Project Bee - Parte I, Solo una idea

Martin B-57B registro USAF 52-1576 cedido a la NACA por la duración del programa. Sobre el acabado estándar de los Canberras de la USAF, negro satinado e insignias en rojo, se pintaron paneles en naranja fluorescente. Fuente: NASA

El cambio climático obliga al mundo a buscar una alternativa a los combustibles fósiles. La industria aeronáutica, siendo esta especialmente sensible a este "commodity", está en la vanguardia de esta búsqueda y está planteando el uso de hidrógeno como combustible.

Ahora bien, la idea de utilizar hidrógeno en aviación no es nueva, ya en 1957 un Martin B-57 Canberra especialmente modificado participó en un exitoso programa de pruebas. Estamos hablando del llamado "Project Bee" y en las dos partes de este post conoceremos su historia.

La motivación detrás del uso del hidrógeno como combustible de uso aeronáutico no respondía a una preocupación por el impacto ambiental; respondía netamente a una necesidad militar. En la década de los 50, la principal amenaza para los aviones de reconocimiento eran los misiles antiaéreos (SAM); la manera en que se buscó disminuir su amenaza fue volar más alto, por encima de su alcance. Esto daría origen al conocido Lockheed U-2 y su impresionante techo de servicio de 69,882 ft (21,300 m).

Resultaba claro que la próxima generación de aviones de reconocimiento debían volar aún más alto que el "Dragon Lady" y esto viene acompañado de un problema bastante particular. El tradicional JP-4 tiene una puede ser quemado entre los 60 y 65,000 ft (18,288 a 19,812 m) de altura; por encima de dicho límite la eficiencia en su combustión cae vertiginosamente.

Tanto la Armada, como la Fuerza Aérea de los E.E.U.U. (USAF) comenzaron sus propios programas de investigación sobre combustibles alternativos. Sobre la mesa había varias opciones: diborano, pentaborano, polvos de magnesio o aluminio y por supuesto, hidrógeno liquido.

Sin embargo, el interés de ambas fuerzas y sus asesores científicos en el hidrógeno era casi nulo antes de 1954. La Armada dio el puntapié inicial, con un programa muy ambicioso sobre el uso de diborano a los cuales se les unió la USAF, junto con la NACA (agencia precursora de la NASA).
El diborano, resultó ser un excelente combustible para cohetes por su baja masa molecular; pero como indicó un panel de la Junta de Asesoramiento Científico de la USAF, en abril de 1952, esta condición era: "irrelevante para los motores a reacción". Tras varias reuniones con sus asesores, la USAF llegó a la conclusión que el hidrógeno era el mejor candidato.

Una idea con potencial

En 1954 un turborreactor podía operar hasta los 44,947 ft (13,700 m) sin experimentar una pérdida marcada en su combustión. por lo que se inició un programa de investigación desarrollado en el Laboratorio de Propulsión de Vuelo Lewis ubicado en Cleveland, Ohio; tenía como objetivo estudiar posibles mejoras en el diseño de los motores para aumentar su altitud de servicio, pero de esta manera se podía extender la altitud de servicio hasta los 68,897 ft (21,000 m), cuando el objetivo era 100,065 ft (30,500 m).

Esto llevó a los investigadores de Lewis a probar con el hidrógeno gaseoso como alternativa y los resultaron bien valieron la pena. En su informe final, completado dos días antes de la Navidad de 1954 (aunque su publicación ocurrió cinco meses después), indicaron que la combustión del hidrógeno era muy buena en las cámaras de combustión de un turborreactor a presiones tan bajas como 1/10 de la presión atmosférica; a 1/4 de atmósfera, la eficiencia de la combustión estaba por encima del 90 %. Estos resultados estaban dentro del rango de presiones a las que operarían una aeronave a 100,065 ft (30,500 m). 

Los autores del reporte creían que podían lograr una eficiencia de combustión del 100 % si se mejoraba la  mezcla de hidrógeno y aire. Como alternativa, se estudió brevemente el uso del propano y se encontró que era muy inferior al hidrógeno, con la diferencia atribuida a la mayor velocidad de la llama del hidrógeno y a los límites de inflamabilidad más amplios.

Abe Silverstein, Director Asociado del laboratorio Lewis, se volvió uno de los principales impulsores del hidrógeno. Silverstein vio una forma de compaginar la mejor combustión de este elemento con su principal desventaja, la baja densidad. Ya que a grandes altitudes y bajas velocidades, se necesitan alas grandes, estás exigen un fuselaje proporcionalmente grande; por lo que se puede aprovechar el volumen interno de la célula de la aeronave para almacenar el hidrógeno, siempre y cuando se pudiese diseñar unos que fueran livianos.

Tras recibir el visto bueno del Director de la NACA, Hugh Dryden, la idea fue presentada ante la USAF, que se interesó en un principio por la propuesta. En su presentación, Silverstein y su colega analista Eldon Hall, reconocieron los factores negativos inherentes al hidrógeno. A la ya mencionada baja densidad, le sumaron la baja disponibilidad y las dificultades para su manipulación. Pero por otro lado defendían, enumerando cuatro puntos, su aplicación: 

Tanque de hidrógeno conceptualizado por Silverstein y Hall. Este diseño medía 25 m de largo, 3 de diámetro y contenía 11,300 kg de hidrógeno.
Fuente: Liquid Hydrogen as a Jet Fuel for High Altitude Aircraft.
Traducido y retocado digitalmente por No Barrel Rolls.

• Una necesidad militar que solo este combustible podía satisfacer.
• Las ventajas de la utilización del hidrógeno a gran altitud.
• La mejora en la tecnología de los motores, permitía reducir su peso manteniendo la misma potencia.
• Aprovechamiento de alas y fuselajes de grandes dimensiones en las aeronaves diseñadas para gran altitud.

Los dos primeros puntos, eran producto de las características atómicas del hidrógeno. El tercero favorecía el peso total de la aeronave y el cuarto respondía a la necesidad de espació físico para almacenarlo en la aeronave. En cuanto a la disponibilidad y la manipulación, Silverstein y Hall citaron experiencias pasadas, lo que implica que si los problemas de vuelo pudieran resolverse, también podrían hacerlo aquellos en tierra.

Ambos autores reconocían que el almacenamiento era el principal problema. Basándose en la tecnología de los ICBM, particularmente el Atlas,  sugirieron que los tanques de hidrógeno líquido se construyeran como globos cilíndricos utilizando metal de espesor muy fino, dependiendo de la presión interna para mantener la forma.

Usando este diseño básico para el tanque de hidrógeno, ambos científicos conceptualizaron tres tipos de aeronaves que lo aprovechaban: un bombardero subsónico, un avión de reconocimiento subsónico y un caza supersónico. De estos tres, se determino que el segundo caso sería la aplicación más práctica. 

Según sus estimaciones, dicha aeronave tendría un peso al despegue de 88,148 lb (40,000 kg) con tanques de hidrógeno en las alas y el fuselaje, así como tanques suplementarios para aumentar su alcance. Siendo capaz de operar a una altitud de 78,740 lb (24,000 m) a 7,289 nmi (13,500 km) de su base. 

Silverstein y Hall concluyeron que: "dentro del estado de la tecnología y el progreso previsto, las aeronaves diseñadas para utilizar hidrógeno líquido como combustible pueden realizar varias misiones importantes que aeronaves equivalentes, utilizando hidrocarburos (JP-4) no pueden realizar". La teoría era sólida, pero había que probarlo de manera práctica. 

Diseño conceptual de una aeronave de reconocimiento utilizando hidrógeno como combustible.
Fuente: Liquid Hydrogen as a Jet Fuel for High Altitude Aircraft.
Traducido y retocado digitalmente por No Barrel Rolls.

Project Bee

Entusiasmada por la idea, la USAF solicitó presupuesto a varios fabricantes aeronáuticos para realizar un programa de evaluación técnica, dichos presupuestos promediaban los U$S 4 millones (más de U$S 42 millones actualmente) y una duración de tres años, siendo inaceptable para la USAF; por lo que decantó por encargar el trabajo a la NACA. Silverstein, prometió que el programa se extendería por 12 meses a un costo de U$S 1 millón (U$S 10.5 millones actualmente); quedando el programa definido oficialmente mediante un acuerdo en diciembre de 1955.

Conocido con el nombre de "Project Bee", este programa de investigación sería dirigido por Paul Ordin, con Donald Mulholland como su asistente y bajo la atenta mirada del propio Silverstein quien se involucró en el proyecto de una manera bastante directa.

El bombardero Martin B-57B, registro USAF 52-1576 (n/s 166), fue seleccionado como banco de pruebas. Gracias a sus dos turborreactores Curtiss Wright J-65 y su altitud crucero de 50,000 ft (15,240 m) la aeronave resultaba ideal para este programa. 

52-1576 recibió varias modificaciones, empezando por un tanque de hidrógeno liquido en la punta del ala de babor. El hidrógeno sería conducido mediante una tubería presurizada a un intercambiador de calor ubicado en la parte baja del ala, en el lugar antes ocupado por las munición de los cañones en el ala. En el intercambiador, el hidrógeno sería gasificado y por medio de otra tubería llegaría a un regulador ubicado en la bahía de munición alar y de ahí transferido a la turbina.

Un detalle interesante del intercambiador de calor era su construcción. Estando constituido por 28 tubos de cobre de 15.8 mm de diámetro y 304.8 mm de largo con aletas para aumentar su superficie.
La admisión estaba diseñada para un caudal de aire de 0.79 kg/s a una velocidad de 0.72 Mach y a 50,000 ft.

Originalmente, se había pensado en utilizar una bomba exclusivamente para el circuito de hidrógeno, pero al no estar disponible de manera inmediata, el equipo optó por el uso de helio para presurizar y mover el hidrógeno por el sistema. Este gas era almacenado en un tanque en la punta del ala de estribor, el cual tenía una capacidad de 880 in³ (14,40 l) a una presión de 3,000 lb/in² (210.9 kg/cm²).

Dos bombas de corte, una ubicada en la parte "líquida" del circuito junto al tanque y la otra en la parte "gaseosa" cerca del motor controlaban el flujo del hidrógeno. Una bomba permitía ventear el tanque en caso de acumulación de gases. Asimismo, el tanque contaba con un sistema de purga en caso de emergencia.

Diagrama mostrando la instalación del sistema de hidrógeno. 1. Tanque de hidrógeno líquido; 2. Tubería de combustible; 3. Intercambiador de calor; 4. Colector del motor; 5. Tubería de helio y 6. Tanque de helio. Fuente: NASA, retocado digitalmente por No Barrel Rolls.

Para controlar el flujo, se había modificado el sistema de combustible convencional de la aeronave, adaptando el sistema de medición del JP-4 para el hidrógeno. Todo el sistema y la regulación del hidrógeno era controlado por el copiloto en la cabina trasera del avión.

El motor J-65 recibió un segundo juego de inyectores en su cámara de combustión para la inyección del hidrógeno gaseoso. Esto permitió la operación del motor en tres modos: Solo JP-4, solo hidrógeno y combinado JP-4/hidrógeno.

Debido a que el tanque de hidrógeno era mucho más largo que el tanque suplementario regular de un Canberra (76 cm de diámetro y 7 metros de largo, contra 81 cm de diámetro y 4.26 metros de largo), había una preocupación por la generación de vibraciones atípicas en el ala. Por este motivo, se realizaron algunas pruebas de vuelo con un tanque simulado para verificar su seguridad.

Todo el sistema estaba diseñado para alimentar con hidrógeno al motor de babor durante un periodo de entre 20 a 30 minutos a una velocidad de Mach 0.72 y a una altitud de 50,000 ft. Con este fin, la aeronave cargaría 200 lb (90.7 kg) de hidrógeno al despegue.

El perfil de misión consistía en despegar utilizando JP -4 y al llegar a la altura designada, uno de los motores pasaría al combustible alternativo. Cada salida, desde el rodaje hasta el aterrizaje, debía durar alrededor de 55 minutos.

Todo estaba listo para el primer vuelo, pero esa será la historia del siguiente posteo.