Tupolev Tu 155: el primer pionero de hidrógeno

El Tupolev Tu-155 (CCCP-85035) en un vuelo de prueba Moscú-Hannover en 1988 (@jong_pj)

El Tupolev Tu-155 (CCCP-85035) propulsado por hidrógeno en un vuelo de prueba Moscú-Hannover en 1988 (Twitter: @jong_pj).

Leo en la prensa especializada que, en medio del repunte de la pandemia de la Covid-19, en septiembre del año 2020, Airbus había lanzado un novedoso y ambicioso proyecto, denominado ZEROe, en el que se aspira alcanzar el nivel cero de emisiones de los aviones comerciales mediante el uso del hidrógeno como combustible principal. Avión Revue, mostraba, en un dossier muy bien planteado y desarrollado, las características intrínsecas del hidrógeno y su viabilidad presente y futura para el transporte aéreo en un entorno sostenible razonado. Pues bien, dicho proyecto incluye el desarrollo de cuatro plataformas distintas, además de diversas soluciones para las plantas propulsoras. Airbus ha presentado, con ello, un revolucionario diseño en ala mixta para vuelos transatlánticos, un birreactor convencional con las alas modificadas para media-larga distancia, un turboprop de tipo regional y, finalmente, una evolución de éste: un avión de seis motores y ala alta con pods removibles tanto para repostar como para su mantenimiento. Por otro lado, se informa que 2023 es el año marcado en que el primer avión con uno de sus motores propulsado por hidrógeno efectuaría su primer vuelo y que para 2035 debería entrar en servicio el primer avión comercial de pasajeros que use como única fuente de combustible el hidrógeno. Sin duda un proyecto con futuro y capacidades, pero que en honor a la verdad, y como se advierte también en la citada publicación, no fue pionero, ya que en los años ochenta se desarrolló en la antigua Unión Soviética un proyecto similar y que merece que mencionemos como un gran hito tecnológico.

Recreación de los futuros proyectos de Airbus en el proyecto ZEROe propulsados exclusivamente por hidrógeno, incluyendo un revolucionario diseño en ala delta para cubrir largas distancias (Airbus).

Recreación de los futuros proyectos de Airbus en el proyecto ZEROe propulsados exclusivamente por hidrógeno, incluyendo un revolucionario diseño en ala delta para cubrir largas distancias (Airbus).

Ciertamente el hidrógeno tiene innegables ventajas. Comparado con la electricidad, tiene más energía que su peso equivalente en baterías eléctricas y produce tres veces más energía que el queroseno. Aunque como no se encuentra puro en la atmósfera hay que emplear energía para producirlo, mediante electrólisis con fuentes de energía renovables puede en el futuro ser producido de forma limpia. En tercer lugar, puede ser transportado a grandes distancias de forma líquida o gaseosa, mediante ciertas modificaciones eso sí, en las infraestructuras actuales. Aún queda el factor (este es básico) de la rentabilidad. Aún la electrólisis no es rentable económicamente y la bajada de la demanda de los hidrocarburos hace que el escalón de rentabilidad aún se aleje más, por ahora. Pero el futuro es halagüeño a este respecto, y aunque otras compañías, como Boeing, prefieren optar por el uso de combustibles de aviación 100% sostenibles (para 2030 todos sus aviones estarán certificados y capacitados para usarlos), Airbus cree que el hidrógeno líquido podrá ser usado a corto-medio plazo en aquellos países con mayor conciencia medioambiental.

B-57 experimental modificado por la NACA, antes de iniciar un vuelo. El wingtip de babor contiene el tanque de hidrógeno, mientras que el de estribor alberga helio para el purgado y presurización del motor. El denso humo del motor de estribor responde al normal proceso de arranque del mismo con queroseno (NASA).

B-57 experimental modificado por la NACA, antes de iniciar un vuelo. El wingtip de babor contiene el tanque de hidrógeno, mientras que el de estribor alberga helio para el purgado y presurización del motor. El denso humo del motor de estribor responde al normal proceso de arranque del mismo con queroseno (NASA).

El otro problema está relacionado con las propiedades del hidrógeno. Puede transportarse de dos formas. La primera, el estado comprimido (como en los automóviles), no es válida ya que, por las limitaciones de peso, únicamente podrían almacenarse a 350 bares y en ese caso su rendimiento es mucho más bajo que el queroseno actual. El otro es el estado líquido (hidrógeno criogénico), que ha de ser transportado en depósitos cilíndricos, algo que difiere de los sistemas de tanques a bordo, situados en las alas de los aviones. Eso sí, la baja proporción de combustible en la mezcla con aire para su funcionamiento y la baja temperatura de combustión lo hace tan limpio en la emisión de contaminantes y relación de compresión es mucho más alta que en un motor de hidrocarburo, con lo que la eficiencia energética es mucho mayor. Y por último, el propio hidrógeno a bordo también puede ser utilizado en los sistemas de la aeronave, reduciendo considerablemente el peso específico de la misma respecto a las baterías actuales.

Éste y otros problemas, así como las ventajas enumeradas que lo compensaban, son las mismas con los que, cuarenta años antes, se encontraron los técnicos rusos cuando desarrollaron una versión experimental propulsada por hidrógeno de su trirreactor Tupolev Tu-154.
Esquema del sistema de combustible con hidrógeno líquido instalado en el B-57B Canberra experimental (NASA).

Esquema del sistema de combustible con hidrógeno líquido instalado en el B-57B Canberra experimental (NASA).

En realidad deberíamos retroceder mucho más atrás, cuando los norteamericanos, dentro de la NACA (National Advisory Committee for Aeronautics), institución de experimentación madre de la actual NASA, encuadraron en el llamado Proyecto Bee (Bee Project) la utilización de combustibles alternativos, incluyendo entre ellos el hidrógeno, en vuelo y de forma puntual y experimental: para ello, modificaron uno de los motores Curtiss Wright J-65 de un Martin B-57B Canberra para que pudiera quemar hidrógeno en vez del queroseno JP-4 original y se instaló un sistema de inyección de combustible adicional así como un depósito para albergar el combustible. La primera prueba se efectuó el 23 de diciembre de 1956. El avión alcanzó los 15.200 metros de altura y una vez a esa cota, la tripulación cambió el suministro a hidrógeno. El motor no respondió adecuadamente en aquel intento pero se continuaron efectuando tests hasta que unos meses más tarde la transición de queroseno a hidrógeno fue satisfactoria, funcionando durante 20 minutos con este último combustible. Los estudios duraron hasta 1959 y los conocimientos obtenidos fueron aplicado principalmente en el desarrollo de los cohetes espaciales.

Corte del Tupolev Tu-155 experimental, mostrando el tanque criogénico capaz de albergar 20 metros cúbicos de hidrógeno líquido o gas natural (Yandex/linkedin).

Corte del Tupolev Tu-155 experimental, mostrando el tanque criogénico capaz de albergar 20 metros cúbicos de hidrógeno líquido o gas natural licuado (Yandex/linkedin).

A mediados de los años setenta, con la caída de la producción de hidrocarburos organizada por la OPEP como consecuencia de los conflictos en Oriente Medio entre Israel y los Países Árabes (1973) y la Revolución Iraní más la Guerra Irán-Irak (1979), el precio de los combustibles fósiles se disparó consecuentemente, lo que provocó una revisión internacional de los programas de búsqueda de combustibles alternativos. En el lado este del Telón de Acero, la Academia de Ciencias de la Unión Soviética, junto a los distintos burós de diseño, inició una serie de proyectos encaminados a la producción y gestión del hidrógeno líquido como combustible en la economía nacional y su aplicación en aplicaciones de la industria y el transporte. Todo ello tenía una razón a largo plazo: el desarrollo de una estructura para la creación y desarrollo de los programas espaciales y de aviones de tipo hipersónico (que admiten velocidades superiores a cinco veces la velocidad del sonido). El programa se codificó como Kholod (Cold / Congelado, en clara alusión a los combustibles criogénicos) y se encargaron a Tupolev OKB las tareas de implementación de la tecnología a bordo que permitiera al avión seleccionado, el trirreactor de pasajeros Tu-154B, en servicio desde 1977 tanto en Aeroflot, de la que en los ochenta fue su columna vertebral, como en muchas aerolíneas de la órbita soviética.

El Tupolev Tu-155 tal como se encuentra en la actualidad, estacionado en el aeropuerto moscovita de Zhukovsky. Nótese la salida de escape de la planta criogénica en el extremo del timón de dirección (https://onespotter.com/ mah_g).

El Tupolev Tu-155 tal como se encuentra en la actualidad, estacionado en el aeropuerto moscovita de Zhukovsky. Nótese la salida de escape de la planta criogénica en el extremo del timón de dirección (mah_g / https://onespotter.com).

En un Tu-154B de serie, matriculado CCCP-85035, se instalaron importantes modificaciones para que el avión pudiera consumir el hidrógeno líquido. En la cabina de pasaje se instaló un tanque que albergara los veinte metros cúbicos del combustible mencionado a los que se unieron en la parte delantera depósitos de nitrógeno y helio capaces de presurizar dicho tanque criogénico. A ello se unieron nuevos sistemas de bombeo de combustible, la sustitución de uno de los tres turborreactores Kuznetsov NK-8-2U por un motor modificado tipo NK-88 (lado de estribor) diseñado específicamente por Kuznetsov OKB y en el que se puso todo cuidado en prevenir incendios y explosiones, y múltiples sistemas de control y monitorización de los sistemas en todo momento.

El Tu-155 voló por primera vez el 15 de abril de 1988, usando hidrógeno líquido como combustible y posteriormente gas licuado, llegando a efectuar cien vuelos de prueba hasta la disolución de la URSS, entre ellos la ruta Moscú-Bratislava-Niza-Moscú-Hannover, durante los cuales alcanzó 14 récords mundiales por ser la primera aeronave comercial propulsada por hidrógeno. La máxima duración de los vuelos utilizando la planta criogénica fue de dos horas. Actualmente se encuentra almacenado en el Aeropuerto de Ramenskoye, (Zhukovskiy), cerca de Moscú.

El Tu-155 en uno de sus vuelos en 1988 (Tupolev, / Adam Reiman / https://www.researchgate.net)

El Tu-155 en uno de sus vuelos en 1988 (Tupolev, / Adam Reiman / https://www.researchgate.net)

Su sucesor, el Tu-156, nunca llegó a volar. En este caso, el proyecto fue desarrollado a partir del año 2000 y en líneas generales, se trataba de instalar tres nuevos motores NK-89 (evolución del NK-88 experimental) capaces de funcionar indistintamente con gas licuado (LNG) o con queroseno, dependiendo de la disponibilidad de los aeropuertos de escala. Los tanques que albergaban el combustible criogénico se situaron en la parte trasera de la cabina de pasaje y delante, bajo el piso principal. Se reforzaron los sistemas de seguridad para que mantuvieran libre la planta motriz y los tanques de explosivas mezclas de gases, mediante la ventilación intensiva con gas inerte y el bloqueo de los tanques cuando se detectasen concentraciones peligrosas. Con todo, el sistema mixto permitía, con una carga máxima de pago de 14.000 kilos, un alcance máximo de 2.600 kilómetros usando gas, y de 3.280 kilómetros utilizando gas y queroseno. Paralelamente, se planificó la construcción e instalación de plantas de producción y redes de suministro de LNG en los aeropuertos que fueran operados por los nuevos aviones, algo fundamental si se quería pasar de la fase de desarrollo experimental, teniendo además en cuenta la extensísima red de rutas de larga distancia a cubrir en un país tan enorme como era la Unión Soviética y como ahora es Rusia. En realidad, todo este complejo proceso de implementación se ha quedado sobre el papel, y como mucho se han desarrollado maquetas, recreaciones gráficas y sobre todo, múltiples cálculos para el desarrollo de la aeronave. Pero ello no resta la importancia de la función que ha cumplido. Y es mostrar, como sucede en muchos proyectos pioneros, cual ha de ser el camino a seguir. Algo que, en definitiva, el ZEROe de Airbus, será su heredero.

Tupolev Tu-154B-2 (n/r CCCP-85411) Aeroflot (© Simon Glancey)

Especificaciones Tupolev Tu-155 (Tu-154B)
  • Origen: JSC Túpolev
  • Planta motriz: Tres turborreactores Kuznetsov NK-8-2U (NK-88 a estribor) de 10.500 kg de empuje unitario al despegue.
  • Dimensiones: Envergadura: 37,55 m. Longitud: 47,90 m. Altura: 11,40 m.
  • Pesos: Vacío operativo (OEW): 50.700 kg. Máximo al despegue (MTOW): 98.000 kg.
  • Prestaciones: Velocidad máxima: 950 km/h. Velocidad de crucero: 900 km/h a 9.500 m. Techo de servicio: 12.100 m. Alcance en MPL: 2.500 km.
  • Tripulación técnica: 3/4

Bibliografía consultada:

André T. et al. (1992). Crónica de la aviación. Barcelona: Plaza & Janés.

Eden, P.E. (2008). Aviones Civiles Modernos. Madrid: Libsa.

Gordon, Y.; Rignant, V. (2005). OKB Tupolev: A History of the Design Bureau and Its Aircraft. Hinckley: Midland Publishing.

NACA Research on Hydrogen for High-Altitude Aircraft. Recuperado de: https://history.nasa.gov/SP-4404/ch6-4.htm

Pérez Guerra. J. (2020) Proyecto Bee: El Hidrógeno no es nuevo en la Aviación. Recuperado de: https://fly-news.es/shapingupfuture/proyecto-bee-hidrogeno-no-nuevo-la-aviacion/

Peñalba, J. (2021). Hidrógeno. Hacia las Cero Emisiones de la AviaciónAvion Revue, (2021, Marzo). 465, 38-43

Sandglass Patrol (2020). El Avión a Hidrógeno de los Años 50: Bee Project. Recuperado de: https://blog.sandglasspatrol.com/el-avion-a-hidrogeno-de-los-anos-50-bee-project/

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