El Mach 3.0. La tecnología del Blackbird

Por:  Javier Sánchez Horneros

La Guerra Fría y el U-2

En la década de 1950, las relaciones Estados Unidos-Unión Soviética estaban alcanzando su punto de máxima tensión, con una carrera armamentística al máximo nivel llevada a cabo por ambos países. El mayor temor del gobierno de los Estados Unidos era que, antes de invadir sus posiciones en Berlín y revelar sus intenciones abiertamente, la Unión Soviética realizase un ataque preventivo nuclear sobre suelo estadounidense, empleando misiles intercontinentales y nuevos modelos de bombarderos estratégicos de largo alcance. En todo conflicto, es vital conocer del modo más exacto posible el estado y disposición del total de recursos con los que cuenta el enemigo, razón por la cual las distintas agencias de inteligencia de ambos países se esforzaban al máximo en la recolección de dichos datos. De vital importancia era el empleo de aviones de reconocimiento que fuesen capaces de realizar incursiones profundas al espacio aéreo enemigo y obtener imágenes de aeródromos, parques industriales y bases militares entre otros; mayor importancia tenía aún el poder volver al espacio aéreo amigo con esos datos, por lo que se empleaban aviones de muy altas prestaciones, en una época en la que no existían los datalink ni, en definitiva, la transmisión en tiempo real de imágenes y datos obtenidos durante la misión. Y al igual que ya ocurrió en la Primera Guerra Mundial, la Unión Soviética no podía permitirse el que esos datos de inteligencia llegasen a su enemigo, por lo que empleaba todos los medios posibles para interceptar el avión de reconocimiento que realizase la misión correspondiente, entre ellos, los recientemente aparecidos radares de alerta temprana (EWR), que detectaban las incursiones enemigas a baja cota con la suficiente antelación como para permitir a los aviones interceptores desarrollar su cometido.

U2
Un U-2 de la NASA con toda la variedad de sensores que puede acoplar. (NASA).

Fue en esta década cuando la CIA pidió a Clarence Kelly Johnson, el mítico ingeniero jefe de Lockheed y jefe absoluto de los Skunkworks, que desarrollase el que hoy en día conocemos como U-2, un avión provisto de cámaras y sensores de última generación (lo que hoy en día se conoce como State Of Art), de muy alta autonomía y capaz de sobrevolar a muy alta cota el espacio aéreo enemigo, a una cota mayor que el alcance estimado de los radares de alerta temprana soviéticos, de forma que desarrollase su misión sin ser detectado.

Situándonos un poco en el contexto e importancia de esta división de personal selecto de alto rendimiento de la Lockheed, los Skunkworks, eran y siguen siendo los padres de muchos proyectos de aviación State Of Art: de sus instalaciones han salido el P-80 Shooting Star, los mencionados U-2 y el/los Blackbirds, el F-117 y proyectos de investigación hipersónicos entre otros (http://www.lockheedmartin.com/us/aeronautics/skunkworks.html).

El U-2 merece sin duda una entrada aparte; no obstante, hay que añadir en este punto algo que extrañará al lector, y más teniendo en cuenta que a diferencia del SR-71, sigue en servicio y ha recibido continuas actualizaciones; el U-2 nació “viejo”, esto es, la capacidad de los radares de alerta temprana soviéticos era muy superior a la estimada por los Estados Unidos, por lo que ya en la primera misión, para sorpresa de todos, el U-2 fue detectado y aviones interceptores salieron a su encuentro. No obstante, ninguno de ellos se le acercó, dado el increíble techo de vuelo del avión. Desgraciadamente, en poco tiempo tanto los primeros misiles de combate aéreo como los SAMs hicieron su aparición, siendo la única forma de contrarrestarlos el desarrollo por parte de los Skunkworks de una caja negra colocada en la zona trasera del avión que actuaba de emisor de frecuencias electromagnéticas, captadas en misiones previas de U-2 y analizadas, que confundían a los sistemas de guiado, es decir, un primitivo sistema de guerra electrónica que daba sus primeros pasos y no era fiable al 100%.

Kelly Johnson pensó en el sucesor del U-2 de forma muy simple: un techo aún mayor, aproximadamente de 90.000 pies, y una velocidad de Mach 3.0, de forma que ningún avión y/o misil actual y futuro pudiera acercársele a una distancia letal. La idea era simple, el problema era hacerla realidad.

El A-12 y el SR-71

Como Kelly Johnson ya sabía, los problemas técnicos que iban a tener que solventar eran enormes siendo los más críticos el reactor y el material de construcción del avión: el reactor debía ser capaz de funcionar eficazmente a 90.000 pies de altura y aprovechar el escasísimo, por no decir nulo, nivel de oxígeno existente a esa distancia. En cuanto a la estructura: ¿cómo se comportaría esta frente al calor generado a velocidades tan extremas?; el aluminio como material para el fuselaje estaba completamente desechado, en tanto se alcanzarían temperaturas muy superiores a las soportadas, y la única alternativa viable era el empleo masivo de acero, lo que significaba un aumento en el peso inadmisible, al que se unía la necesidad de disponer de un sistema de refrigeración de equipos muy eficiente. Había un tercer factor, que un primer momento pasó a un tercer plano: había que lograr un avión lo más invisible posible a los radares soviéticos

Hacia 1951, Henry Combas, ingeniero de los Skunkworks, había propuesto a Johnson emplear un raro metal, tan resistente como el acero pero con la mitad de peso de este, en las toberas de escape del J-79 del F-104 Starfighter. Este metal era el titanio, con un único productor en Estados Unidos que lo vendía en láminas de calidad variable, por lo que se necesitaba un proveedor más fiable y capaz de proporcionar un mayor volumen, que fue buscado y encontrado por la CIA: la Unión Soviética, uno de los mayores exportadores del mundo. El titanio fue adquirido a través de empresas fantasma y corporaciones no asociadas oficialmente con la CIA. A pesar de ello, aunque ya se habían encontrado un material base para el avión, pronto se descubrió que a Mach 3.0, el metal se expandiría al menos un par de pulgadas, a lo que se le sumaba la inexistencia de sellantes capaces de soportar tan altas temperaturas, por lo que el avión perdía combustible en tierra a través de juntas de paneles que en pleno vuelo y con la expansión del metal por el calor, se cerraban. No solo eso, sino que las diferentes partes mecánicas del avión (actuadores, cableado, etc) hubieron de diseñarse en base a materiales ciertamente exóticos, e incluso metales preciosos como el oro, capaz de mantener una alta tasa de conductividad a muy altas temperaturas. El coste del avión se estaba disparando.

 

Untouchable
Un A-12 a 80.000 pies en 1967. (CIA, imagen de dominio público).

El calor también afectaba a elementos caucho, como las gomas y los neumáticos: BF Goodrich desarrolló unos neumáticos con micropartículas de aluminio inflados con nitrógeno, que les daba a los mismos un color plateado característico y les hacía más resistentes a la temperatura. También afectaba al combustible, siendo necesario que Shell desarrollase uno especial, con un enorme rango de temperaturas de funcionamiento y con un punto de ignición muy elevado que no se vaporizase a las temperaturas de vuelo; asimismo, en la presurización de los tanques se empleaba nitrógeno; todo ello hizo posible que se pudiese utilizar el combustible como un sistema de refrigeración secundario, en concreto que sirviese a los sistemas de aviónica y a las inmediaciones del tren de aterrizaje, conectando dichas zonas mediante un entramado de tuberías interconectadas con intercambiadores de calor; así, el combustible a mayor temperatura se transfería a los motores y el que estuviera a menor, se utilizaba como “refrigerante”, proceso controlado gracias a una válvula inteligente que permitía el paso del combustible a mayor temperatura a las cámaras de combustión.

Pero el mayor quebradero de cabeza para los ingenieros de los Skunkworks, especialmente para el futuro sucesor de Kelly Johnson y padre del F-117, Ben Rich, fue el diseño de los motores y de las toberas de admisión, en tanto los reactores, sometidas a unas condiciones de funcionamiento de características de 90.000 pies, por si mismos no pueden funcionar, ya que no se dispone de la suficiente densidad de oxígeno (1/16 de la que se encuentra a nivel del mar), por lo que era necesario desarrollar un sistema de admisión altamente eficiente, capaz de realizar una enorme compresión gracias a la velocidad desarrollada por el avión (recordemos que la tobera de admisión disminuye la velocidad del aire transformándola en presión, que ayuda al compresor a realizar eficazmente su trabajo). Inicialmente se pensó en desarrollar un reactor propio, pero el aumento exponencial de los costes de desarrollo así como la necesidad de cumplir con unos plazos de entrega ya excedidos, llevaron a la utilización de Pratt&Whitney J-58, eso sí, modificados convenientemente para funcionar en régimen de postcombustión de forma continua, proporcionando cada uno un equivalente a 160.000 CV, necesitando para ello 2831,68 metros cúbicos de aire por segundo (aproximadamente, el equivalente a dos millones de personas inhalando al unísono). No menos impresionante era el sistema original de arranque, consistente en dos motores de un Buick Wildcat V8 que elevaban la velocidad de los J-58 a 4500 RPM, la necesaria para arrancar. Posteriormente, se utilizó un sistema neumático.

 

Motores
Motores J-58. (Nick Dowling).

La tobera de admisión por su parte, sería cónica de posición variable, adelantando o retrasando su posición según las condiciones de vuelo, eliminando la onda de choque generada en su punta y maximizando el aumento de presión del aire que entrara al compresor, minimizando las pérdidas por rozamiento; de hecho, aproximadamente el 80-84% del empuje total del avión a Mach 3.0 era producido gracias a la tobera de admisión, siendo el empuje proporcionado por los motores a esa velocidad de un 16-20%. Esta tobera de admisión actuaba a través de una centralita electrónica, que se comunicaba con la computadora de datos de aire, que le proporcionaba los datos que dicha centralita necesitaba para operar eficazmente las toberas de admisión: velocidad y ángulo de ataque. El aire entraba a -54 ºC y gracias a la tobera de admisión, se comprimía alcanzando 427 ºC y 5.80 bares. Tras su paso por el compresor, la temperatura aumentaba a 760 ºC, alcanzando en la cámara de combustión 1260 ºC y 1870 ºC durante la postcombustión.

Finalmente, la forma del avión, cuyo nombre tanto para el A-12 (versión monoplaza de la CIA y de menor longitud, siendo este el avión original) como del SR-71(versión para la USAF biplaza) es “blackbird” debido a su pintura, de color negro, elegido por Kelly Johnson tras un consejo recibido por parte de Ben Rich acerca de las capacidades de absorción-emisión del calor de los cuerpos negros, es muy especial: fue el primer avión con una sección de radar transversal (RCS) tan reducida, que comparado con sus contemporáneos, la tasa de detección del mismo era de 1/100. A esto le ayuda ser también el primer avión pintado con pintura basada en compuestos ferríticos capaces de absorber y diseminar por la estructura del avión las ondas radar, muy semejante a la empleada actualmente por los reactores de combate más modernos, que las aplican en zonas específicas del fuselaje.

Ya con el avión completamente concebido, se presentó otro problema añadido: pobres controles de calidad del titanio, detectados tras un mero accidente; a uno de los operarios, se le cayó un pequeño trozo al suelo, rompiéndose en mil pedazos como si fuese cristal. Esto llevó a rechazar aproximadamente el 95% del titanio comprado. Y no sólo eso, sino definir utillaje de alta resistencia, dada la a su vez tremenda dureza del titanio, que dejaba inútiles las herramientas convencionales en poco tiempo.

Lo cierto es que aunque las dificultades solventadas fueron enormes, con costes absolutamente desmesurados, el avión estaba adelantado a su tiempo en varias generaciones; únicamente la época de su concepción y de periodo de servicio se ve delatada por una cabina repleta de instrumentación analógica. Y de hecho, aunque era hijo de una época en la que el ordenador más potente del mundo era tan rápido y capaz como una calculadora de mano de los años 1990, sólo tuvo una pega: un fenómeno que Ben Rich y los ingenieros de Skunkworks denominaron unstart, un problema que se le presentó al piloto de pruebas Bill Park cuando sobrevolaba Nuevo Méjico a 65.000 pies de altura y Mach 2.7. El unstart se producía cuando el aire que entraba a uno de los motores lo hacía con dificultad debido al ángulo llevado en el cabeceo o en la guiñada, lo que disminuía la eficacia de las toberas de admisión del 80-84% a un 20% aproximadamente (insuficiente ingesta y compresión de aire), apagando el postquemador por ello y causando un enorme BANG que se oía por el propio piloto, a pesar de la velocidad y de su posición adelantada respecto a los motores, seguido de sacudidas del avión. El sistema de control original de los motores del avión, analógico, podía arreglar el problema en 10 segundos, pero en esos 10 segundos, el piloto, sufría las consecuencias, muchas veces sin ser consciente de en qué motor se había apagado el postquemador por extrema dificultad en la lectura de los instrumentos y disminuyendo el empuje erróneamente en el contrario, o incluso apagando ambos motores. La solución fue adoptar un sistema de control electrónico que apagase el postquemador en el motor no afectado –a través del control de la tobera de admisión, simulando un unstart en el motor que sí funcionaba correctamente y que automáticamente, restablecido el control del avión, los devolviera a sus condiciones operacionales correctas.

 

Vista
Vista a 73.000 pies. (USAF).

Muy pocos saben que este avión legendario, que evitaba el impacto de los misiles enemigos simplemente acelerando, a pesar de contar con una sistema de guerra electrónica completo, y que contaba en su haber con unos records de velocidad imbatidos a día de hoy, pudo ser el interceptor más eficaz del que hubiera dispuesto los Estados Unidos incluso a día de hoy. En efecto, durante una visita del General Curtis LeMay a las instalaciones de los Skunkworks –y no precisamente amistosa, sino buscando explicaciones directas de Kelly Johnson acerca del porqué su bombardero XB-70 estaba viendo reducido su pedido, responsabilizando a Johnson y a su SR-71 Blackbird de este hecho-, este quedó tan impresionado que hizo un enorme pedido en materia de SR-71, tanto en forma de interceptores como de aviones de reconocimiento. Los Skunkworks se pusieron a trabajar de inmediato, diseñando uno de los primeros radares con capacidad look down-shoot down del mundo a partir de un Westinghouse ASG-18, modificándolo convenientemente. Los resultados, una vez más, hablan por sí mismos: consiguieron enganchar a objetivos a más de 100 millas y volando a 1.500 pies, todo ello a Mach 3.0 y a un nivel de vuelo medio de 85.000 pies. Doce de trece pruebas fueron exitosas, siendo en términos globales el programa de ensayo de armamento de mayor éxito del mundo. Desgraciadamente, la versión de interceptor se encontró de frente con Robert McNamara, sus recortes presupuestarios (uno de sus apodos era Mac The Knife) y el programa TFX, que tenía su completo apoyo.

El Programa A-12 finalizó oficialmente a finales de la década de 1960, una vez que las misiones de vuelos espía en U-2 y en Blackbirds fueron realizadas por la USAF, empleando en este último caso el SR-71. Por su parte, el programa SR-71, tras una vida operacional de completo éxito y cifras de records, finalizó en 1989, sufriendo en la década de 1990 unas breves reactivaciones.

Acerca de Javier Sánchez-Horneros Pérez

Javier Sánchez-Horneros Pérez
Javier Sánchez-Horneros Pérez es Ingeniero Mecánico, escritor técnico aeroespacial con obras publicadas por el Ministerio de Defensa y medios especializados, colaborador asiduo en la Revista de Aeronáutica y Astronáutica, y piloto de ULM.

En la actualidad desempeña su labor diaria en el Flight Test Center de San Pablo (Sevilla), como Ingeniero de Ensayos en Vuelo en la rama FTI (Flight Test Instrumentation) en los llamados “Productos Propios” (C295) y colaborando cuando es necesario en el Programa A400M. Anteriormente ha trabajado como Ingeniero de Sistemas en el Programa A330 MRTT (Getafe), así como Ingeniero de Fabricación y Procesos de componentes aeroespaciales, en una compañía madrileña proveedora de componentes aeronáuticos para Airbus y Boeing, entre otros clientes internacionales.

Compagina esta tarea con la de escritor técnico aeroespacial, habiendo publicado bajo el sello del Ministerio de Defensa (Publicaciones de Defensa) dos obras:"Guiado de Misiles de Combate Aéreo en el Ejército del Aire (Sistemas y Tecnología)" (ISBN 978-84-9781-764-6. NIPO 083-12-151-4) en donde se repasan de forma divulgativa los diferentes métodos de guiado de misiles de combate aéreo y los sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos destinados a tal fin y“Desde el T-33 al Eurofighter. Los Aviones de Combate a Reacción en el Ejército del Aire” (ISBN 978-84-9091-040-5. NIPO 083-15-046-5) en donde se realiza un análisis exhaustivo a la creación, historia, aerodinámica, motores, aviónica y sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos de los reactores de combate que han servido en el Ejército del Aire. Compagina esta labor literaria con colaboraciones en la Revista de Aeronáutica y Astronáutica en donde realiza análisis técnico-divulgativos de diversos sistemas de armas.

Además, fue asesor técnico de sistemas aeroespaciales militares (aerodinámica, grupo motopropulsor, aviónica y sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos) hasta febrero de 2015, en el Museo del Aire de Madrid como integrante de la Asociación de Amigos del Museo del Aire, donde realizó múltiples publicaciones en su blog sobre aviones de combate, tecnología y sistemas asociados.

2 Comentarios

  1. Carlos Gómez-Mira
    Carlos Gómez-Mira García

    Interesantísimo artículo. Es curioso que el “contrincante” ruso del SR-71, el Mig 25, era un avión bastante convencional. Hace años tuve la suerte de dar un curso de A-320 a un indio que fue el último Wing Commander del escuadrón del Mig- 25 en la India. Yo le di el curso del Airbus, pero en contrapartida, él casi me dio el curso completo del Mig. Era un avión no fabricado con materiales sofisticados, sino con aluminio y acero. Capaz de volar a cerca de 100.000 pies y de correr a velocidades de Mach 3. Pero me dijo que si pasabas de Mach 2,8, prácticamente destruías el compresor de los motores por la temperatura “inlet” del aire. De hecho ellos tenían prohibido superar ese número de Mach, 2,8. Comparado con el SR-71, era una máquina muy tosca, con una señal radar normal, una instrumentación antigua, aunque, según me dijo, con un piloto automático, bastante bueno. En realidad a esas alturas y velocidades, casi no había quien lo volase “a mano”. Por lo visto era muy crítico a bajas velocidades y si se paraba un motor en la aproximación casi lo único que podías hacer era tirarte en paracaídas. Aunque teóricamente era un caza, no aguantaba mucho más de 2,5 “g”, la razón era que todo el fuselaje estaba relleno de combustible, y el movimiento de éste en maniobras fuertes, podía destrozar la estructura. En la India lo emplearon como avión de reconocimiento sobrevolando Pakistán.