El combustible de alta energía ( HEF , por sus siglas en inglés), también conocido como combustible de alta energía , es un miembro de una familia de combustibles para aviones que contienen aditivos en forma de compuestos de hidroboro o boranos . Los combustibles de alta energía ofrecen una mayor densidad energética que los combustibles convencionales, lo que ayuda a ampliar el alcance de los aviones a reacción. En la década de 1950, cuando el corto alcance de los aviones a reacción era un problema importante para los planificadores militares, los combustibles de alta energía fueron un tema de estudio importante.
Se diseñaron varios aviones para utilizar zip, incluidos el XB-70 Valkyrie , el XF-108 Rapier , así como el BOMARC e incluso el programa de aviones de propulsión nuclear . La Armada consideró convertir todos sus motores a reacción a zip y comenzó a estudiar la conversión de sus portaaviones para almacenarlo de forma segura.
Durante las pruebas, se demostró que los combustibles tenían varios problemas graves y todo el proyecto fue finalmente cancelado en 1959.
El combustible con mayor densidad energética (en peso) en las combinaciones de propulsores más comunes es el hidrógeno . Sin embargo, el hidrógeno gaseoso tiene una densidad (volumétrica) muy baja; el hidrógeno licuado tiene una densidad más alta, pero es complejo y costoso de almacenar. Cuando se combina con carbono, el hidrógeno puede convertirse en combustibles de hidrocarburos que se queman fácilmente . Otros elementos, como el aluminio y el berilio , tienen un contenido energético incluso mayor que el carbono, pero no se mezclan bien para formar un combustible estable que se pueda quemar fácilmente. [1]
De todos los elementos de baja masa, el boro tiene la combinación de alta energía, bajo peso y amplia disponibilidad que lo hace interesante como combustible potencial. [1] Los boranos tienen una alta energía específica , alrededor de 70.000 kJ/kg (30.000 BTU/lb). Esto se compara favorablemente con un combustible típico basado en queroseno , como JP-4 o RP-1 , que proporciona alrededor de 42.000 kJ/kg (18.000 BTU/lb). [2] Sin embargo, no son adecuados para quemarse como combustible por sí solos, ya que a menudo son propensos a la autoignición en contacto con el aire, lo que los hace peligrosos de manipular. [3]
Cuando se mezclan con combustibles para aviones convencionales, aumentan el contenido energético y se vuelven algo más estables. En términos generales, los combustibles mejorados con boro ofrecen hasta un 40% más de densidad energética que el JP-4 simple, tanto en términos de peso como de volumen. [3] [4] En los EE. UU. se investigó toda una familia de combustibles, a los que generalmente se hace referencia por los nombres que se les asignaron durante el Proyecto HEF de la Fuerza Aérea: HEF-1 (etildiborano), HEF-2 (propilpentaborano), HEF-3 (etildecaborano), HEF-4 (metildecaborano) y HEF-5 (etilacetilenodecaborano). [4]
Los combustibles Zip tienen una serie de desventajas. Por un lado, el combustible es tóxico, al igual que sus gases de escape. Esto no era un problema importante durante el vuelo, pero sí lo era para las tripulaciones de tierra que realizaban el mantenimiento de las aeronaves. Los combustibles se queman y crean sólidos que son pegajosos y corrosivos, mientras que los sólidos de carburo de boro son abrasivos. Esto causó graves problemas en las palas de las turbinas de los motores a reacción, donde los gases de escape se acumulaban en las palas y reducían su eficacia y, en ocasiones, causaban fallos catastróficos del motor. [5] [6] Por último, la columna de gases de escape está llena de partículas, como el humo del carbón, lo que permite detectar visualmente una aeronave a larga distancia.
Al final, el problema de quemar HEF en todo el motor resultó imposible de resolver. Eliminar la acumulación era difícil y el desgaste que causaba era algo que la ciencia de los materiales no podía abordar. Era posible quemarlo con relativa facilidad en un postquemador , pero esto solo sería efectivo en aeronaves que usaran un postquemador durante períodos prolongados. Combinado con el alto costo de producción del combustible y los problemas de toxicidad, el valor del combustible zip se redujo seriamente.
Después de que el interés por los boranos como combustible para aviones disminuyó, se continuó con algunas investigaciones a pequeña escala sobre su uso como combustible para cohetes. Esto también resultó ser un callejón sin salida, ya que los óxidos de boro sólidos en los productos de combustión interferían con la termodinámica esperada y no se pudieron aprovechar las ventajas de empuje. [7]
A lo largo de los años se han realizado varios estudios sobre los combustibles borados, empezando por el Proyecto HERMES relacionado con los cohetes del Ejército de los EE. UU. a finales de la década de 1940, el Proyecto ZIP de la Oficina de Aeronáutica de la Marina de los EE. UU. en 1952, [3] y el Proyecto HEF (combustibles de alta energía) de la Fuerza Aérea de los EE. UU. en 1955. [8] Durante gran parte de la década de 1950, los combustibles zip se consideraron la "próxima gran novedad" y se gastaron fondos considerables en estos proyectos en un esfuerzo por ponerlos en servicio. El nombre de la Marina se mantuvo, y todos los combustibles borados pasaron a conocerse como "combustibles zip", aunque la denominación de la Fuerza Aérea para los propios combustibles se volvió común.
El principal impulso del programa de la Fuerza Aérea se basó en el HEF-3, que parecía ser el candidato más probable para una rápida introducción. El HEF se convirtió en parte de los esfuerzos del WS-110 para construir un nuevo bombardero de largo alcance para reemplazar al B-52 Stratofortress con un diseño capaz de despegar a velocidades de hasta Mach 2. Los diseños iniciales de Boeing y North American Aviation (NAA) usaban combustibles convencionales para el despegue y el vuelo de crucero, cambiando a HEF durante el despegue a alta velocidad, quemándolo solo en sus secciones de postcombustión. [9] Esto evitó los principales problemas con el HEF; al quemarlo solo en los postquemadores, se eliminó el problema de la acumulación en la turbina, y dado que los postquemadores solo se usaban para el despegue y el vuelo a alta velocidad, los problemas con el escape tóxico se redujeron en gran medida.
Cuando los diseños iniciales resultaron ser demasiado caros para justificar su relativamente pequeña mejora de rendimiento, ambos volvieron a la mesa de dibujo y presentaron nuevos diseños que volaban a velocidades supersónicas durante la mayor parte de una misión de combate. Estos diseños se basaban en nuevos motores diseñados para un vuelo sostenido a alta velocidad, con el NAA B-70 Valkyrie y el General Electric J93 progresando hasta la etapa de prototipo. En estos casos, los postquemadores se utilizaron durante un período más largo, maximizando los beneficios del HEF. Hubo planes para introducir una versión posterior del J93 que quemaría HEF-4 en todo momento. Mientras tanto, también hubo estudios sobre el uso de HEF-3 en los estatorreactores BOMARC, [10] así como estudios sobre su transporte en la flota de portaaviones de la Armada de los EE. UU. para propulsar aviones futuros, pero ambos programas se extinguieron.
Como los problemas se estaban demostrando intratables, la Fuerza Aérea canceló su programa en 1959, y el interés en el ZIP prácticamente desapareció. En ese momento, el único diseño que todavía consideraba utilizar HEF era el XB-70 y su J93. La NAA y General Electric respondieron rediseñando el motor para que funcionara con una nueva forma de combustible para aviones de mayor densidad, el JP-6, y llenando uno de los dos compartimentos de bombas con un nuevo tanque de combustible. Al hacerlo, el alcance se redujo drásticamente de aproximadamente 7.700 a 5.500 millas náuticas (14.300 a 10.200 km). [4] Esto redujo la selección de objetivos que podían ser atacados desde los EE. UU. y requirió reabastecimiento en vuelo para cada perfil de misión, un problema más que llevó a la eventual reorientación del proyecto como un avión puramente experimental.
Se estima que Estados Unidos gastó alrededor de mil millones de dólares en el programa, en dólares ajustados a la inflación de 2001. [8] Se construyeron al menos cinco plantas de producción de HEF en Estados Unidos, y dos trabajadores murieron en una explosión que destruyó una planta en Nueva York. [8] [11] La mayor parte del programa fue clasificado como Alto Secreto mientras se llevaba a cabo, pero sin embargo fue ampliamente cubierto tanto en la prensa especializada como en los periódicos civiles. [12] Tanto Estados Unidos como la Unión Soviética desclasificaron independientemente su investigación en 1964.
Una reliquia potencialmente duradera del programa HEF es un aeródromo de tierra abandonado en las afueras de Boron, California . Marcado en los mapas topográficos del USGS como "Planta de la Fuerza Aérea N.º 72", nunca se construyó en el sitio nada más que la pista de aterrizaje y un tanque de agua. Se especula que esto habría sido una fábrica de combustible HEF, que utilizaba los grandes depósitos de bórax cercanos (que dan nombre a la ciudad), desde donde podría enviarse fácilmente a la Base de la Fuerza Aérea Edwards . [4] Otra rama de la investigación sobre combustible zip es el uso de trietilborano como agente de ignición para el combustible JP-7 utilizado en el SR-71 Blackbird.