Radares aéreos de barrido electrónico
En los últimos 50 años, el radar se hizo el sensor más importante de las aeronaves de combate. Tiene ventajas contra otros sensores como alcance, capacidad todo tiempo y varios modos de operación.
Uno de los más importantes desarrollos en la tecnología de radar desde la década de 40 fueron los radares AESA (Active Electronic Scanned Antenna - Antena con Escaneo Electrónico Activo). Con disponibilidad y desempeño incomparables y alrededor de mil veces más rápidos en el scaneo, transformaron muchos aspectos del combate aéreo y operaciones de ataque.
El radar llega a valer del 10 a un 20% del coste de un caza y un 1% del peso siendo que estos costes aumentan cada generación. La primera generación, según los rusos, fueron los radares de barrido mecánico. La segunda usa barrido electrónico. La primera generación tiene dos subclases, una con antena parabólica, simple y barato pero de alcance limitado que en la década de 70 pasó a usar antenas "slotted array" (ShchAR).
Para entender la importancia de los radares AESA, es necesario entender las limitaciones de un radar de barrido mecánico y la primera generación de barrido electrónico pasivo.
El comienzo básico de las antenas de radares de microondas de los cazas o bombarderos es enfocar la energía en un haz angosto, para recibir la energía reflejada del blanco (o del terreno), también con un foco angosto. Los blancos son encontrados al apuntar la antena repetitivamente en un patrón programado. La antena transmite la energía, que alcanza el blanco, lo refleja y es recibida por la antena. Para una antena ser útil ella debe ser capaz de emitir y recibir la energía, pero también ser apuntada precisamente y de preferencia bien rápido.
Idealmente un radar produce un haz preciso (cónico por ejemplo) y detecta toda energía de este cono. En la realidad el patrón huye del lobulo principal del haz, creando lóbulos laterales. Para medir la calidad de la antena se usa una medida del tamaño de los lóbulos laterales: 10 decibeles (10 dB) para diez veces, o 20 dB para cien veces o 30 dB para mil veces menor que la magnitud del lobulo principal.
La primera generación de radares de caza eran apuntados mecánicamente con reflectores cóncavos tipo plato. Algunos aún están en servicio en la F-4 Phantom, F-104 Starfighter y F-111. Estas antenas tiene varias limitaciones con el coste de fabricación para que sean precisos, tiene grandes lóbulos laterales y una gran firma cuando iluminados por un radar adversario, como toda cavidad cóncava.
Antena tipo plato del radar AN/APQ-126V de lo A-7P Corsair II.
En la década de 70 aparecieron los radares de "planar array" o "sloted" como AN/APG-65/73 del F/A-18, el AN/APG-66/68 del F-16 y el AN/APG-63/70 de la F-15. Las antenas de "sloted" enfocan la energía manipulando el atraso entre un gran número de antenas menores en un panel plano (arreglo plano). El arreglo permite producir un haz de forma fija con pocos lóbulos laterales. La antena plana tiene menor RCS que uno antena cóncava. Hay con ello un aumento del 5% en el alcance y un 50% en el coste.
Antena "sloted" del radar APG-66 del caza F-16.
Antena "sloted" del radar APG-66 v2 (ARG) del caza A-4AR
Estas antenas, también llamadas Cassegraim. La parte difícil es la fabricación de la red de arreglos en la trasera de la antena.
A pesar del desempeño mejor, aún era preciso apuntar la antena con precisión y continuaba a ser un proceso lento y con problemas de disponibilidad en esta función. El mecanismo de movimiento y siervos eran sujetos a desgastes y fallos relativamente frecuentes.
El AN/AWG-9 fue el primer radar con antena "slotted" que equipó la F-14 Tomcat en 1974. El APG-63 fue basado en estos radar. Los radares "slotted" fue introducido en la URSS en la década de 90 en modelos de actualización y exportación por la Phazotron-NIRR.
Estos radares no pueden combinar modos de guiado de misiles y vigilancia al mismo tiempo. Hacen acompañamiento mientras barren (TWS) que es bueno para blancos no maniobrables y a baja velocidad. En el caso de caza contra caza es diferente pues maniobran mucho y violentamente lo que entorpece la exploración. Es necesario detectar la aeronave maniobrando rápido 5-10 veces por segundo para acompañar.
En combate real el piloto irá a cambiar para modo de búsqueda continúa para dar dirección constante y con ello pierde la capacidad de vigilancia pudiendo ser derrotado por un grupo de cazas enemigo. La solución es el barrido electrónica. La tecnología pasó a enfocar en la tecnología de barrido electrónico de los radares terrestre de la década de 80.
La idea de un AESA no es nueva. Los radares de alerta anticipado para detectar misiles balísticos tiene esta tecnología desde la década de 60.
El Rockwell B-1B Lancer vuela desde la década de 80 con el AN/APQ-164 con una antena de barrido electrónico y el Northrop Grumman B-2A Spirit también tiene esta tecnología con el AN/APQ-181. Estos radares son usados para acompañamiento del terreno y modos de ataque.
El Zaslon del Mig-31 fue introducido en la década 70 y entró en servicio en la década 80. Fue el primero caza del mundo con este tipo de radar. El Zaslon hacía barrido pasivo siendo una subclase de los radares de barrido electrónico. Una fuente irradia llamada phase shifter y determina la forma del haz. Estos radares son relativamente baratos o 50-100 más caros que los radares con antena parabólica.
En los radares de barrido electrónico el cambio del haz es obtenido sin barrido mecánico y como mínimo 1.000 veces más rápido. El radar cambia la dirección del haz de radar en mili-segundos, diferentemente de los sistemas anteriores, que tenían un atraso de 2,5 segundos en media, el suficiente para el blanco viajar más de 1 kilómetro.
El alcance aumenta por ganancia de dB. El alcance de acompañamiento es que aumenta por mantener el acompañamiento estable, y por factor de dos por no perder tiempo moviendo antena.
Para comparación, una antena "slotted " es como una antorcha. Usted apunta hacia el lugar oscuro, la luz refleja y vuelta para los ojos. Una luz fosforescente es el transmisor y sus ojos son el receptor. La capacidad depende de los ojos y de la antorcha. Un objeto oscuro es más difícil de ver (furtivo) y un fosforescente más fácil. El cerebro es el ordenador.
En un radar de barrido electrónico es usado un conjunto de antorchas. En vez de apuntar la antorcha usted direcciona la luz dondequiera. Es posible apuntar parte de las antorchas para cada lugar (alto, izquierda o derecha) al mismo tiempo.
El concepto AESA es hacer un radar de centenares o miles (depende de la misión y espacio), de TRM separados. Es decir posible actualmente debido a los ordenadores poderosos. Los TR actuales son llamados de "ladrillos" debido a forma. Lo del JSF será llamado "teja".
El más importante desarrollo tecnológico que permite esta tecnología son los con chips de Arsenido de galium de la banda X (5,2 y 10,9 GHz) con 4 la 20 Watts de potencia cada. Esta tecnología está siendo introducida nos cazas actuales y futuras modernizaciones.
La primera generación de los radares de barrido electrónico usaba un control de la fase de las señales con mecanismos la base de ferrito. Esta generación tenía gran agilidad para apuntar el haz y gran disminución de la firma de la antena. El tiempo para barrido fue intercambiado con el tiempo para usar varios modos dando la impresión de tener varios modos al mismo tiempo.
Pero aún no oye mejoras en la disponibilidad o eficiencia del radar. El TWT (Travelling Wave Tube) de alta potencia aún estaba siendo usado y era sujeto a defectos relativamente frecuentes.
La próxima tecnología fue usar transmisores y receptores en cada elemento de la antena o el concepto AESA. La tecnología que viabiliza estos radares son los Circuito Integrado Monolítico de Microondas (Monolithic Microwave Integrated Circuits) la base de Arsenido de galium (MMIC GaAs), o circuitos de microondas o chip único. Esta tecnología permite la producción masiva de radares AESA de bajo coste y con gran disponibilidad.
En 1984 cada transmisor costaba cerca de US$100 mil para que sean usados en equipamientos de comunicaciones. Con el uso militar pasó a dominar el mercado, pero ahora ya es casi todo comercial.
Los módulos básicos de un radar AESA son los módulos transmisores/receptores (TRM). Es un conjunto autocontenido de cada elemento radar de la antena AESA, con un receptor de bajo ruido, amplificador de potencia y elementos de control de fase/atraso y elemento de ganancia. El control digital de los TRM permite el proyecto de una antena con gran agilidad para apuntar el haz y con poquisimos lóbulos laterales comparados con los radares de barrido electrónica.
La mejoría de la disponibilidad viene de la capacidad del radar poder perder entre 5 a un 10% de los módulos antes de tener su desempeño degradado. El sistema de alimentación de energía de cada módulo también tiene bajo voltaje y es individual, bien menos sujeto a problemas que un sistema único de alto voltaje.
El barrido electrónico es más resistente a las interferencias debido a disminución de los lóbulos laterales. Dividiendo el tiempo entre modos, pueden realizar varías tareas simultáneamente como búsqueda de blancos en el aire, tierra y guiar misiles. Un radar AESA puede generar un haz angosto y enfocado para discriminar blancos poco espaciados, o acompañar el blanco que esté interfiriendo, o producir un haz ancho para mapeamiento de terreno. Operando en el modo pasivo ellos pueden detectar amenazas y acompañar la larga distancia. El modo SAR de tiempo real puede ser usado para designar blancos para armas guiadas por GPS.
Un radar de barrido electrónico puede realizar varias funciones simultáneamente.
El tiempo medio entre fallos (MTBF) pasó de 60-300 horas, para cerca de 1.000 horas para un radar AESA. En vez de varias reparaciones por año, serán necesario esperar varios años hasta necesitar de alguna reparación. Volando 200 horas por año, será un fallo cada 5 años.
El control de la energía o gerencia de energía emitida pasó a ser más fácil con el control digital disminuyendo la posibilidad de interceptación (LPI). La agilidad de apuntar el haz también disminuyó la probabilidad de interceptar el patrón de barrido. El salto de frecuencia esconde emisión con ruido de fondo y haciendo difícil de ser detectado e interferido. Otra técnica LPI es intercambiar lo pico de potencia por resolución.
En los radares convencionales no son capaces de acompañar si un par de caza enemigo se separa, con un caza para la derecha y mas alto y el otro para la izquierda y para bajo. Los radares AESA no tiene este problema.
Un radar AESA tiene capacidad de formar un haz de interferencia. Cuando el enemigo pierde el cerramiento, el radar para de interferir hasta el radar estar próximo a cerrar nuevamente.
La modernización puede venir por medios de software y no de hardware para controlar las formas del fajo, patrones de barrido o comportamiento de los lóbulos laterales. El futuro será de los radares AESA. Los cazas de 2010 sin esta capacidad no serán competitivos.
Los radares AESA también tiene defectos. Uno es la disipación de energía. Los módulos TRM tiene baja eficiencia y producen mucho calor y la eficiencia va a depender del sistema de refrigeración. Son generalmente refrigerados a líquido.
Otro problema son los costes de los TRM. Usando centenares o miles de módulos, si cada uno cuesta cerca de US$ 10 mil como al inicio de la década de 90, el radar puede llegar a costar más caro que el caza. Estos radares sólo son factibles con los módulos costando US$ 1000-4000. En 2006 serán introducidos nuevos materiales y serán más baratos. Deberán costar cerca de US$ 200. Abajo de este valor el coste de desarrollo debe ser mayor que lo que se economiza.
Otra desventaja son el campo de visión de sólo 120-140 grados de la antena fija, además de la menor potencia y menor apertura en ángulos extremos. Con tecnología "Smart Skin", amoldando la antena en la superficie de la aeronave, es posible cubrir 360 grados. Está tecnología es factible en proyectos nuevos. Otra opción es aumentar el sector de vigilancia con una antena móvil.
El primer radar americano de barrido electrónico pasivo fue el Westinghouse (ahora Northrop Grumman) AN/APQ-164 de la B-1B que es el principal elemento del "Offensive Avionics System (OAS)". El radar es basado en el AN/APG-66 del F-16. El radar esta montado en la nariz de la aeronave y tiene capacidad LPI. Los modos son once incluyendo acompañamiento del terreno, navegación y SAR.
El segundo a entrar en operación fue el AN/APQ-181 del bombardero B-2A Spirit, también de barrido electrónico pasivo. La Raytheon recibió un contrato y, 2003 para modernizar el radar de barrido electrónico pasivo de la banda Ku AN/APQ-181
En Latinoamérica, la FAB opera radares AESA en la forma del radar Erieye que equipar la R-99A AEW y la FACh hace lo propio con sus radares Elta en el Condor.
En 2002 la BAE Systems presentó el Seaspray 7000Y con tecnología AESA para equipar helicópteros, UAV y aeronaves de patrulla marítima leves. Funciona contra blancos en tierra, mar y aire con mayor resolución y modos como mapeamiento, GMTI, ESM y capacidad IFF.
Lo caza F-2 japonés está equipado con un radar AESA de la Mitsubishi Electric (Melco). El radar fue probado en el Kawasaki C-1 y tiene 800 TRM con 3W de potencia cada una.
La Elta Electronic Industries desarrolló el radar Green Pine de alerta anticipado y control de tiro de los misiles anti-balístico Arrow 2. El radar es designado EL/M-2090. Opera en la banda L (500-1000 MHz) y fue desarrollado del radar Music de la Elta. El radar opera en modos de búsqueda, detección, acompañamiento y control de misiles simultáneamente. Puede detectar blancos a cerca de 500 km. Green Pine sirvió de base para la primera generación de radares aéreos tipo AESA son de la banda L como el radar de alerta anticipado aerotransportado Phalcon.
El Northrop Grumman Multirole Electronically Scanned Array (MESA) con 200 TRM es capaz de barrer 360 grados en menos de 10s. Irá a equipar Boeing 737 AEW australianos (foto). MESA podrá equipar otras aeronaves americanos como el MC2A, RC-135, Y-3 AWACS y Y-8
Sistemas de Armas
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