El avión a hidrógeno de los años 50: Bee Project

B-57, un Canberra producido bajo licencia en USA, modificado para alimentar un motor con hidrógeno

El interés por la propulsión con hidrógeno no es nuevo. ¡En 1929 ya se proponían! Y en 2009 cubríamos la conferencia sobre el avión de Boeing con pila de hidrógeno. Y ahora vuelven a la carga… Y son varios los que presumen en sus notas de prensa de ser el primer avión a hidrógeno. Y como somos curiosos y nos gusta investigar, hemos decidido encontrar cuál es el avión más antiguo que voló propulsado por hidrógeno. Y como siempre no ponemos la mano en el fuego, y no diremos que es el primer avión a hidrógeno, sino el más viejo que hemos encontrado.

El interés por propulsar distintos aerodinos con hidrógeno es casi tan antiguo como los primeros aerodinos prácticos. La referencia más antigua que encontramos es de un tal P- Meyer en 1918. Hasta los años 50 aparece mencionado en varios estudios y hay distintas propuestas, ya sea como combustible de cohetes, ya sea para aumentar el alcance de los aviones… pero no es hasta los 50 cuando empieza a considerarse seriamente como combustible de aviones de muy alta altitud. No podemos olvidar que el primer vuelo del U-2 fue en 1955. Y uno de los sitios donde más interés se mostraba por el hidrógeno era el laboratorio Lewis de propulsión en vuelo en Cleveland, de la NACA.

La experiencia operacional había mostrado que los motores de combustión perdían eficiencia a partir de los 25000 pies (7600m). A partir de 1948 se estudiaron distintas posibilidades para solventar esta contrariedad, incluido el uso de metales en polvo como combustible. Otros estudios concluían que los hidrocarburos con largas cadenas lineales se comportaban mejor que los hidrocarburos con aromáticos, y otros estudios proponían el hidrógeno. Pero el hidrógeno era el más interesante desde el punto de vista de energía por unidad de masa, aunque había que trabajar en cómo almacenarlo, pues la relación energía por unidad de volumen dejaba que desear.

A mediados de los años 50 los turborreactores eran eficientes hasta los 45000 pies (13700m), y había estudios que demostraban que el techo para una combustión eficaz sería de unos 69000 pies (21000m). El hidrógeno podría permitirles alcanzar los 100000 pies (30500m). Estos números eran suficientemente interesantes como para intentar diseñar un motor para avión y que funcionara a esa altitud, hubieran tenido en los años 60 lo que ahora llamamos High Altitude Pseudo Satellite (HAPS), pero con hidrógeno, en vez de solar.

¿Las dificultades? Os sonarán: escasez de hidrógeno, dificil almacenamiento y dificil su gestión en una aeronave. Pero las conclusiones eran muy favorables para el hidrógeno, e incluso proponía soluciones para su almacenamiento, básicamente depósitos esféricos encapsulados dentro de cilindros y con material aislante, para mantener baja la temperatura del hidrógeno, distribuidos por alas Y fuselaje. Hasta ese momento, como hoy en día, el fuselaje quedaba libre para armamento y tripulación, siendo llevado el combustible en las alas.

Si juntamos todo, solo se puede encontrar una cosa: hacía falta mucho dinero. Pero la aeronave para la que se proponía era militar, y en plena guerra fría y con las ventajas que podía dar frente al enemigo, era suficiente como para superar todos los problemas económicos y lograr financiación para la investigación y los prototipos. Aunque todo empiece por estudios, como este de la NACA para un caza, un bombardero y un avión de reconocimiento.

Y todo este conocimiento adquirido en laboratorio estaba muy bien. Y todas las publicaciones hechas sobre ello. Pero había que llevarlo a la práctica, al fin y al cabo el papel lo soporta todo. ¿Era realmente viable hacer esto fuera de un laboratorio?.

En otoño de 1955 el laboratorio de propulsión de la USAF de Wright Field [pdf] había preparado una oferta para un proyecto de 3 años y un coste anual de 4 millones de dólares (como se suele decir, de la época). La NACA propuso realizar una demostración en un año y por un solo millón.

El nombre clave del projecto fue Proyecto Abeja (Bee Project). El avión escogido como banco de ensayos fue el Martin B-57, un Canberra fabricado bajo licencia en Estados Unidos. No sería el último B-57 modificado para gran altitud, siendo el RB-57 su variante de producción de más altos vuelos. Hasta la NASA tenía su propia variante para investigación.

El B-57B tenía dos motores Curtiss Wright J-65, alimentados por JP-4 (queroseno). El plan básico consistía en modificar uno de ellos para ser alimentado hasta los 53800 pies (16400m) por queroseno y a partir de ahí cambiar el depósito y ser alimentado por hidrógeno. El motor no necesitaba ser modificado, solo el sistema de alimentación. Una vez terminado el experimento con el hidrógeno, el motor volvía a ser alimentado por queroseno y se aterrizaba.

El hidrógeno sería transportado en un depósito de punta de ala, en el ala izquierda. Y había dos posibilidades para bombearlo: una bomba de hidrógeno líquido, o presurizar con helio. La primera opción era más ligera, y deseable como solución para un avión de serie, pero había que invertir tiempo en su desarrollo. La segunda opción era más pesada, pero más rápida de adoptar, así que fue la elegida. El helio se transportaba en otro depósito de punta de ala, en el ala derecha. Los primeros vuelos se realizaron con el sistema de presurización de helio, y mientras se desarrolló en paralelo la bomba de hidrógeno líquido, lo que permitió finalmente aligerar el sistema.

Los primeros ensayos demostraron que el hidrógeno se quemaba sin problemas en el turborreactor, pero que para mejorar su combustión era deseable convertirlo a gas, así que en el sistema de alimentación del motor se introdujo un intercambiador de calor que calentaba el hidrógeno para gasificarlo.

En otro ensayo se probó una cámara de combustión 1/3 más corta que la original, y aún así el hidrógeno tuvo mejores características que el JP4, y las mantuvo hasta los 85300 pies (26000 metros), ¡19685 pies (6000m) más alto que el límite que habían encontrado para el JP4! ¡y el consumo específico era un 40% el del queroseno!

El equipo de ensayos sufría del mismo problema que habían sufrido sus colegas coheteros de Lewis: escasez de hidrógeno. A mediados de 1956 otro programa del a Fuerza Aérea empezó a constuir una planta de hidrógeno, que para finales de año producía 680kg por día.

Se realizaron 38 transiciones entre alimentar el motor con queroseno y con hidrógeno, y aproximadamente el 75% de ellos fueron sin ningún tipo de problema, presentando el resto pequeñas variaciones de velocidad durante un corto periodo de tiemo, que los ingenieros no juzgaron de importancia.

El depósito alar de acero inoxidable que contenía el hidrógeno a 3.4 atmósferas medía 6.2m de largo, y tenía una capacidad de 1.3 metros cúbicos. Estba revestido con una espuma de plástico aislante de 5cm de espesor, que a su vez estaba revestido de una lámina de aluminio cubierta por fibra de vidrio.

En el ala contraria el depósito de punta de ala contenía 24 esferas a 200 atmósferas cargadas de helio.

Como es obvio, se realizaron muchas pruebas en tierra antes de irse al aire. En ellas se encontró que el hidrógeno comenzaba a gasificarse en los depósitos, aumentando su presión. Así, el día del primer vuelo, 23 de diciembre de 1956, se llevó la aeronave a una zona apartada, donde se cargó con 94 kilogramos de hidrógeno líquido. El piloto sabía que el depósito iba aumentando de presión según se gasificaba parte del hidrógeno, y tenía control sobre una válvula de alivio que debía abrir en caso de alcanzar las 3.5 atmósferas. Desde que comenzó el carreteo hasta que alcanzó los 15200 metros tuvo que aliviar la presión hasta en 8 ocasiones, lo que supuso perder entorno al 16% del hidrógeno que se había cargado en tierra.

Tras realizar la transición de queroseno a hidrógeno, el motor comenzó a vibrar y girar con exceso de velocidad. El piloto detuvo el motor y purgó todo el hidrógeno, y realizó una toma de emergencia con un solo motor.

Aunque el primer vuelo no fue exitoso, se comprobó que se podía gestionar el hidrógeno de una forma segura y se probaron los procedimientos de emergencia. Las pruebas se habían realizado sobre el lago Erie, y la meteo había empeorado, así que tomó acompañado por uno de los aviones de acompañamiento en pistas paralelas en el aeropuerto de Cleveland.

El segundo vuelo tampoco fue exitoso, puesto que aun que se hizo la transición sin problemas, el flujo de hidrógeno no fue suficiente para un correcto funcionamiento.

Pero por fin, el 13 de febrero de 1957, en el tecer vuelo, salió todo como estaba previsto. El motor funcionó con hidrógeno durante 20 minutos y respondió de forma adecuada al mando de gases. El motor que quemaba hidrógeno dejó tras de si un rastro persistente.

Los ensayos, ya con la bomba de hidrógeno líquido, se prolongaron hasta 1959.

El Bee Project era parte de un estudio mucho mayor en el que se consideraban otros combustibles, como el diborano. En 1957 se presentó junto a ellos en una conferencia, con 300 asistentes. En ocho paneles se presentaban 5 motores atmosféricos y 3 cohete. El hidrógeno resultó ser hasta un 70% mejor que el diborano. Al final de la conferencia, y teniendo en cuenta las desventajas del hidrógeno, se concluyó que podía ser muy interesante para dos aplicaciones: un bombardero tripulado de mach 4 y un misil hipersónico de mach 7.

Fuentes: NACA research on hydrogen for high altitude aircraft: Bee Project

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