El Radar
Para discutir sobre furtividad primero es necesario entender como funciona un radar. Para una explicación detallada sería necesario cerca de 400 páginas. La descripción será bien simplificada aquí.
La palabra radar significa telemetria y detección por radio (Radio Detection And Ranging). Funciona emitiendo haces de energía electromagnéticas (ondas de radio) en una banda de frecuencia. Si estos haces alcanzan un objeto como una aeronave, ella es reflejada de vuelta creando un eco que la antena del radar puede detectar. El intervalo de tiempo entre la emisión y el recibimiento del eco de retorno suministra la distancia del objeto pues la onda del radar viaja la velocidad constante (velocidad de la luz).
También es posible medir el tamaño del blanco de acuerdo con la intensidad del eco. Un procesador de señales guarda donde el eco está a cada momento y crea un acompañamiento en la pantalla del operador. Con el acompañamiento continuo es posible determinar la dirección y velocidad del blanco. Para detectar una aeronave con precisión, un radar necesita de dos retornos en tres barridos o tres en cinco, pero puede conseguir con un eco sólo.
Las aeronaves son buenos reflectores metálicos cuando el cielo está al fondo. La energía del radar no refleja en una aeronave sólo como la luz refleja en el espejo o balón en la pared. Cuando alcanza un hilo crea una corriente magnética en la misma frecuencia. La energía reflejada pasa a ser polarizada. Con una aeronave acontece algo parecido. Dependiendo del material, el eco puede ser más fuerte o débil.
El radar también tiene umbral de detección, cuando los retornos pequeños se pueden considerar ruidos de fondo. Las aeronaves furtivas tienen que tener RCS abajo del umbral para que no fueran detectadas. Si el radar disminuye el umbral aumenta el número de ecos como pájaros y lluvia y necesitaría de una capacidad muy grande en el procesador de señal (lo que no suele ser viable actualmente).
El eco de radar reflejado de una aeronave es un pulso detectable. El tamaño aparente al radar (RCS) de un objeto determina la intensidad de las ondas de radio reflejadas. El RCS depende del tamaño físico, forma y orientación del objeto, pero también de la característica eléctricas del objeto. Por ejemplo, una vara conductiva con la mitad del tamaño de una onda de radio resonará con la onda de radio, creando una reflexión fuerte y propia. Los primeros radares tenían un largo de onda de 50 m pues los bombarderos de la época tenían alas de 25 m de envergadura.
El radar descrito arriba es un radar monoestático con antena y receptor en lo misma antena o bien próximos. El radar tiene que estar apuntado hacia blanco. Los haces de radar tienen un tamaño limitado y el radar tiene que girar para cubrir grandes volúmenes y espacios. La ganancia (magnificación) es como la de unos prismáticos. Mientras más lejos se quiere ver más angosto es el haz de radar. Puede ser entendido de forma simplificada con lo una persona con una linterna en la cabeza funcionando como emisor y los ojos como receptor. La persona sólo ve donde la luz apunta y mientras más próximo más fácil de ver.
Cuando el haz de radar es más grande que el blanco, el blanco se comporta como un objeto único y refleja toda la onda. Sólo el tamaño importa. Los radares sólo van hasta la frecuencia de 100 MHz con largo de onda de 3 metros y suele ser menor que la mayoría de los blancos. Un haz que alcanza un objeto del mismo tamaño sufre reflexión disonante, pero el resultado es muy variado y depende del aspecto.
Cuando la onda es muy menor que el blanco, la interacción es mínima y el blanco se comporta como varias partes. El reflejo de la onda sigue las leyes de la física y reflexión de la luz óptica. Las microondas varían de 2 cm a 3 metros o bien menor que la aeronave.
La firma de radar (RCS) varía con la frecuencia del radar por ser una de las variables que determina el RCS. Los radares de control de tiro tienen alta frecuencia y largo de ondas pequeño siendo usados para detección a corta distancia. Como el RCS es igual a la ganancia de X área, el RCS del eco será menor por tener alcance menor debido al menor largo de onda.
Un radar de búsqueda de largo alcance tiene RCS del eco mayor debido a la mayor ganancia de las ondas largas. Simplificando, es como imaginar un pequeño haz de luz alcanzando una pared contra otro haz de luz grande (cono de luz). El RCS del eco del haz grande, o el radar de onda más larga, será mayor. El resultado final es que es más fácil reducir el RCS contra radares de control de tiro que los radares de búsqueda, siendo más fácil detectar la aeronave que las acompañas y las atacas.
Otra consecuencia de este principio es que el tamaño de la aeronave no influencia mucho en el RCS pues el radar ve siempre partes de la aeronave. Por eso el RCS de la B-2 es siempre pequeño mismo siendo una aeronave grande. El radar siempre recibirirá ecos de pequeño RCS.
Comparación entre un radar de control de tiro (arriba) y de búsqueda (abajo). Los haces de radar ven siempre pedazos de una aeronave. Los puntos de alto RCS son los que prevalecen y no el tamaño, tanto que para disminuir el RCS los ingenieros consideran cuatro variables: forma, forma, forma y material.
Los radares de vigilancia operan en una banda de baja frecuencia mientras los de adquisición y guiado de blancos tienden a ser de banda alta G/H/I/J y los cazas usan radares de la banda I/ J. Los primeros detectan blancos a larga distancia y después envían a un interceptor. Si el blanco pasa por los interceptores tiene que enfrentarse con la red de misiles SAM. Las aeronaves de alerta anticipado (AEW) pueden intercambiar datos con cazas y misiles SAM de blancos volando bajo.
Para evadir la detección es necesario derrotar a todas las bandas. Los radares de banda baja como los UHF pueden ser derrotados fácilmente con vuelo bajo. Ya esconderse de las aeronaves AEW es más difícil. Los radares de baja frecuencia tienen alcance limitado y empeoramiento aún más con malo tiempo y son poco precisos para guiar armas. Tampoco caben en aeronaves.
Los radares de la banda G/H/I/J tiene alcance menor para búsqueda de volumen, pero son precisos para guiar misiles. Pueden ser derrotados fácilmente con disminución del RCS. Todos los sistemas radar pueden detectar aeronaves furtivas. La propaganda no habla que es por poco tiempo y corto alcance.
La ecuación del alcance radar muestra que el tiempo que el radar detecta una aeronave depende de la frecuencia y de la potencia. El principal factor es el RCS. La ecuación muestra que disminuir el RCS en un 40% disminuye el alcance en un 10%. Doblando a potencía del radar el alcance aumenta en un 19%. El problema es que es más fácil aumentar potencía de los radares de baja frecuencia que los de alta.
La amenaza a las aeronaves de radares de detección y rastreo viene de varias fuentes:
Como el alcance del radar es razón de la raíz de la cuarta potencia del RCS (RCS^1/4) una orden de magnitud (10 veces menor) en la reducción del RCS, por ejemplo, dará una reducción del 44% en el alcance de detección:
El área de búsqueda del radar será reducida en un 32% y el volumen en un 18%. Para disminuir el alcance de un radar por la mitad es preciso disminuir el RCS en el aspecto requerido en 12 dBSM. Una reducción en el RCS de varios centésimos es necesario para tener significatividad táctica (un 82% en el alcance de detección). Una aeronave furtiva verdadera (VLO) tiene que tener un RCS de -30 dBSM, o 0,01 m2, y hasta un -40 dBSM puede ser alcanzado. Un radar que detecta un blanco no furtivo de RCS de 5m2 la 130km detectaría un blanco de RCS de -40 dBSM a 3-6km.
El RCS de la F-117A es entre 0.01 y 0.001 m2 o aproximadamente el RCS de un pájaro. La F-4G usada como "Wild Weasel" tiene RCS de 6m2. La F-117 es capaz de llegar un 90% más cerca de radares de búsqueda de superficie y un 98% más próximo a un radar aerotransportado antes de ser detectado en m relación a la F-4G.
Estos datos siempre fueron observados por los operadores de radar. El Foland Gnat era detectado después del Hawker Hunter, pero ello no era significativo. Las formas del Vulcan también daban un bajo RCS, pero sin ventaja militar. Las aeronaves eran interceptadas de la misma forma.
Fundamentos del RCS
El RCS es determinado por una fórmula usando datos de tres componentes: el área geométrica de la sección cruzada, el total de energía reflejada y la dirección de la energía reflejada.
El nivel de directividad es función de la tasa de energía real reflejada versus el valor isotrópico teórico de la dispersión. El valor de la energía reflejada de la fuente de propagación, un valor conocido como densidad de potencia, es determinado al multiplicar la densidad de potencia de la onda transmitida por la superficie reflectora por el RCS. La directividad es la clave donde la suma de superficies reflectoras aumentan o reducen el RCS comparado con la sección cruzada geométrica.
La fórmula básica que produce la reflectividad de un objeto de dos dimensiones fue estudiada inicialmente por James Clark Maxwell y fue perfeccionada por el alemán Arnold Johanes. El físico soviético Pyotr Ufimtsev a descubrió que ecuaciones de Maxwell podrían ser usadas para predecir como una forma geométrica reflejaría ondas magnéticas. Así era posible calcular la suma del RCS de una estructura de formas compleja. Las ecuaciones son basadas en la geometría óptica.
Los estudios fueron publicados en 1966 en el libro "Method of Edge Waves In The Physical Theory of Diffraction". Los rusos no aprovecharon el concepto por que sean complejas. El libro fue traducido por el Systems Command Foreign Technology Division de la USAF en 1971. El ingeniero Denys Overholsen del Skunk Works tuvo acceso a los textos y desarrolló un software llamado ECHO-1 para prever el RCS de aeronaves. Concluyó que una aeronave con formas facetadas triangulares podía tener el RCS predicho y entonces controlado.
El software tendría que trabajar con forma con paneles planos debido a capacidad computacional de la época (IBM 360). La década de 70 ofreció nuevos hardwares y softwares que permitían mayores desarrollos en la furtividad como el Fly-By-Wire(FBW) que permitió viabilizar formas aerodinamicamente imposibles.
El programa ECHO-1 fue rodando en un mainframe y permitía crear la forma de una pequeña aeronave. La Lockheed aplicó el software en los estudios de la DARPA para crear la aeronave Have Blue, predecesor de la F-117. El RCS predicho para el SR-71 fue bien preciso.
Fueron los ordenadores que permitieron que otras tecnologías necesarias para las aeronaves furtivas que operen como los sistemas de planificación de misión automáticos, Fly-By-Wire y otras como tecnologías de material y métodos de producción.
Requerimientos de Cazas
A principio, las aeronaves de combate son vehículos para lanzar armas y no para tener alto desempeño y belleza. Las principales características de una aeronave de caza en términos de calidades operacionales deben ser:
- Disponibilidad: producido en tiempo, poco tiempo en el mantenimiento, fácil de mantener, turnaroud rápido (rearmamento y reabastecimiento) y pocos miembros en el equipo-tripulación de suelo;
- Efectividad: gran carga bélica, gran razón de coste operacional, pequeña necesidad de recursos periféricos para realizar el trabajo, municiones internas diversas y de opciones numerosas, grandes arcos de visión, agilidad (exceso de potencia), puntaria efectiva, autonomía y alcance;
- Capacidad de supervivencia: escapar de la detección por más tiempo posible, evadir radares de adquisición, desviarse de artillería antiaérea, misiles tierra-aire (SAM) y misiles aire-aire (AAMs) = furtividade, célula robusta para absorber impactos/daños de combate y permanecer volando hasta volver hacia base, buena capacidad de reparación y mantenimiento.
Un ejemplo del primer requisito fue el ataque sorpresa israelí en la Guerra de los Seis Días en 1967. Aunque Israel tenia 155 aeronaves de ataque, consiguió colocar 320 aeronaves en los aeródromos egipcios en 80 minutos al maximizar sus medios en un esfuerzo intenso. Los israelíes reabastecieron, rearmaron y re-enviaron sus aeronaves en 15 minutos después de que retornasen a la base para que puedan retornar al blanco una hora después del ataque anterior.
La importancia de la última característica pasó a ser más valorada después de la Guerra del Yom Kippur en 1973. Si la tasa de pérdidas de la fuerza aérea de Israel por los misiles SAM de origen soviético fuera considerado en un hipotético conflicto en Europa contra el Pacto de Varsovia, las fuerzas aéreas de la OTAN serían diezmadas en 1 semana. Eso llevó la investigación de una aeronave/tecnología que disminuzca su capacidad de detección principalmente por radares.
PROYECTO
Una aeronave puede ser proyectada para varías funciones: táctica, estratégica, superioridad aérea o apoyo. La capacidad de supervivencia depende de la elección de la altitud o velocidad para evitar en encuentro con radares, la planificación de misión para evitar amenazas, uso de contramedidas electrónicas, armamento de largo alcance o con tecnología furtiva.
La furtividad es lo mejor porque da más opciones. El mayor objetivo de un proyecto furtivo es fundir con el fondo o minimizar contrastes en todas firmas. La misión de la aeronave define tipos de amenaza esperada como banda de frecuencia, ángulos de visada, niveles de RCS del eco. Después de definidos el niveles de furtividad necesaria, el proyecto continúa con forma de la aeronave y características deseables como uso de RAM, carga interna, detalles, antenas, etc.
Existen dos formas de reducción del RCS: (1) la forma para minimizar la reflexión evitando características que produzcan gran reflexión de vuelta al radar y (2) las coberturas para absorción de energía y cancelación. Los dos métodos deben ser usados coherentemente en un proyecto de aeronave para alcanzar los niveles de baja observación en el espectro de frecuencia electromagnética apropiada. Las técnicas de forma son más importantes para disminuir el RCS en las frecuencias de microonda. Lo RAM disminuye el RCS en un factor de 10 la 100. Como es necesario una disminución de 1000 la 10.000 en el RCS, la forma se hace el método principal. Después de definir la forma de la aeronave es usado RAM para disminuir aún más el RCS y para cubrir otras frecuencias. Otra forma de disminuir el RCS es usar cancelación activo.
Sistema de Armas
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