Número de octano de guerra
Motor de progreso
Es un hecho indiscutible que la guerra determina el progreso durante muchos años. Sin justificar la guerra en absoluto, se puede afirmar que, sin el desarrollo de armas y la infraestructura asociada, muchas tecnologías civiles habrían surgido mucho más tarde. Un ejemplo de ello es la gasolina de alto octanaje. Hasta principios de la década de 20, los automóviles y aviones se abastecían principalmente de gasolina convencional. El índice de octano de este combustible no superaba los 50-60, lo que limitaba las relaciones de compresión a 4-6. Esto suponía serias limitaciones para los fabricantes de motores: era casi imposible aumentar la potencia por litro y, por lo tanto, la eficiencia del motor era mediocre.
Aumentar la relación de compresión en un par de unidades desencadenará la detonación, que los conductores más veteranos recordarán como un distintivo golpeteo metálico proveniente del motor. Se trata de una autoignición explosiva y anormal de las últimas porciones de la mezcla de combustible ("gas residual") antes de que el frente de llama normal de la bujía las alcance. Mientras que la mayor parte del combustible se quema a decenas de metros por segundo, la onda de detonación se propaga a velocidades locales mucho mayores, generando ondas de choque y fuertes aumentos de presión y temperatura en el cilindro. El resultado son cargas de impacto en el pistón, la biela, el cigüeñal y las paredes del cilindro, sobrecalentamiento, descamación del metal, desgaste del pistón y, en última instancia, falla del motor en cuestión de minutos tras un funcionamiento intensivo.
Sin entrar en detalles químicos complejos, cabe señalar que cuanto mayor sea la cantidad de hidrocarburos aromáticos y parafinas ramificadas en un combustible, mayor será su índice de octano. Sin embargo, este índice puede incrementarse de otras maneras. Es probable que los lectores actuales ya no recuerden la gasolina con plomo. En 1921, en un laboratorio de General Motors, Thomas Midgley Jr. descubrió que la adición microscópica de tetraetilo de plomo (TEL) suprimía drásticamente la detonación, inhibiendo así las reacciones en cadena de la combustión espontánea.
El aditivo era relativamente económico y, en 1924, GM y Standard Oil de Nueva Jersey fundaron la Ethyl Corporation. La gasolina con plomo elevó el índice de octano de la gasolina comercial a 70-80. Esto era generalmente suficiente para el transporte terrestre, pero los aviadores buscaban algo más.
A finales de la década de 30, se hizo posible, en principio, producir gasolina de "centésima parte". Para ello, se desarrollaron procesos para saturar el combustible con isooctano, olefinas y aromáticos. En ese momento, se estableció una cadena tecnológica completa que permitió la producción en masa de gasolina de aviación de alto octanaje, y fue entonces, en vísperas de la guerra, aviación Las sedes de las grandes potencias dependían de este combustible, plenamente conscientes de que los motores turboalimentados de última generación simplemente no podrían existir sin él. El isooctano, con un índice de octano de 100, se utiliza como estándar de resistencia a la detonación. Con el tiempo, se aprendió a producir gasolinas con una resistencia a la detonación aún mayor, y en la aviación se introdujo un "índice de rendimiento" que permitía clasificar las gasolinas "por encima de 100"; por ejemplo, 100/130, 115/145 o 150. Pero todo esto era la excepción, no la regla: la gasolina de alto octanaje se producía en cantidades extremadamente pequeñas. Simplemente no era rentable para las compañías petroleras.
El asunto Doolittle
Un papel decisivo en el aumento del índice de octano de la gasolina de aviación lo desempeñó una figura que combinaba experiencia de vuelo, formación en ingeniería y perspicacia para los negocios: James "Jimmy" Doolittle. A principios de la década de 1930, ya era uno de los aviadores estadounidenses más condecorados: el primero en historias Vuelo instrumental a ciegas, victorias en numerosas carreras, varios récords mundiales de velocidad y, lo que es más importante para nuestro tema, un doctorado en ingeniería aeronáutica del Instituto Tecnológico de Massachusetts.
En 1930, Doolittle dejó el Cuerpo Aéreo del Ejército de los EE. UU. y se unió a la división de aviación de Shell, aportando a la petrolera una singular combinación de experiencia como piloto de pruebas y analista. A diferencia de la aviación comercial y la mayor parte del mando militar, Doolittle comprendía por experiencia propia que el octanaje permite mayores índices de compresión y un mejor impulso sin detonación, lo que se traduce directamente en potencia, velocidad, tasa de ascenso y, para los bombarderos, mayor alcance. Sin embargo, a principios de la década de 1930, solo el 3 % de las aeronaves podían usar gasolina de 100 octanos, y el combustible costaba unos 65 centavos por litro, mientras que Shell vendía gasolina de 87 octanos al ejército por 15 centavos. La Gran Depresión estaba en pleno apogeo y el ejército no estaba dispuesto a gastar mucho más en combustible. Las compañías petroleras, por su parte, se negaban a modernizar la producción de gasolina sin un cliente gubernamental garantizado.
James Doolittle
El craqueo catalítico o la alquilación por sí solos suponían una enorme inversión, y sin ellos, producir gasolina de 100 octanos era imposible. Pero Doolittle logró convencer a Shell. En 1934, Shell suministró al centro de pruebas de Wright Field 3800 litros de combustible de 100 octanos a 13 centavos por litro, tres veces el precio del combustible de 87 octanos y una quinta parte del coste de la época. Los resultados de las pruebas fueron reveladores: la gasolina de 100 octanos producía entre un 15 % y un 30 % más de potencia que una cantidad comparable de gasolina de 75 octanos.
Posteriormente, organizó varios eventos públicos de gran repercusión para convencer a los líderes militares de la necesidad de cambiar al nuevo combustible. La presión dio sus frutos: en 1936, Shell consumía por sí sola 6 millones de galones (unos 22,7 millones de litros) de gasolina al año; el precio de la gasolina de 100 octanos había caído un tercio en 1937; y un comité del Ejército, convocado en noviembre de 1936, decretó finalmente que todos los motores del Cuerpo Aéreo debían diseñarse para funcionar con gasolina de 100 octanos en 1938. Y así se desarrolló la historia. Al final de la Segunda Guerra Mundial, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos consumía por sí sola más de 76 millones de litros de gasolina de 100 octanos al día.
Ventaja de octanaje
En Occidente, algunos historiadores comparan la aparición de la gasolina de alto octanaje en la Fuerza Aérea con la invención del radar e incluso con el efecto de una guerra nuclear. armasSi bien no seremos tan categóricos, cabe señalar que en el combate aéreo, los parámetros decisivos no son solo la velocidad horizontal, sino también la tasa de ascenso, el techo de vuelo y la capacidad de conservar energía durante las maniobras, todos ellos directamente dependientes de la potencia del motor por unidad de peso. La gasolina de alto octanaje proporcionó a los cazas aliados esta potencia adicional: en la Batalla de Inglaterra, los Spitfire y Hurricane convertidos a combustible de 100 octanos experimentaron un notable aumento en la tasa de ascenso y la aceleración, lo que les permitió ascender más rápido para interceptar aviones y enfrentarse con mayor confianza a los Messerschmitt Bf 109 en combate vertical.
Los motores alemanes DB 601 funcionaban con combustible B4 de 87 octanos; incluso un aumento relativamente modesto de 150 a 200 caballos de fuerza, logrado simplemente cambiando el combustible y ajustando la presión del turbo, era significativo en el contexto de una batalla que involucraba a decenas y cientos de vehículos. El ministro británico de petróleo, Geoffrey Lloyd, al recordar 1940, lo expresó sin rodeos:
No creo que hubiéramos ganado la Batalla de Inglaterra sin gasolina de 100 octanos... Pero sí que teníamos gasolina de 100 octanos.
La preparación para esta batalla se había garantizado con antelación: ya en 1937, los británicos encargaron combustible de 100 octanos a Shell y Standard Oil, y en 1938 acordaron construir una refinería británica. Un par de años después, Estados Unidos exportaba más de 70 000 toneladas de combustible de alto octanaje a Gran Bretaña. Se estima que aproximadamente el 53 % del combustible de alto octanaje británico procedía de Estados Unidos, y el resto de sus propias refinerías (construidas en parte con la participación de Shell) y del petróleo iraní.
Al final de la guerra, la brecha tecnológica se había ampliado. En 1944, los Aliados desarrollaron la gasolina "Grado 150" con un índice de rendimiento correspondiente. Esto permitió aumentar la presión de sobrealimentación en los motores Merlin y Griffon hasta aproximadamente 1,7 atmósferas, lo que permitió a los cazas alcanzar a los aviones. cohete Los V-1 estaban casi a la par con los aviones de la Luftwaffe. Los Mustang y Thunderbolt estadounidenses, propulsados por combustible de alto octanaje, volaban más alto y más rápido que los aviones alemanes.
La escasez de gasolina de alto octanaje obligó a Alemania y Japón a recurrir a proezas de ingeniería extremas que exigieron sacrificios en el diseño y la fiabilidad de las aeronaves. Para compensar la escasez de combustible, las potencias del Eje se vieron obligadas a aumentar la cilindrada de los motores (de 35 a 44,5 litros para el Daimler-Benz DB 603 y el Jumo 213, frente a los 27 litros del Merlin británico), lo que inevitablemente añadió cientos de kilogramos al peso de los aviones, aumentó sus dimensiones e incrementó la resistencia aerodinámica, anulando así las ganancias de potencia.
Al mismo tiempo, se introdujeron soluciones químicas, como la inyección de metanol-agua MW 50 para el enfriamiento de la mezcla y el óxido nitroso GM-1 para la postcombustión a gran altitud. Esto tuvo un costo: los aviones transportaban hasta 150 kg de peso adicional en forma de tanques, bombas y cilindros de gas licuado, lo que generó problemas logísticos adicionales en los aeródromos devastados. Como resultado, los pilotos alemanes y japoneses estaban estrictamente limitados a 5-10 minutos de postcombustión, para evitar que los pistones se quemaran instantáneamente y las válvulas se fundieran. Los pilotos estadounidenses y británicos podían participar en combates prolongados a máxima potencia, aprovechando su ventaja en velocidad, altitud y vida útil del motor durante todo el vuelo.
Si uno se adentra en la historia de la gasolina de aviación militar durante la Segunda Guerra Mundial, podría toparse inesperadamente con el bromo. Más precisamente, con el dibromoetano. Los Aliados añadieron este compuesto al combustible para evitar la acumulación de óxido de plomo en las bujías y las válvulas. Este era un efecto secundario inevitable del uso de gasolina con plomo: sin un eliminador de plomo, los motores fallaban a las pocas horas de funcionamiento.
Estados Unidos gozaba de un monopolio mundial absoluto en la extracción industrial de bromo del agua de mar: en 1934, la empresa conjunta Ethyl-Dow inauguró la primera planta de bromo oceánico del mundo en la costa atlántica de Carolina del Norte. Esto permitió a los Aliados inyectar de forma segura dosis masivas de tetraetilo de plomo en el combustible base, produciendo combustible de alto octanaje como el "Grado 150" sin el riesgo de que se obstruyeran los cilindros con depósitos de carbono. Alemania, privada del acceso al bromo del agua de mar, abordó el mismo problema de manera diferente, pero, contrariamente a la creencia popular, no abandonó el plomo: ya en 1935, IG Farben recibió una licencia para producir tetraetilo de plomo, y el Grado C3 alemán contenía aproximadamente 4,35 centímetros cúbicos de TEL por galón. El retraso de Alemania en la química de combustibles era real, pero se manifestaba principalmente en la escasez de componentes de alto octanaje y de capacidad de refinación, y no en la ausencia de aditivos de etilo propiamente dichos.
gasolina de aviación soviética
La Unión Soviética ocupa un lugar especial en esta historia, siendo su experiencia quizás la más dramática. El país, que ostentaba la segunda mayor producción de petróleo del mundo y los yacimientos petrolíferos más ricos de Bakú, luchó, sin embargo, con gasolina de aviación, cuya resistencia a la detonación era inferior no solo al combustible aliado, sino también al alemán. El principal combustible de combate de la Fuerza Aérea Soviética durante casi toda la guerra fue el B-78, con un índice de octano de alrededor de 78 (en su mejor versión, tras la adición de etanol líquido tóxico, aproximadamente 80). El B4 alemán tenía un índice de octano de 87, y la gasolina angloamericana, de 100 o más.
La industria nacional solo producía en masa gasolina B-78 de bajo octanaje, lo que limitaba severamente la relación de compresión y la presión de sobrealimentación de los motores soviéticos (a un nivel de solo 6,4 a 7,0 unidades), obligando a los ingenieros a realizar verdaderas proezas técnicas al modernizar los motores VK-105 para los Yak, el AM-38 para el avión de ataque Il-2 y el AS-82 para los cazas Lavochkin.
Para sortear este obstáculo químico sin sacrificar potencia, la ingeniería de motores soviética —siguiendo el ejemplo de Alemania pero adelantándose a sus aliados occidentales— implementó masivamente la inyección directa de combustible en los cilindros (ASH-82FN, 1943): la gasolina se rociaba a presión, se vaporizaba instantáneamente y enfriaba significativamente la mezcla de combustible, lo que, junto con el combustible altamente enriquecido, retrasaba eficazmente el peligroso umbral de detonación. Sin embargo, estos trucos de ingeniería no fueron más que soluciones a medias: complicaban los motores y aumentaban el consumo de combustible, pero nunca lograron reemplazar por completo el combustible de alto octanaje, lo que obligó a los aviones soviéticos a combatir al límite de sus capacidades.
La principal causa de la crisis de combustible soviética fue la debilidad de la base tecnológica y de materia prima: la producción de componentes esenciales como el isooctano y el alquilato requería procesos avanzados de craqueo catalítico y alquilación, que apenas comenzaban a surgir en la URSS en 1941 (las unidades estadounidenses de Udri se construyeron literalmente en vísperas de la guerra), como resultado de lo cual la aviación se abastecía con gasolina simple, extraída directamente del petróleo de Bakú, "acelerada" artificialmente con tetraetilo de plomo tóxico.
La situación se volvió catastrófica en 1942, cuando el avance alemán aisló a la URSS de importantes yacimientos petrolíferos en el Cáucaso Norte, representó una amenaza directa para los principales yacimientos de Bakú y obligó a la evacuación de fábricas a los Urales y Siberia. El programa de Préstamo y Arriendo proporcionó cierto alivio: según diversas estimaciones, la Unión Soviética recibió aproximadamente dos millones y medio de toneladas de productos derivados del petróleo, una parte significativa de los cuales era gasolina de aviación de alto octanaje, principalmente de 100 y 95 octanos. Este combustible se utilizó principalmente para los aviones de fabricación aliada que combatieron en masa en los cielos soviéticos —P-39 Airacobra, Kingcobra, Hurricane, Spitfire, bombarderos A-20 Boston y B-25— cuyos motores no podían funcionar con gasolina de 78 octanos, así como para aviones nacionales modificados.
Al mismo tiempo, la ciencia soviética logró un importante avance en defensa, compensando parcialmente el déficit de importaciones. Bajo el liderazgo de científicos destacados como Nikolai Zelinsky y Yusif Mamedaliev, la URSS estableció una escuela de vanguardia en catálisis y química de combustibles para motores, y desarrolló rápidamente catalizadores de aluminosilicato nacionales a partir de arcillas locales, lo que permitió poner en marcha las nuevas refinerías de petróleo del "Segundo Bakú" (en Ufa y Kuibyshev) sin depender de materias primas extranjeras.
Los químicos desarrollaron métodos para la aromatización catalítica y la síntesis industrial de tolueno a partir de gases de petróleo, lo que facilitó la incorporación de componentes fácilmente disponibles, como resinas de pirólisis y ligroína, a la producción de gasolina de aviación. Esto no solo proporcionó al frente nuevos tipos de combustible mezclado, B-74 y B-78, sino que también permitió a los ingenieros soviéticos en las bases de primera línea mezclar eficazmente gasolina importada con bases de producción nacional, aumentando así el suministro de combustible de alto octanaje para los aviones de combate.
Para 1943-1944, se había establecido la producción de la gasolina B-95 de mayor calidad (con un índice de octano de aproximadamente 95, obtenida mediante la mezcla de gasolina base con isooctano, alquilato y un componente craqueado catalíticamente), lo que permitió una mayor potencia en las modificaciones posteriores de los cazas soviéticos. Sin embargo, la brecha estructural persistió hasta el final de la guerra: la aviación soviética nunca recibió gasolina de 100 octanos a gran escala. Esta escasez, junto con las decisiones de diseño previas a la guerra, fue una de las razones por las que los cazas soviéticos se diseñaron para un rendimiento relativamente moderado y destacaron por su velocidad gracias a una aerodinámica perfecta y un peso ligero, en lugar de mediante la potencia del motor. Esto hace que la gran hazaña de nuestros aviadores y trabajadores del frente interno durante la Gran Guerra Patria sea aún más valiosa.
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