado por Harold R. Kaufman y contaba con la participación de Algranti. 

Kaufman concluyó que el JP-4 obtenía una combustión estable hasta los 65,616 ft (20,000 m) y el "flame-out" se producía a los 75,459 ft (23,000 m). Por el contrario, el hidrógeno se mantuvo estable hasta el límite del túnel de viento, es decir a los 88,582 ft (27,000 m) a la velocidad y temperatura nominales de vuelo. El empuje resultante fue entre un 2 y 4% más alto y el consumo específico de combustible fue de 60 a 70 % más bajo que con JP-4.

Durante estas pruebas, se realizaron 38 transiciones de JP-4 a hidrógeno donde tres de cada cuatro resultaron exitosas. Aquellas que no lo fueron, provocaron aceleraciones en la velocidad de giro del motor, sin ser lo suficientemente serias como para que los ingenieros las consideraran un riesgo. Con estos resultados satisfactorios, se procedió a autorizar el vuelo.

Los vuelos de prueba

A medida que se acercaba la Navidad, los pilotos Gough y Algranti realizaron una serie de vuelos de verificación sin hidrógeno. El gran día llegó el 23 de diciembre de 1956, tras una verificación final, el B-57 fue abastecido con JP-4 para luego ser remolcado a un extremo del aeropuerto de Cleveland donde cargó hidrógeno líquido. 

El respiradero del tanque se conectó por tubería a un área de descarga bastante alejada del avión y el sistema se purgó con helio. A continuación, 207 lb (94 kg) de hidrógeno líquido fueron cargadas en el tanque de la punta del ala. El personal de tierra dejó conectado el sistema de venteo hasta que Gough encendió los motores del avión de manera convencional. En ese momento, Algranti cerró la válvula de venteo, el personal de tierra se retiró y el B-57 comenzó a rodar por la pista, siendo acompañado por una aeronave de persecución.

La altitud de crucero de 49,868 ft (15,200 m) se alcanzó tras una hora de vuelo . Durante este tiempo, el tanque tuvo que ser venteado 8 veces para mantener la presión interna dentro de los límites.

El origen en este aumento de la presión interna del tanque se debe a la acumulación de hidrógeno gaseoso en la parte superior del tanque de manera espontánea. Este fenómeno, fue causado por los gradientes térmicos y la estratificación del hidrógeno líquido y su vapor. Sin embargo la agitación del hidrógeno dentro del tanque durante el rodaje del avión por la pista ralentizó este aumento de presión. Durante el despegue, la presión del tanque cayó bruscamente debido a la agitación. Sin embargo, una vez en el aire, dicha agitación cesó y la presión comenzó a aumentar aproximadamente al mismo ritmo que en las pruebas estacionarias. 

Algranti sabía que, gracias a este fenómeno, la presión dentro del tanque podría aumentar entre 14.69 a 51.4 psi (1 a 3.5 atm); pero al ver que durante el vuelo la presión comenzaba a exceder este umbral, se vió obligado a ventear el tanque para mantener la presión estable, perdiendo alrededor del 16 % del hidrógeno durante el proceso. 

Al momento de hacer la transición de JP-4 a hidrógeno, el motor respondió acelerando rápidamente su velocidad de giro y vibrando excesivamente. Esto sorprendió a ambos pilotos quienes lo apagaron inmediatamente, purgaron las líneas y desecharon el hidrógeno líquido remanente en el tanque. 

Los problemas para la tripulación no terminaban, el clima sobre el lago comenzó a deteriorarse, por lo que Gough decidió abortar la salida y regresar, sin un motor, de manera inmediata a Cleveland. Acompañado por el avión de seguimiento, el B-57 realizó un perfecto aterrizaje bajo una fina lluvia. Este primer vuelo no resultó en un completo fracaso, ya que se pudo demostrar que se podía controlar y descartar el hidrógeno de manera segura. 

El segundo vuelo también daría un resultado parcial. La transición de JP-4 a hidrógeno se realizó de manera exitosa, pero un flujo insuficiente del mismo no permitió que el motor funcionara a un régimen óptimo. Al igual que en el primer vuelo, gran parte del hidrógeno fue descartado durante el vuelo sin incidentes. La descarga del hidrógeno tomó unos 3 minutos y formo un denso penacho que se disipó rápidamente.

En este clip, se puede ver al 52-1576 durante los vuelos de prueba del Project Bee. Se puede ver claramente los tanques de helio y de hidrógeno construidos en acero inoxidable.
Fuente: NASA Glenn Research and Technology vía Youtube.

Gracias a la experiencia anterior, el equipo mejoró el procedimiento para pasar de JP-4 a hidrógeno; logrando el 13 de febrero de 1957, el primero de una serie de tres vuelos exitosos. Siguiendo este nuevo procedimiento, las líneas eran purgadas primero con helio y luego, se alimentaba al motor de manera simultánea con JP-4 e hidrógeno por unos dos minutos, antes de cortar el suministro de JP-4.

De esta manera se conseguía una transición más suave sin que se apreciaran cambios significativos en la velocidad de giro de la turbina, ni en la temperatura de la tobera; manteniendo la alimentación con hidrógeno por unos 20 minutos. Los pilotos estaban complacidos al verificar que el motor respondía bien al mando de gases y cuando el suministro de hidrógeno comenzaba a agotarse, la velocidad de giro se reducía y era en ese momento, que se retornaba a la alimentación con JP-4.
Un fenómeno que se verifico durante estos vuelos era la presencia de una larga y densa estela de condensación en el motor cuando quemaba hidrógeno.

Esta primera serie de vuelos había demostrado que era posible, seguro y práctico la utilización del hidrógeno. Sin embargo, una de las limitaciones era el uso de helio para presurizar las líneas de hidrógeno, ante la limitación de una bomba dedicada. 

Para 1959, una bomba hidráulica de cinco cilindros había sido especialmente desarrollada e instalada en la punta del tanque de hidrógeno líquido. Tres vuelos adicionales se realizaron a continuación y en todos la transición entre combustibles se realizó exitosamente.

Las conclusiones

Project Bee produjo toneladas de datos que fueron analizadas por la comunidad científica con detenimiento y sumo interés. Tras demostrar que era posible la utilización del hidrógeno en una aeronave de manera segura, las mentes de los ingenieros comenzaron a trabajar a velocidad vertiginosa.

Se crearon varios conceptos de motores alimentados por hidrógeno exclusivamente, e incluso, un ram-jet que sería capaz de impulsar una aeronave a Mach 18 utilizando hidrógeno como combustible. El hidrógeno era el combustible del futuro.

La USAF se subió a esta ola de entusiasmo por el nuevo combustible, financiando el famoso programa "Suntan" que daría origen al nonato Lockheed CL-400. Sin embargo, el costo y la dificultad para obtener el hidrógeno representaron un obstáculo que la USAF no lograba superar; además los sistemas SAM soviéticos habían mejorado muchísimo siendo capaz de interceptar una aeronave a 70,000 ft (21,300 m).

Esta instantánea, tomada en 1971, muestra al 52-1576 ahora NASA 809 durante su participación en el programa de desarrollo del paracaídas para la sonda Viking. La insignia de la "V" en la nariz fue aplicada durante la duración de este programa. Fuente: NASA.

Simplemente, volar más alto no era la solución. Lentamente, se empezó a gravitar hacia otras plataformas como satélites espías y aeronaves de reconocimiento más veloces como el Lockheed A-12 y el posterior SR-71 Blackbird. El hidrógeno quedaría reservado exclusivamente como combustible para cohetes; es más, el conocimiento obtenido por el Project Bee resultó fundamental para el programa espacial.

Quien sí gozó de una larga y distinguida carrera, fue el 52-1576. Tras su paso por el Project Bee, permaneció en la NACA como plataforma de pruebas. Cuando la agencia se convirtió en la actual NASA, la aeronave fue transferida al Flight Research Centre en la Base Aérea Edwards en el desierto de Mojave; recibiendo la matrícula civil N516NA, para luego ser rematriculado posteriormente como N809NA.

Durante su tiempo en la NASA, N809NA o mejor conocido como "NASA 809" participó en el programa de desarrollo del paracaídas de las sonda Viking que llegaron a Marte, lanzando prototipos con diferentes configuraciones para verificar su apertura. 

Para 1982, ya al final de su carrera operativa, NASA 809 participó en un programa de estudio de las turbulencias. Estos experimentos produjeron datos sobre ondas de montaña, turbulencia convectiva, de aire claro y corrientes de chorro. La aeronave fue dada de baja en 1987 y actualmente, se la encuentra almacenada en el Flight Test Museum de la USAF en Edwards.

65 años han pasado desde que este B-57B modificado voló con hidrógeno, y nuevamente, la industria de la aviación vuelve a ver un potencial en el hidrógeno. Airbus anunció su programa ZEROe con el objetivo de desarrollar una gama de aviones comerciales con cero emisiones utilizando hidrógeno líquido como combustible para el 2035.

El fabricante europeo, propone dos maneras de utilizar el más simple de todos los elementos de la tabla periódica, utilizarlo como combustible para unos turbofans o bien, mediante una célula de combustible, produciendo electricidad para alimentar motores eléctricos; tecnología utilizada por primera vez en las misiones Gemini, que volaron al espacio por primera vez en 1964. 

Si hay algo que podemos aprender del "Project Bee" es que quizás, las respuestas a los problemas actuales de la aviación, no requieran reinventar la rueda; quizás con solo con revolver un poco en su historia se encuentren las respuestas o al menos, algunas buenas ideas.

NASA 809 en la plataforma del Centro de Pruebas Ames-Dryden de la NASA en 1982. En la última etapa de su carrera, la aeronave estuvo asignada a un programa para el estudio de las turbulencias antes de ser retirara de servicio en 1987. Fuente: NASA.

Fuentes (Partes I y II):

• Silverstein, A. y Hall, E. W. Liquid Hydrogen as a Jet Fuel for High-altitude Aircraft. Washington D.C; E.E.U.U: NACA, 1955. 
Disponible en: https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc52869/m2/1/high_res_d/19630002665.pdf
• Mulholland, D. R; Acker, L. W; Christenson, H. H. y otros. Flight Investigation of a Liquid-hydrogen Fuel System. Washington D.C; E.E.U.U: NACA, 1957. 
Disponible en: https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc53242/m2/1/high_res_d/19710069807.pdf
• Sloop, J. L. Liquid hydrogen as a propulsion fuel, 1945-1959. Washington D.C; E.E.U.U: NASA, 1978. 
  Disponible en: https://history.nasa.gov/SP-4404/contents.htm
• Warbird News. (Mayo 10, 2021). Flight Test Files: Martin B-57B Canberra. Warbird Digest. 
  Disponible: https://warbirdsnews.com/warbird-articles/flight-test-filesmartin-b-57b-canberra-ready-needs-tlc.html
• Skaarup, H. A. California Warplanes. E.E.U.U: iUniverse, 2012.