La barreta volante y radioactiva, el Proyecto Pluto/SLAM

Modelo en escala para fines promocionales del SLAM, realizado por Vought.
Créditos a quien corresponda.

Llega fin de año y siempre tenemos el mismo problema, tras coordinar las agendas de todos los invitados y  organizar la cena de fin de año, siempre pasa que en los últimos momentos del año viejo la conversación se vuelve aburrida y todos comienzan a mirar sus relojes esperando que den las 12.

La historia del Proyecto Pluto/SLAM, califica como interesante, curiosa, y un poco espeluznante. Creo que le resultará ideal como material de conversación y una forma apropiada para terminar este 2021.

A mediados de los años 50 el omnipotente Strategic Air Command (SAC) de la USAF concentraba en sus manos la capacidad de retaliación atómica de los E.E.U.U. sus principales medios para este cometido eran los bombarderos estratégicos y los misiles balísticos (ICBM).

El problema radicaba en que estos medios tenían una serie de limitaciones. Los bombarderos, por un lado, tenían limitada su autonomía, por lo que requerían de reabastecimiento en vuelo además de que eran intrínsecamente vulnerables al fuego antiaéreo. Los ICBM por otro lado, eran una solución a los bombarderos, pero los mismos estaban en su infancia, por lo que no eran muy confiables.

Ademas de convertirse en un arma mortífera, la más letal que el hombre haya concebido, el poder del átomo prometía una fuente de energía inagotable que podía abastecer a los hogares con energía eléctrica, una planta motriz para submarinos que pudieran navegar sumergidos de manera casi indefinida o; cómo propuso el Pentágono, impulsar un bombardero no piloteado o mejor aún; un misil crucero supersónico que pudiese volar a muy baja altitud portando una ojiva nuclear.

Este nuevo tipo de misil recibió el nombre de SLAM, siglas de Supersonic Low Altitude Missile (Misil Supersónico de Baja Altitud). La mejor manera de lograr la velocidad y autonomía requerida para el SLAM era combinar un motor ramjet (estatorreactor, en castellano) un reactor nuclear. 

El principio de funcionamiento de un ramjet es bastante simple; para empezar, carece de partes móviles como compresores o turbinas; por lo que la compresión del aire se realiza gracias a las altas velocidades a las que debe funcionar. 

A mediados de los 50, el Convair B-36 Peacemaker era el principal vector nuclear del Strategic Air Command de la USAF. Fuente: USAF vía Wikimedia Commons

Para lograr esto, la entrada de aire del ramjet tiene un difusor, el cuál comprime el aire y aumenta su temperatura por el efecto de la presión dinámica. A continuación se produce la combustión del aire en la cámara de combustión, donde hay una serie de inyectores que pulverizan el combustible de manera continua. 

Finalmente, los gases resultantes de la combustión salen a gran velocidad por la tobera, la cual tiene forma convergente-divergente, con flujo subsónico de los gases en el tramo convergente, flujo sónico en la garganta y flujo supersónico al expandirse en la zona divergente. La única limitación que tienen los ramjet, es que necesitan una velocidad mínima de 162 kn (300 km/h) para poder funcionar.

Un reactor nuclear, es capaz de generar enormes cantidades de calor, pudiendo reemplazar a los inyectores de combustible, junto al carburante convencional, como medio para calentar el aire comprimido. Además, el uso de esta tecnología prometía darle al misil un alcance a baja altitud extraordinario, aproximadamente 98,272 nmi (182,000 km) es decir más de 4.5 veces la circunferencia de la Tierra. 

Una vez en territorio enemigo, el SLAM podía lanzar 16 ojivas nucleares a diferentes blancos, mientras permanecía indetectable a los radares al volar bajo y gran velocidad.

El primero de enero de 1957, la USAF y la Comisión de Energía Atómica de E.E.U.U. (AEC, en inglés) seleccionaron al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (predecesor del actual Laboratorio Nacional Lawrence Livermore o LLNL por sus siglas en inglés), localizado en Berkeley, California para realizar los estudios de factibilidad sobre el uso de reactores nucleares en un ramjet. 
Asimismo, la USAF otorgó contratos complementarios a Vought para la construcción del SLAM y a Marquardt Aircraft para la construcción del resto del ramjet.

Corte esquemático del ramjet nuclear del proyecto Pluto. Créditos a quién corresponda.

Conocido como "Project Pluto" ("Proyecto Plutón", si lo traducimos), los científicos tenían un desafío para nada pequeño entre sus manos. A diferencia de los reactores comerciales, que están rodeados por cientos de toneladas de hormigón, el reactor de 500 MW del SLAM tenía que ser lo suficientemente pequeño y compacto para volar, pero lo suficientemente resistente para sobrevivir el viaje hasta la Unión Soviética.

El equipo, liderado por el físico Ted Merkle, sabía que necesitarían desarrollar nuevas tecnologías metalúrgicas y de materiales. Los motores neumáticos necesarios para mover las barras de control del reactor operarían al rojo vivo, expuestos a una gran cantidad de radiación durante el vuelo. 

Pluto requería de nuevas tecnologías en metalúrgica y electrónica para que tuviera éxito. Los motores neumáticos necesarios para mover las barras de control del reactor operarían al rojo vivo, expuestos a una gran cantidad de radiación durante el vuelo. Además, la temperatura de trabajo del reactor, sumado a la fricción del aire a velocidad supersónica, los metales más comunes de uso aeronáutico se fundirían casi inmediatamente. 

Otro de los aspectos revolucionarios de SLAM era sus sistema de navegación totalmente autónomo. Este sistema se conocerá como Terrain Contour Matching o TERCOM. Este sistema esta basado en el uso de un radar altímetro que compara permanentemente durante el vuelo el perfil del terreno, con un mapa grabado en el sistema de navegación del misil. 

Liberando el átomo

Debido a que la eficiencia del ramjet es proporcional a la temperatura; quedó claro para el equipo de Merkle, que "Tory", como había sido apodado el reactor debería funcionar a temperaturas de al menos 1,300ºC; incluso las aleaciones resistentes a las altas temperaturas resultarían inadecuadas para este uso, perdiendo sus propiedades mecánicas.

Para solucionar este problema, se le encargó a la empresa Coors Porcelain Company, la construcción de 500,000 elementos combustibles cerámicos producto de una mezcla de óxido de berilio (BeO), dióxido de uranio (UO2) y dióxido de zirconio (ZrO2). Cada barra tenía las dimensiones de un lápiz y ademas de funcionar como combustible, distribuirían el calor de manera pareja en el reactor.

Vista aérea de las instalaciones para generar los 450,000 kg de aire comprimido necesarios para alimentar al Tory durante una prueba. Créditos a quien corresponda.

El otro problema a resolver fue la placa trasera del reactor, la cual funcionaba como tapa y era la que mayor temperatura concentraba. Los ingenieros evaluaron diferentes materiales resistentes a la corrosión y a las altas temperaturas; pero el simple echo de instalar una sonda para medir la temperatura de esta pieza era un problema; la sola temperatura de Tory era capaz de fundirlas. 
Las tolerancias eran tan estrechas en el reactor que el material finalmente elegido tenía una temperatura de auto ignición unos 150º más alta que la temperatura máxima de trabajo del reactor.

A pesar de todo, Merkle y su equipo, habían logrado desarrollar un reactor muy compacto que podía ser instalado en un misil, pero había tantas incógnitas alrededor del diseño que sólo el construir una versión completamente funcional era la única manera de despejar cualquier duda.

Dejando sus instalaciones en Livermore, California; el equipo se traslada al sitio de pruebas nucleares de Jackass Flats, conocido como Site 401. Con un costo de U$S 1.2 millones (casi U$S 12 millones actualmente); este complejo de 21 km² consistía en 10 km de calles pavimentadas, instalaciones para el montaje y desmontaje del reactor, una estación de control, junto a instalaciones asociadas. 

Tory-IIA el primer reactor nuclear diseñado para impulsar un ramjet en su banco de pruebas.
Fuente: Gobierno de los E.E.U.U. vía Wikimedia Commons

Debido a la intensa radiación que emitiría el reactor cuando estuviera en funcionamiento, se construyo un ferrocarril totalmente automatizado para trasladar el reactor unos tres kilómetros desde el banco de pruebas al edificio de desmontaje, donde el reactor "caliente" sería desarmado e inspeccionado minuciosamente por control remoto desde un edificio anexo ubicado a una distancia segura. 
Claro que los científicos eran muy precavidos y este edificio hacía las veces de búnker, conteniendo un suministro de alimentos y agua para dos semanas.

Adicionalmente, se construyeron 40 km de tuberías, del mismo tipo que las utilizadas en la industria del petróleo, para almacenar 450,000 kg de aire comprimido que serían utilizados para simular las condiciones de vuelo del ramjet. Para generar esta cantidad de aire presurizado, el laboratorio pidió prestados unos compresores gigantes a la base de submarinos de la Armada en Groton, Connecticut. 

Para hacer la prueba lo más realista posible, el aire debía ser calentado. Considerando una prueba de cinco minutos, una tonelada de aire por segundo sería forzada a travez de 14 millones de bolas de acero de 25 cm de diámetro en unos tanques de acero calentados a 732ºC.

Tory-IIC siendo trasladado sobre un vagón playo y una locomotora. La misma era comandada a control remoto después de la prueba debido a la emisión de radiación.
Fuente: Gobierno de los E.E.U.U. vía Wikimedia Commons.

La mañana del 14 de mayo de 1961, Tory-IIA (una versión a escala del modelo original), el primer ramjet nuclear del mundo se encendió por primera vez funcionando por unos segundos a una fracción de su potencia, pero la prueba fue considerada como un éxito rotundo. Los ingenieros comenzaron a trabajar en una versión más ligera y más potente denominada Tory-IIB, la cual nunca saldría del tablero de dibujo.

Casi el mismo día, pero tres años más tarde en 1964, el Tory-IIC (la versión a escala completa) rompería con la calma del desierto al ser encendido por primera vez. Este reactor sería sometido a otra prueba, tres semanas más tarde al funcionar durante cinco minutos seguidos a una potencia de 513 MW, generando 35,000 lb (15,875 kg) de empuje. Es interesante notar que el escape despidió mucha menos radicación de lo esperado, demostrando a los funcionarios de la AEC y a los generales de la USAF que asistieron al evento que un ramjet nuclear era posible.
(Nota del autor: A modo de comparación, la central atómica más potente de España, la Central nuclear de Cofrentes en Valencia tiene una potencia de 1.092 MW).

Diagrama interno del SLAM, podemos ver las diferentes aleaciones utilizadas para su construcción. Fuente: Proceedings of Nuclear Propulsion

The flying crowbar

Mientras el rugido atómico del Tory sonaba en el desierto, el equipo de Vought debía encontrar la manera de desarrollar un fuselaje capaz de llevarlo de manera segura a que cumpliera con su misión.

El diseño original no se desviaba mucho de un misil contemporáneo, con la diferencia de que tenía una toma de aire en la nariz, con un cono difusor y unas pequeñas aletas para estabilidad y control. Debido a que el ramjet solo comienza a funcionar a velocidades por encima de los 162 kn (300 km/h); un cohete de combustible sólido (booster) estaba instalado en la parte de abajo. Este se encargaría de ascelerar el SLAM hasta la velocidad optima para encender el ramjet.

Le tomó a Vought unas 1,600 horas en el túnel de viento hasta perfeccionar el diseño final del misil. Se reemplazó la toma de aire en la nariz, por una en la parte de abajo del fuselaje completa con un difusor cónico; más tarde se usaría una toma con forma de "V". Esta disposición garantizaba un mejor flujo de aire hacia el motor y mejoraba la estabilidad del misil. Esta configuración le valió el apodo de "the flying crowbar" o "la barreta voladora".

Las superficies aerodinámicas estaban compuestas por tres aletas estabilizadoras de grandes superficies, combinadas con otras tres más pequeñas en la nariz que se encargaban de la dirección de la aeronave. El único booster, fue reemplazado por una batería de tres más pequeños.

Maqueta de túnel de viento del SLAM, fotografiado en el Centro de Investigación Langley de la NASA en 1963. Fuente: NASA vía Wikimedia Commons

Ningún fabricante antes de Vought se había encontrado con el desafio de construir un fuselaje para un misil que medía 26.8 metros de largo para volar a Mach 3 al nivel del mar, en cualquier condición meteorológica. Esta exigente envolvente de vuelo implicaba que la fricción del aire elevaría la temperatura del misil hasta los 537ºC con una presión sonora de 162 db. 

Buscar el material adecuado probó ser difícil. Finalmente, los ingenieros seleccionaron una superaleación resistente a la alta temperatura basada en el níquel conocida como René 41. Desarrollada por General Electric, la misma conserva alta resistencia en el rango de temperatura de 649 a 982ºC y había sido previamente utilizada en el revestimiento exterior de la cápsula espacial Mercury.

Se utilizaron espesores de chapa de entre 1/10 a 1/4 de pulgada (2.5 a 6.35 mm) para la construcción del misil. El René 41, se utilizará para la sección trasera del misil la cual contiene al reactor. Mientras que las secciones delanteras del misil estarían construidas en acero inoxidable 15-7 (UNS S15700) revestido en oro para disipar el calor. Vought construyó una maqueta de túnel de viento a 1/3 de escala de la nariz, la toma de aire y el conducto de admisión para ser probado en un túnel de viento.

Otro tema fue la disposición de los otros elementos, para empezar la nariz de la aeronave alojaría la aviónica del misil, incluido el sistema de navegación TERCOM. Buscar componentes que resistieran la alta radiación llevó a desarrollar un giróscopo con rodamientos por lamina de aire y la sustitución de semiconductores o aislantes por otros similares pero cerámicos.

El siguiente elemento, era la carga bélica la cual consistía en 16 ojivas nucleares de 1 megatón, las cuales eran eyectadas de manera individual en una trayectoria curva a medida que el misil volaba sobre sus objetivos. 

Para mediados de 1964, el diseño del SLAM estaba listo, el reactor había demostrado ser fiable; solo faltaba unir ambos elementos y realizar una prueba de vuelo; la cual ya se había pactado para 1967. Pero fue justamente en este punto que los principales defensores del proyecto empezaron a tener dudas.

Esta colorida ilustración muestra el perfil de vuelo del SLAM. Fuente: Vought Archives

La escopeta de Elmer

Todos recordaremos el personaje de dibujos animados Elmer Fudd (o Elmer Gruón) quien siempre que está a punto de dispararle a Bugs Bunny, su escopeta falla de una forma aparatosa, muchas veces explotándole en la cara. Al igual que a Elmer, el SLAM, corría el riesgo de volverse un arma más peligrosa para sus creadores que para el enemigo.

Ademas de su carga de ojivas nucleares, el misil en sí era un arma formidable, de solo pensar el daño que provocaría las ondas de choque y de calor de un objeto de más de 26 metros de largo volando a 1,000 ft (300 m) del suelo, a tres veces la velocidad del sonido es suficiente para erizar los pelos. Ni contar que una vez que su misión estuviera cumplida, el misil se estrellaría dejando una montaña de metal humeante y el núcleo del reactor, con su material fisible, completamente expuesto.

Representación artística del SLAM en operación. Créditos a quien corresponda.

La realidad es que el mundo había cambiado mucho desde que al proyecto se le diera luz verde allá a mediados de los 50 hasta el primer encendido del Tory-IIA en 1964, al punto tal de poner en duda la viabilidad de todo el concepto. 

Para ese momento, la tecnología de los ICBMs había mejorado muchísimo, por lo que eran fiables y tenían el alcance necesario para atacar cualquier punto de la Unión Soviética y gracias a su velocidad eran efectivamente imparables una vez lanzados, por ejemplo un misil Thor podía alcanzar sus objetivos en 18 minutos. Comparado con ellos, SLAM era lento y vulnerable, y no estaría en servicio antes de 1970. 

Otro problema importante era programar las pruebas de vuelo. Probar el SLAM en tierra no era factible, por lo que se pensó volarlo sobre el océano Pacífico y luego estrellarlo contra uno de los sitios de pruebas atómicas estadounidenses en la región. Sin embargo, la idea de arrojar toneladas de basura altamente radiactiva a la biosfera no era del agrado de nadie, incluso en la década de 1960. 

El costo también escaló de manera estrepitosa por lo que todo el programa fue, por fortuna para todos, cancelado el 1 de julio de 1964. Pero algo sobrevive del programa SLAM hasta nuestros días, el sistema de navegación TERCOM sería mejorado continuamente hasta convertirse en la base de los sistemas de navegación de los misiles crucero modernos.

Espero que haya disfrutado de esta historia queridos lectores, gracias por sus comentarios y por seguir fielmente a este blog. Les deseo un feliz año nuevo y nos vemos en el 2022. 

Corte esquemático del SLAM, donde se pueden ver la disposición de los elementos internos.
Fuente: Damon Moran Technical Illustrations

Características técnicas (Estimada con el reactor Tory-III)

• Longitud: 26.8 m
• Diámetro: 1.5 m
• Peso operativo: 60,780 lb (27,540 kg)
• Propulsión: Ramjet nuclear con una potencia de 500 MW; Tres cohetes de combustible sólido como boosters.

Rendimiento

• Velocidad máxima: Mach 3.5 a 1,000 ft (300 m); Mach 4.2 a 30,000 ft (9,000 m)
• Techo de servicio: 35,000 ft (10,700 m)
• Alcance: 6,489 nmi (12,018 km) con un peso al despegue de 236,391 lb (107,225 kg)
• Tasa de ascenso: 3,300 ft/min (17 m/s)

Fuentes:

• Proceedings of Nuclear Propulsion Conference. United States Atomic Energy Comission, reproducido por la NASA como NASA-CR-136688. Monterrey, California: Naval Postgraduate School, 1962.
  Disponible en:  https://web.archive.org/web/20100527051701/http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19750064617_1975064617.pdf
• SLAM. Vought Heritage. Disponible en: http://www.vought.org/products/html/slam.html 
• Herken, G. (Abril-Mayo, 1990). The Flying Crowbar. Air & Space Magazine vol.5(1), p.28. Reproducido en: http://www.merkle.com/pluto/pluto.html
• Trakimavičius, L. The Future Role of Nuclear Propulsion in the Military. NATO Energy Security Centre of Excellence. Disponible en: https://enseccoe.org/data/public/uploads/2021/10/d1_the-future-role-of-nuclear-propulsion-in-the-military.pdf