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sábado, 20 de enero de 2024
lunes, 16 de mayo de 2016
La furtividad en la guerra aérea: Introducción y conceptos iniciales
La furtividad en la guerra aérea
Traducción: Iñaki Etchegaray
Historia
La capacidad de supervivencia de una aeronave puede ser considerada tan importante como su letalidad. Una aeronave que retorna de una misión saldrá a atacar nuevamente. Esto fue observado ya en la Primera Guerra Mundial. En esta época las aeronaves eran frágiles, apenas proyectadas y mantenidas, operaban de pistas sucias y agujereadas y con pilotos apenas entrenados. El resultado era pérdidas altas aún fuera de los combates.
Luego en el inicio de los combates fue quedando claro que los encuentros tenía tres fases subsecuentes: la detección, el encuentro y la probabilidad de destrucción (Probability of Kill - Pk). Estas fases forman la cadena de destrucción (Kill Chain).
En la fase de detección el observador hace la detección cuando la señal del blanco es suficientemente grande para distinguir del ruido de fondo. Para evitar detección no es necesario ser invisible, pero tener firma pequeña para esconder en el ruido de fondo. La historia de la contra-detección aérea inició con las aeronaves escondiéndose en las nubes y con el uso de camuflaje.
La detección en la Primera Guerra era visual. El alcance de detección era de unos 18-27 km a lo sumo. Era posible oír las aeronaves o uno se daba cuenta por los disparos enemigos. No había en esos momentos radios para los pilotos a fin de reportar la presencia enemiga. La sorpresa era el principal factor en el éxito. Quiénes veían primero generalmente ganaban. Las tácticas eran usar las nubes, el sol y aproximarse por atrás y por lo bajo al enemigo. El camuflaje fue usado para esconder en el terreno volando más bajo que la amenaza. La mejor táctica de la época era volar la noche.
El encuentro es la fase de puntería de las armas. El atacante debe detectar, identificar y localizar el blanco. Éste puede ser confundido o distraído con blancos falsos y también por guerra electrónica. Una baja firma disminuye el alcance del ataque exponiendo el enemigo al contra-ataque.
La movilidad y control de firma dificultan la localización. Los datos pueden ser borrosos y que aparezcan intermitentemente. Se debe tener certeza que no es neutro, amigo, blanco falso, aeronave comercial o civil o un blanco sin importancia militar. La identificación puede ser retrasada con una leve modificación de la firma pareciendo ser pequeño o menos amenazador.
Durante el encuentro, cazas como el Spad XIII usaban la velocidad y la maniobrabilidad para sobrevivir y vencer. Los bombarderos como los Gotha y Handley Page tenían perfil de misión diferente para sobrevivir. Usaban metralletas defensivas y blindaje. Volaban en formación para una protección mutua.
El Pk ocurre cuando la aeronave es alcanzada. Si el ataque tuvo éxito, debe tener su resultado limitado con redundancia, distribución de sistemas, selección de materiales y blindaje. El Pk depende de dónde los proyectiles aciertan. La mayor parte de las aeronaves de la época era de lona. Cabos de comando, sistemas hidráulicos, piloto y el motor eran los puntos débiles y recibían blindaje. Las características del proyecto prevalecen en el Pk.
Las prácticas son consecutivas y el defensor debe intentar entorpecer cada uno. Si detectado debe huir, si es interceptado debe maniobrar para entorpecer a punteria y de ser alcanzado debe resistir. La distinción de las fases es artificial y usada más para ilustrar el problema.
En la Primera Guerra Mundial no había defensas organizadas para interceptar las aeronaves enemigas a tiempo. Inmediatamente fueron iniciados estudios para crear mecanismos para oír cazas enemigos. Después de la guerra las inversiones fueron en la mejoría del desempeño de las aeronaves.
En la década de 30 la historia comenzó a cambiar cuando en 1937 científicos británicos inventaron medio para detectar aeronaves la larga distancia. En 1938 la Telefunken mostró el mismo medio de detección electrónico a los alemanes. En 1935 Watt detectó una aeronave la 70km. Comenzaba la historia del radar.
Durante la Segunda Guerra Mundial la superioridad aérea pasó a ser parte de cualquier plan de acciones combinadas.
La defensa de Inglaterra era considerada muy difícil. Los bombarderos tenían la iniciativa y llevaban 20 minutos para alcanzar cualquier blanco después de cruzar canal de la Mancha. Los caza de la época llevaban 10 minutos para subir la altitud necesaria. Para mantener uno patrulla de cazas continua en capas sería necesario una fuerza gigantesca.
La Luftwaffe creía que la RAF dividiría sus defensas en sectores y podría atacar de día en un único sector para saturar la defensa local con una gran formación de bombarderos. La RAF patrullaría todos sectores con suyos cazas divididos y sólo sería eficaz si los alemanes atacaran con fuerzas divididas en un frente amplio.
Sin embargo, los británicos colocaron en acción la red de radares “Chain Home” que detectaba aeronaves a hasta 180km. Los datos eran pasados para centrales de comando que direccionaba fuerzas en cantidad óptima de acuerdo con la amenaza. La RAF sabía el número y dirección del ataque en tiempo útil. La dirección de misión dirigía fuerzas en patrulla o mandaba despegar. En lo inicio de la guerra en 1939 ya había 20 estaciones operando.
La RAF consiguió equiparar fuerzas durante todo el conflicto con el radar compensando la inferioridad numérica total y consiguiendo superioridad local. La invasión alemana de Inglaterra, operación anfíbia Sea Lion, no podría ser realizada sin superiodad aérea y fue cancelada. Los británicos ya tenían superioridad en el mar.
El radar permitió que una fuerza pequeña que pongan bien coordenada, la RAF, enfrentar una fuerza numéricamente superior. Cuando los ataques aéreos enemigos eran detectados los medios apropiados podían ser colocados en el lugar correcto y en la hora correcta. Los pilotos de cazas recibían la designación de blanco después de que levanten vuelo para que no perdieran tiempo y los bombarderos enemigos eran interceptados bien antes de que alcancen el objetivo.
Así, los ataques aéreos alemanes eran detectados rápidamente y los defensores no tenían que depender de la borrosa y lenta vigilancia visual. Los pilotos podían subir rápidamente en los aviones sin correr riesgo de que sean bombardeados, pudiendo atacar el enemigo antes de llegaron al objetivo
La Octava Fuerza Aérea Americana, que actuaba en Europa, tenía como misión atacar la Luftwaffe. Las otras funciones eran secundarías. En 1943 los blancos eran las fabricas de aviones y bases aéreas. Los alemanes también tenían una red de radares como el radar Freya. Los bombarderos aliados eran atacados varías veces en ruta de ingreso y regreso del blanco en vez de sólo sobre el blanco.
El ataque contra fabrica de Me109 en Rogensburg en 17 de agosto de 1943 resultó en ataques continuos por 3 horas contra cazas de 14 bases alemanas. Este tiempo es llamado de tiempo en compromiso. Los cazas sabían todo el tiempo donde estaban las formaciones gracias a los controladores de cazas que recibían datos de la red de radares alemanes. El mismo día la formación que atacaría Schweinfurt se quedó sobre amenaza por 4 horas. En el blanco había artillería antiaérea que usaban radares para determinar la altitud y dirección del blanco. La primera fuerza volvió por el mismo camino con 3 horas más sobre ataques continuos.
El segundo ataque fue para el norte de África para evitar defensas en la vuelta. En el total perdieron un 16% de las aeronaves para las defensas. Esta tasa de pérdidas resultaría en pérdidas del 50% de la fuerza en 5 días de salidas diarias. En dos semanas la fuerza me caería para un 20% del número de aeronaves originales. Con esta tasa de roce la Octava Fuerza Aérea perdería dos fuerzas y media completa de aeronaves por año considerando sustitución.
Las tácticas de formación para autodefensa no eran suficientes. Era necesario escoltas de cazas. Primero fue iniciado el uso de tanques eyectables en las alas en 1944. Adolf Galland dijo que cuando la escolta apareció fue cuando Alemania comenzó a perder la guerra. Es que los alemanes pasaron a contar pérdidas crecientes y el problema principal pasó a ser la pérdida de pilotos entrenados que eran más difíciles de conseguir que las aeronaves.
En mayo de 1940 la RAF inició el bombardeo nocturno de Alemania. Los alemanes podían detectar y acompañar las aeronaves, pero no tenían cómo atacar. Hallar blancos en el suelo también era difícil en la noche para la RAF. Sólo 1 de 5 bombarderos lanzaba sus bombas por lo menos a 8 km del blanco. Los medios de navegación electrónica mejoraron la precisión en 1942 como la aparición del sistema H2S. Los alemanes respondieron con instalación de radar en cazas nocturnos. Tenían alcance de 7km, pero no servían para control de tiro.
Las contramedidas electrónicas (ECM) inmediatamente aparecieron como medida para negar el uso del radar. Esto fue iniciado con la generación de ruido de fondo, jamming (interferencia) y hacer parecer al objeto mayor de lo que es.
Una técnica era el Window (ahora llamado chaff) para confundir. El científico británico R. V. Jones percibió en 1937 que quitas de metal producían un blip en el radar. Dos mil de estas tiras creaban un RCS similar a de un bombardero.
En 1941, un bombardero Wellington con antenas especiales fue atacado sistemáticamente mientras volaba junto de otras aeronaves. Se dedujo que las antenas creaban un eco mayor que atraiga el fuego. En el próximo ataque, este bombardero usó paquetes con barras de aluminio con tamaño de las antenas, pero sin observar cambio.
Un año después notado que paquete con 240 tiras de aluminio producía un blip del tamaño de un bombardero Blenheim. Si lanzado por una milla dificultaba la adquisición del eco por los radares. Los británicos llevaron 18 meses para decidir sobre el uso debido al miedo de los alemanes que también usaran. Fue usado por primera vez en la incursión de 2 de agosto de 1943. Fueron lanzados 2 millones de tiras de 30x1,5cm por 746 bombarderos de la RAF. En el primer ataque perdieron 12 aeronaves contra las esperadas 50 pérdidas. Las defensas se quedaron invidentes según los alemanes. La 8va. Fuerza Aerea Americana inició lo usó en diciembre de 1943.
Los operadores de radar inmediatamente comenzaron a aprender la diferencia de las láminas y de los blancos volando rápido. Los radares comenzaron a usar técnicas para separar blancos moviles de los chaff cayendo lento (proyecto Wurzlaus). Otras técnicas detectaban modulación de las hélices. Los radares de caza pasaron a operar en la banda de 90 MHz que no era afectado por el chaff que era cortado para onda de 50cm.
Los británicos usaban sensores para detectar radares de alerta trasero Monica en los bombarderos que sirvió de fuente de detección y otros cazas alemanes se guiaban por las ondas de los sensores de navegación. La RAF reaccionó con nuevos chaff, ya no usó el Monica y sólo usaba lo H2S se necesario.
Fueron iniciados varios proyectos de contramedidas electrónicas como el carpet, dina, rug y lighthouse. El Carpet era un ECM contra radares. El mandrel estaba contra el radar Freya, el Piperack contra el Lichtenstein, el Perfectos activaba el IFF de los cazas para revelar posición y el Moonshine era para imitar una gran fuerza haciendo la aeronave parecer una gran formación.
El Día D el aliados colocaron 325 mil tropas en pocos días, pero aún era una fuerza muy inferior las tropas de Rommel en la región. Los aliados tenían que usar la superioridad aérea para evitar que se movieran. El objetivo era balancear las fuerza en tierra con superiodad en el aire. Las aeronaves atacaron puentes, carreteras, ferrovias y así los alemanes no podían reforzar sus tropas. Usaban las carreteras la noche y aún así bajo ataque.
La Posguerra
Las investigaciones sobre misiles superficie-aire (SAM) iniciaron con los alemanes aún en la Segunda Guerra. Los EEUU y la URSS siguieron las investigaciones con misiles guiados por IR y radar. El SA-2 ruso (V-75 Dvina) apareció en 1953. El Bomarc americano usaba un radar en tierra y era radio-controlado. Después recibió un radar interno. El radar ahora estaba siendo usado en la fase de intercepción y Pk.
La reacción fue el uso de aeronaves jets cada vez más rápidas, pero que aún eran fáciles de detectar por el radar. El proyecto de caza-parásito para escolta de bombarderos mostró ser inviable. Los bombarderos jets tendrían que atacar la URSS sin escoltas. El tamaño de la B-52 permitiría llevar un grande interferidor. Sólo realizaría una misión con bomba atómica y no operaciones sostenida y por eso no era esperado roces de larga duración. Los misiles balísticos pasaron a ser la respuesta adecuada las defensas aéreas que podrían hacer los bombarderos obsoletos.
La principal de supervivencia técnica en esta época aún era el desempeño, principalmente la velocidad y altitud, como en la Primera Guerra. Los mejores ejemplos era el U-2 de 1955 que volaría por encima del techo operacional de los cazas de la época. En 1960, un U-2 fue derribado por un ataque de 14 misiles SA-2 mientras espiaba sobre la URSS. Inmediatamente apareció el SR-71 que combinaría techo de 27 mil metros con velocidad por encima de Mach 3 para penetración en profundidad. La aeronave también usaba algunos conceptos furtivos. Los SA-2 no maniobraban bien la gran altitud y era muy borrosos. El XB-70 Valkyrie sería equivalente al SR-71 con capacidad de bombardeo pero falló en las pruebas por sólo poder operar muy alto y muy rápido.
Con los radares operando en todas las fases de la intercepción, las ECM se haría aún más importante. Los interferidores de la Segunda Guerra forzaron los cañones 88mm alemanes a usar puntaria visual que era muy borrosa a 8-10 mil metros. Fue estimado que las ECM redujo el roce de los aliados en un 25%.
Cinco años despues de que U-2 fue derribado, un F-4C Phantom II fue derribado en Vietnam del Norte. El problema para los cazas era mucho peor pues eran optimizados para velocidad, alcance y carga de bombas y eran buenos reflectores radar. Los pilotos siempre consideraban que serían detectados a la corta o a la larga. La velocidad, tácticas y manobrabilidad no garantizaban la supervivencia contra misiles volando de más de Mach 2.
Durante las operaciones Rolling Thunder entre 1965-1968, los SAM ofrecieron nuevos desafíos para los cazas. Los SA-2 reaccionaban lento cuando volaban y los pilotos desarrollaron tácticas para maniobrar agresivamente. Los pilotos generalmente apuntaban hacia el misil y hacían maniobra evasivas de alto desempeño que el misil no conseguía anular. Primero tenían que saber que eran atacados y usaban detectores radar (RWR) que indicaban la dirección del ataque. El misil tenía que ser detectado visualmente para que las maniobras funcionen.
Si los pilotos volaran a medía altitud eran atacados por misiles SAM y se volaban bajo para protegerse de los SAM eran atacados por artillería antiaérea. Había 4.400 piezas de artillería antiaérea en la región. Vietnam del Norte tenía la tercera mejor defensa aérea de la época, quedándose atrás de la URSS y EEUU.
Los interferidores de apoyo (Stand-off Jammers - SOJ) conseguían entorpecer la detección por algún tiempo. Los interferidores de autodefensa tenían que cubrir mucha banda y los cazas no tenía potencía suficiente teniendo que volar en formación para funcionar. Inmediatamente apareció los cazas optimizado para supresión de defensas.
Todos los recursos disponibles eran reunidos en un paquete para protección mutua y saturar las defensas. Los paquetes en la Linebaker I consistían de un 20- 40% de atacantes y un 80-60% de escolta como supresión de defensas, MIG-CAP, Escort-CAP, lanzadores de chaff e interferidores SOJ. Eran capas múltiples de defensas contra todas las amenazas.
En la Linebaker II se esperaban pérdidas del 5% debido las defensas de los blancos. Los ataque fueron iniciados con cazas F-111 atacando bajo las bases de misiles SAM y de cazas. Los F-4 lanzaban cortinas de chaff para enmascarar las rutas de los B-52 y los F-105 escoltaban el paquete realizando supresión de defensas. Un total de 67 B-52 atacaron junto con paquetes de 20-61 aeronaves en varías ondas. Doce aeronaves fueron perdidas siendo 9 B-52. Los pasillos chaff dispersaban rápido y pasaron a ser lanzados continuamente. En el final fueron 27 pérdidas en 729 salidas siendo 15 B-52 y todos para los SAM. La tasa de roce de los B-52 fue del 2% que sería difícil de sostener en varios meses. Cerca de 900 SAM fueron disparados y Hanói se quedó sin reposición. Las operaciones Linebaker pasaron a ser el ejemplo de conflicto futuro esperado.
Los interferidores de largo alcance se hicieron importantes y la USAF inmediatamente incorporó el EF-111 para escoltas de sus paquetes. Interfería en los radares en las bandas de VHF hasta J la una distancia de hasta 200km. Cinco EF-111 podrían cubrir una región equivalente al mar Báltico o mar Adriático.
En 1973 Israel perdió 40 aeronaves para misiles SAM y artillería antiaérea guiada por radar en las colinas de Golan en un día. Esta tasa de roce del 10% forzaría parar las operaciones aún sin perder todas las aeronaves. En el total fueron 109 aeronaves pedidas en 18 días. El conflicto mostró la necesidad de deshabilitar las IADS. En 1982, en la batalla del Vale de Bekka en el sur de Líbano, Israel usó aeronaves AWACS, de inteligencia electrónicas, aeronaves no tripuladas, drones despistadores, misiles anti-radar, todos coordinados y con pilotos entrenados para destruir las defensas aéreas en el local.
En marzo de 1986 dos cazas F/A-18 de la US Navy que patrullaban la línea de la muerte en Libia fueron atacados por misiles SA-5. Los misiles erraron. En abril a US Navy contra atacó contra bases terroristas. Los interferidores de largo alcance (SOJ) serían la llave para cegar las defensas aéreas integradas libias que fueron suministrada por los rusos. Los libios usaban defensas aéreas de cobertura densa y redundante con varías frecuencias. El objetivo era dificultar la tarea de jamear y entorpeces los ataques con misiles anti-radar. Las línea de comunicaciones entre los sistemas eran blindadas. Los vietnamitas tenía dificultad de alertar las batirías de misiles SAM, pero la líbia no.
La táctica principal de la operación Eldorado Canyon era un ataque rápido, a la noche y volando bajo. Los radares tendrían menos de 3 minutos para detectar, identificar, localizar y designar armas antes de lo caza volar sobre la web (considerando que no habría cobertura del terreno). El jammer de las aeronaves SOJ (EF-111 y EA-6B) disminuiría el tiempo de compromiso
Las amenazas futuras esperadas son los sistemas rusos S-300 muy sofisticados. Las contramedidas electrónicas pueden no ser eficientes como ocurrió en lo inicio del conflicto de 1973 en Israel. Otro tipo de respuesta pasó a ser necesaria.
La Furtividad entra en Escena
En 1938, Robert Watson-Watt, inventor del radar, anticipó que los bombarderos (y por extensión los cazas) deberían ser proyectados de forma a reducir el eco de radar.
En el fin de la década de 50, material absorbente de radar (RAM) fue incorporado en el proyecto de aeronaves convencionales. Él tenía dos propósitos: reducir el RCS contra amenazas específicas y aislar antenas múltiples pare prevenir comunicación cruzada. El Lockheed U-2 es un ejemplo de aeronave en esta categoría.
En 1960, ya había conocimiento suficiente que formas y componentes influenciaban en el RCS. Ya era hecho concreto que un plan liso en ángulos rectos alcanzada por una onda de radar tenía una señal de radar bien grande, y una cavidad, con localización similar, también tenía un grande retorno. Entonces, la entrada de aire y el exhaustor de una aeronave la jet debía ser los principales contribuyentes para el RCS en la nariz y en la aleta caudal en las direcciones observadas, y a deriva vertical dominaba la firma lateral. Una aeronave podía ser proyectada con forma y materiales apropiados, y la no ser que un proyecto completamente balanceado, siempre habría un componente que dominaba lo retorno en alguna dirección particular. Esta era a era del Lockheed SR-71 Blackbird.
Diez años después, fueron desarrollados métodos numéricos que permitieron proyectar una aeronave con RCS balanceado para disminuir lo retorno de reflectores dominante. Esto llevó al desarrollo del Lockheed F-117A y Northrop B-2
El desarrollo de la furtividad contemporánea se inició en 1975 para contraponer la compleja y sofisticada IADS Soviética. Hasta la década de 70 no fue dada mucha atención para disminuir el RCS o retorno radar. La guerra del Yom Kippur en 1973 y las pérdidas israelíes para la IADS árabe llevó la DARPA a desarrollar el programa Have Blue que resultó en el F-117. La tecnología furtiva puede ser considerada la tecnología más importante después del motor jet para la guerra aérea. Con un RCS 1000 veces menor que una aeronave convencional, la F-117 es capaz de pasar a través por las defensas rusas, haciendo inútiles una inversión de US$100 mil millones en gastos de defensa aérea durante 20 años por parte de los soviéticos.
En los últimos 25 años ha habido mejoras en los métodos analíticos y experimentales, particularmente con respecto a integración de formas y materiales. Al mismo tiempo, la facción anti-furtiva está desarrollando un gran conocimiento de estos requerimiento, forzando la comunidad furtiva en otras mejorías.
Fundamentos de un Proyecto Furtivo
Capacidad de Supervivencia
La capacidad de supervivencia es una gran preocupación de la aviación de combate desde hace mucho tiempo. En la Segunda Guerra Mundial, para realizar sus misiones, los B-17 de la USAF que operaban sobre Alemania fueron equipados con armamento defensivo pesado, blindaje, extintores de incendido en los motores, tanques de combustible auto-sellantes, tripulantes con chalecos antibalas y paracaídas. El peso de las armas defensivas y munición era el doble de la carga de bombas.
En agosto de 1943, la 8va Fuerza Aérea atacó Schweinfurt y Regensburg en Alemania. De los 315 bombarderos que participaron de la misión, 60 fueron perdidos. La 8va Fuerza Aérea perdió 1/3 de sus bombardero en 1943. Esto resultó en cambio de tácticas y en la aparición de la escolta de cazas.
Los B-17 volaban alto para evitar la artillería antiaérea, en formación cerrada para protección mutua y para sobreponer campos de tiro. Las formaciones eran espaciadas para evitar que artillería antiaérea derribara varias aeronaves de un golpe sólo con un único tiro, pero próximos lo suficiente para que se defiendan y evitar que cazas enemigos maniobren fácilmente entre ellos.
También atacaban varios blancos al mismo tiempo con grandes formaciones para saturar las defensas. Los americanos pasaron a volar de día después de lo inicio de operación de escoltas de cazas de largo alcance. La mira Norden necesitaba ver el blanco para que el ataque fuera efectivo. Sin las escoltas las pérdidas llegaban la un 20% de las aeronaves. La RAF volaba la noche sin escolta de caza para disminuir las pérdidas, pero la precisión sólo daba para atacar blancos grandes como ciudades. Con la aparición del radar fue iniciado el uso del chaff, llamado de windows en la época.
Durante los ataques a las refinerías de Ploesti en la Segunda Guerra Mundial fue estimado inicialmente que sería necesario 1.370 salidas para alcanzar 90% acierto. Serían nueve plazas de 120 aeronaves en 4-6 semanas atacando la gran altitud. Se decidió atacar a baja altitud con 178 bombarderos B-24. Del total, 53 fueron derribadas, la mayor parte volvió damnificada y sólo 33 continuaron a volar.
En Vietnam, los F-105 Thunderchief llegaron a tener una tasa de roce de hasta un 15%. Actualmente, una tasa de fricción o roce del 15% esperada para una misión resultaría en el uso de aeronaves furtivas, misiles cruise o aeronaves no tripuladas.
En la Guerra de Vietnam los EEUU usaron las mismas tácticas de la Segunda Guerra Mundial inicialmente. Los cazas-bombarderos y bombarderos volaban alto en formación y tenían cazas F-4 Phantom para defensa contra los Mig de Vietnam del Norte. No había ninguna contramedida. Inmediatamente aparecieron los misiles SAM como principal amenaza. Los EEUU reaccionaron con los sistemas de alerta radar y interferidores electrónicos, más el apoyo de interferencia de apoyo de los EA-6 Prowler.
Otra contribución fueron las aeronaves de supresión de defensas para buscar y destruir las baterías de misiles SAM en tierra. El perfil de misión colocaba las aeronaves arriba y lejos del alcance de los misiles, pero a veces también volaban bajo y dentro del alcance de armas leves y artillería antiaérea. Sólo los sistemas de alerta radar (RWR) disminuyeron la eficiencia de los misiles SAM en un 80%.
Un F-4 alcanzado por un misil SAM consigue volver hacia base a pesar de estar muy dañado.
La experiencia americana en Vietnam e Israelí en 1973 llevó al uso de reducción de firma en la década de 70 con el F-117 Nighthawk. El principal atractivo de las aeronaves furtivas es volar siempre alto. Aeronaves convencionales tiene perfil de vuelo alto-bajo-bajo-alto (Hi-Low-Lwo-Hi). La aeronave despega, sube para altitud de crucero, descienden para baja altitud para evitar detección y maniobran para evitar la artillería antiaérea. El blanco es atacado a baja altitud, con maniobra pop-up para adquisición del blanco. Después de atacar el blanco la aeronave da vuelta para la base, primero a baja altitud y después sube para aumentar el alcance volando en la altitud de crucero. Al bajar la altitud el ambiente se hace más hostil: el arrastre aumenta, el consumo de combustible prácticamente se duplica y las cargas de maniobra son aumentadas para evitar enemigo. Volando siempre alto estos problemas son evitados.
La visión sistemática y cuantitativa de la capacidad de supervivencia tomó importancia en Vietnam después de varías pérdidas. Antes no era considerada muy importante. Era una característica que funcionaba y continuaba a ser usada en nuevos proyectos. El A-10 Thunderbolt II fue la primera aeronave proyectada con requerimientos completos de vulnerabilidad. De 20 aeronaves que retornaron alcanzadas severamente en la Guerra del Golfo de 1991, sólo 1 no pudo volver a volar.
La capacidad de supervivencia de una aeronave de combate es definida como la capacidad de evitar y, como alternativa, soportar un ambiente hostil creado por el enemigo. El evitamiento significa quedarse lejos de los sistemas de armas enemigos. Soportar se refiere la capacidad de continuar a luchar con seguridad después de ser alcanzado.
En el primer caso las características se llaman susceptibilidad, definida como la probabilidad de ser alcanzado por las armas enemigas o evitar el ambiente hostil. Ella depende del teatro de operaciones, defensas, selección de armas, paquete de ataque, armas y tácticas enemigas y el entrenamiento de los operadores. Una aeronave volando bajo y lento es muy susceptible como un helicóptero. Una aeronave volando alto y rápido es poco susceptible.
Modelos matemáticos relaciona estas funciones simulando la secuencia de acontecimientos desde la detección hasta la aeronave ser alcanzada.
La capacidad defensiva sigue el principio de no ser detectado, si detectado no ser enganchado, si es encontrado no ser alcanzado, si alcanzado reducir los daños al mínimo" y puede ser expresa en la ecuación:
Pk = Pd x Pa/d x Ph/a x Pk/h
siendo que
Pk = probabilidad de ser destruido
Pd = probabilidad de detección
Pa/d = probabilidad de adquisición debido a detección
Ph/la = probabilidad de ser alcanzado debido a adquisición
Pk/h = probabilidad de ser destruido después de ser alcanzado
Un Pk del 50% significa una media de efectividad del 80% en cada elemento (80% x 80% x un 80% = un 51%). Si la detección disminuir para 1 en 5 (un 20%) la efectividad de la defensa se cae para un 13%. Reduciendo la detectabilidad para 1 en 25 (un 4%) significa que sólo 1 en 40 aeronaves serán derribadas, sin llevar en cuenta que contramedidas serán usadas para entorpecer el control de tiro. Reducir la detectabilidad es la razón de ser de la furtividad.
La cadena de supervivencia depende de varios factores y características de la aeronave:
- No ser encontrado: alerta radar, alerta láser, tácticas, doctrina, conciencia de la situación, protección de fuerza, entrenamiento y experiencia de la tripulación, mantener distancia de la amenaza, sistema planificación de misión y contra reconocimiento y seguridad;
- No ser visto: control de firma (furtividad), acompañamiento del terreno, doctrina, capacidad de adquisición de blancos, tácticas, entrenamiento y experiencia de la tripulación y volar la noche;
- No ser alcanzado: velocidad, altitud, manobrabilidade y agilidad, tácticas, sistema de alerta, contramedidas electrónicas, chaff y flare, armas y cañones de autodefensa, escolta de cazas, armas anti-radar, armas de largo alcance, vuelo no tripulado y furtividad;
- No ser derribado: blindaje, redundancia, compartimentación, no llevar combustible del lado de las entradas de aire, fluido hidráulico no inflamable, hidráulicos redundantes y separados, estructura reforzada y protección contra explosión y fuego
La capacidad de supervivencia de una aeronave de combate es la capacidad de evitar o resistir a un ambiente hostil y sin perder capacidad de cumplir la misión. Puede ser medida por la probabilidad de una aeronave sobrevivir a un encuentro con este ambiente. Puede ser medido probabilísticamente por "Ps".
La capacidad de supervivencia puede ser reducida por la reducción de la firma, equipamientos de alerta, contramedidas, tácticas, desempeño, definición de la amenaza, volar fuera del sobre de las armas enemigas y destruyendo enemigo preventivamente.
La susceptibilidad es la incapacidad de una aeronave de evitar el ambiente hostil humano (cañones, misiles, ojivas, interceptadores, radares, y todos elementos de una IADS). Cuanto mayor la posibilidad de una misión ser alcanzada por un mecanismo de daño generado por ojiva de una arma, más susceptible es la aeronave. También es el grado donde un medio, equipamiento o sistema de armas está bajo riesgo de ataque debido a una flaqueza inherente. Puede ser medido probabilísticamente por "Ph".
El término susceptibilidad como evento indeseable y vulnerabilidad para consecuencia indeseable no es usado técnicamente. Vulnerabilidad puede estar relacionada con la misión o cuando la aeronave es alcanzada. Es la característica de un sistema que lo hace sufrir degradación resultante de efecto del ambiente hostil enemigo.
La vulnerabilidad es la incapacidad de una aeronave de resistir al ambiente humano. Es medida estadísticamente por "Pk/h".
La vulnerabilidad es reducida con redundancia y separación de componentes críticos, como computadores vuelo, hidráulicos y motores múltiples y espaciados, proyecto de componentes para minimizar daños e instalación de sistemas On-Board Inert Gas Generator Sistem (OBIGGS) en los tanques de combustible y blindaje en los componentes críticos.
La vulnerabilidad depende de la capacidad de soportar efectos de ojivas, penetradores, explosión y fragmentos. Disminuir la vulnerabilidad es asegurar que los componentes críticos continúen a funcionar después de alcanzados.
"Killability" o Pk es la incapacidad de una aeronave evitar y resistir al ambiente humano o la facilidad de la aeronave ser destruida. Es la composición de la estadística de ser alcanzada y vulnerabilidad: "Pk=Ph x Pk/h".
Ps = 1 - (Ph x Pk/h)
La capacidad de supervivencia aumenta si la susceptibilidad y vulnerabilidad fueren reducidas. Cerca de un 30% de las aeronaves americanas alcanzadas en Vietnam del Norte fueron derribadas. La mayor parte de las pérdidas fue debido a la pérdida en la propulsión y sistemas de combustible en las aeronaves. En el Golfo un 41% de las aeronaves de la USAF y US Navy alcanzadas fueron derribadas. Las aeronaves de apoyo aéreo aproximado tuvieron mayor proporción de pérdidas relativas por que sean las más expuestas y las de prohibición la mayor pérdida absoluta por que realicen la mayor parte de las misiones.
La capacidad de supervivencia está relacionada con la duración de la misión. Incursiones están sujetas la grandes pérdidas y son aceptables se la misión fuere crítica. Conflictos cortos prevé la gerencia de pérdidas hasta la llegada de refuerzos. Los conflictos largos dependen de la capacidad de la economía nacional y antojo de luchar.
El modelo "fly-out-model" muestra la medida de susceptibilidad de la aeronave. Puede se expresa en la forma de "miss distance", distancia mínima entre aeronave y el misil/proyectil en determinadas condiciones. Cuanto menor el parámetro, mayor la probabilidad de ser alcanzada. Está relacionada con la superficie mostrada para enemigo, radar o arma. El modelo "end game model" estudia la fase final del combate.
El término "soportar el ambiente hostil" es la capacidad de continuar actuando sin comprometer seguridad del vuelo o misión, incluyendo después de sufrir daños. Si expresa en la vulnerabilidad de la aeronave, o la capacidad de ser alcanzada y no ser destruida. La cuantificación depende de la susceptibilidad, características de proyecto, instalación de sistemas. Simulaciones llevan a niveles de daños llamados de "attrition kill" y "mission kill". En el primer caso el avión es perdido, y en el segundo no se pierde pero no puede cumplir la misión.
Otra forma de "atrition kill" es el tiempo entre la verificación de los daños y la pérdida de la plataforma. Puede ir de fracción de segundo en el caso de ser alcanzado por un misil, hasta daños en el aterrizaje debido a averías de sistemas como tren de aterrizaje o pérdida del piloto. Puede alcanzar estructura, combustible, controles de vuelo (más frecuente en la transmisión). Esto resulta en la redundancia, localización adecuada, protección, control de averías e incendios. Resulta en peso y costes adicionales en el proyecto y operación.
El Roce
Las caras armas de precisión no tiene mucha utilidad se lo caza que a transporta no consigue sobrevivir las defensas enemigas y es derribado antes de atacar. Un alto nivel de roce puede afectar seriamente el resultado de campaña aérea. La capacidad de supervivencia es un factor importante en el resultado del conflicto. El objetivo de cualquier sistema de armas es sobrevivir a las condiciones de la guerra.
La tasa de pérdida determina cuantas aeronaves o tripulantes estarán disponibles para una campaña aérea prolongada.
La tabla abajo ilustra las posibles razones de pérdidas de aeronaves para las defensas aéreas y sus consecuencias para el atacante. La tabla no considera sustituciones.
Una razón de roce del 1% significa que más del 60% de las aeronaves sobrevivirán después de 50 salidas y un 90% hubiera sobrevivido las 10 primeras salidas. Aumentando la tasa de roce a un 5%, las aeronaves que sobrevivirán las 10 primeras salidas serán un 60% de la fuerza inicial. Una tasa de roce alta de cerca de un 20% significa que un 90% de la fuerza será derribada antes de completar 10 salidas. La experiencia americana en Vietnam y la Israelí en 1973 llevaron al uso de la reducción de firma en la década de 70 con F-117 Nighthawk como forma de contraponer la amenaza del radar y disminuir la tasa de roce.
Estas razones de roce indican la duración en potencia de una campaña aérea sin sustitución de las aeronaves derribadas por otras nuevas. Tasas por encima de un 10% son consideradas inaceptables actualmente.
Una aeronave de la *USAF no despega si la misión tuviera una probabilidad de pérdida mayor que un 2%. Si la posibilidad sea mayor que un 75% son usados misiles *cruise. La F-117 sufrió una pérdida en cerca de 2.500 misiones con una tasa de pérdida del 0,04% contra defensas pesadas.
El control de firma permite que los cazas obtengan alta razón de cambio (enemigos muertos/amigos muertos) y mejora la capacidad de supervivencia, permitiendo destruir blancos prioritarios sin pérdidas inaceptables.
La capacidad de permanecer en el territorio enemigo sin ser detectado sirve para ganar tiempo para planear y ejecutar un ataque óptimo. Después del enganche será difícil mantenerse sin ser detectado. El armamento lanzado, la no ser que sea furtivo, será detectado por el blanco. La plataforma lanzadora, maniobrando para otro ataque o para escapar de contra ataque, será menos furtiva. El elemento sorpresa estará perdido.
Conceptos
Inicialmente es necesario definir términos. La Furtividad es el nombre popular atribuido a las técnicas y tecnologías para control de firma. La furtividad cubre las firmas radar, infrarroja (IR), visual, acústica y electromagnética (EN). Otros términos son RCS, LO y VLO.
RCS es el tamaño aparente al radar ("radar cross-section"). Es medida basada en el área de la esfera que refleja la misma energía. El *RCS depende de la frecuencia, polarización de la antena transmisora y receptora, ángulo de aspecto, forma de la onda, y material, forma y componentes del blanco.
LO (low-observable) es un sistema que usa aplicaciones limitadas en el control de firma, en algunos aspectos y frecuencia. Generalmente usa material absorbente de radar (RAM) y alguna cambios en la forma.
VLO (very low-observable) es un sistema que cubre gran banda frecuencia y aspectos como la F-117, B-2 y F-22. Una plataforma furtiva real es VLO y también tiene baja firma visual, IR y acústica.
La firma radar (RCS) es de más importante pues un radar puede tener alcance de más de 400km. Sensores térmicos y acústicos ha corto alcance y tiene limitaciones. El radar también es la principal amenaza por ser usada para detección, acompañar y disparo de misiles SAM y artillería antiaérea.
El RCS de una aeronave tiene que ser tan grande cuanto medio que opera o ruido de fondo como pájaro, insecto, lluvia y nieve.
El RCS es medido en metros cuadrados (m2) o en decibeles por m2 (dBSM). Para ser furtiva una aeronave tiene que tener RCS de por lo menos 0,5m2. Una aeronave furtiva verdadera (VLO) tiene RCS 0,001m2 o -30 dBSM.
Una aeronave furtiva (VLO) puede ser detectada por radares de alerta anticipado y de adquisición de misiles SAM a partir de 35km, por un gran radar de caza la menos de 20km y cerrado por radar de misil la menos de 5km. Una aeronave menos furtiva (LO) sería detectada respectivamente la menos de 150km, 100km y 15km.
La furtividad del F-22A y F-35 disminuiría la efectividad de los SAM controlado por radar rusos en un 95%. Con tácticas y algunas limitaciones operacionales, pueden actuar en el espacio aéreo enemigo y disparar armas sin ser detectados.
La relación entre RCS de aeronave y el alcance de detección (o espectro de furtividad). Un radar de onda larga de 3-10 cm puede detectar al F-117 a 15 km de distancia lo que da 1 minuto de vuelo a 900 km/h y la 3.500m. La F-117 será detectado en un ángulo de 25 grados de frente y para encima. Una aeronave volando muy bajo puede exponerse por el mismo tiempo dependiendo del terreno. La relación entre el número de disparos de misiles SAM y el RCS tiene el mismo perfil con la aeronave furtiva siendo raramente atacada. Una aeronave que está siempre intentando sobrevivir a los ataques enemigos no consigue ser muy efectiva en el cumplimiento de la misión. Una aeronave convencional que recibe tratamiento furtivo mal consigue llegar en el nivel LO y las ganancias son poco significativas. Va a ser detectada y engachada de cualquiera forma. El F-117A tiene RCS de 0,001m2 o -30 dBSM. El B-2A y F/A22 tiene RCS de cerca de 0,0001m2 o -40 dBSM. Una aeronave furtiva verdadera (VLO) es proyectada desde lo inicio para ser furtiva y es el principal criterio de proyecto. Las instalaciones en los EEUU pueden medir RCS de -70 dB/m{2} o de un grano de polen. Insectos tienen RCS de -30 dBMS a -40 dBMS y pueden ser detectados la 10-20km por radares de vigilancia potentes.
El RCS puede ser medido o calculado para cada razón de aspecto, frecuencia y polarización de interés. Estas medidas producen mucho datos y generalmente se usa una medía de RCS en una banda de frecuencia de un aspecto, generalmente el frontal por ser el más importante. Del lado y por tras la aeronave es más difícil de ser atacada. El RCS puede ser mostrado gráficamente.
La B-17 tenía un RCS frontal de 74m2. Esta variación puede llegar la 15 dB con cambio de aspecto de 1/3 de grado y puede variar hasta 80 dB o un millón de veces. Las hélices también alteraban y modulaban el RCS. La F-15 tiene un RCS frontal de 10m2, pero visto de bajo llega de más de 400 m2 de bajo 10 de lado. De lado mantiene los 10m2.
Para entender el gráfico se debe considerar que un radar está apuntado para la aeronave y giró en torno a la aeronave en el plan horizontal. Los picos son las medidas del radar. Los círculos concentricos son a escala del RCS en dBSM.
RCS frontal de algunas aeronaves (datos de la Internet):
Aeronave RCS (m2)
B-52 99,5
F-14 40-50
A-10 25
F-111 17
Tu-160 15
B-1A 10
F-15 10
Tornado 8
Su-27, MiG-23 6
MiG-21 4
Mirage 2000 3,3
MiG-29 3
F-16/F/A-18 1,2
Typhon, T-38, Mako 1
B-1B 0,75-1,02
F/A-18E, Rafale 0,75
ALCM 0,25
Exocet,Harpoon 0,1
Tomahawk 0,05
SR-71 0,014
Pájaro en vuelo 0,010
F-22A 0,0065
F-35 JSF 0,005
F-117A 0,003
B-2 0,0014
ACM 0,001
¿Cuál es la ventaja de la reducción de la firma a través de una Sección Transversal de Radar (RCS) menor? La furtividad no es sólo para contener el radar y ni para hacer la aeronave invisible. El objetivo es dificultar la capacidad del enemigo de detectar y atacar la plataforma. La aeronave se aproxima sin ser detectada y cuando detectado ya es tarde para reaccionar. Una aeronave furtiva disminuye la probabilidad de interceptación, que limita la probabilidad de enganchar, aumentando la capacidad de supervivencia, y así, la probabilidad de completar la misión.
A pesar de no invisibles, las plataformas furtivas consiguen atrasar la detección el suficiente para entorpecer las defensas enemigas. Esto disminuye la capacidad de un sistema de defensa aérea de infligir pérdidas, aumentando el coste/eficiencia de las aeronaves de ataque. Hace posible obtener sorpresa operacional y táctica. Como sorpresa en todos los puntos no es posible, o garantizado, entonces concentra en puntos estratégicos en el inicio de la campaña.
La furtividad garantiza varias ventaja en relación a las aeronaves convencionales como realizar la misión sin interferencia del enemigo, la misión puede ser realizada con pocos recursos, necesita de poco apoyo externo de escolta de cazas, interferidores y supresión de defensas, el roce no pasa a ser problema, los costes son disminuidos para realizar la misión, el personal se queda más seguro y misiones difíciles pueden ser cumplidas. A pesar de ser más cara es más eficiente en el general. En el lenguaje militar significa gran oportunidad de éxito y gran capacidad y supervivencia. Permite operar libremente en ambiente hostil y ejecutar misiones con éxito sin mucha interferencia del enemigo. El enemigo debe ser concentrar en el esfuerzo de defensa aérea, consumiendo recursos que serían aplicados en la batalla aérea táctica.
Un estudio Northrop del inicio de la década de 90 mostraba la ventaja de la furtividad, armas de precisión y largo alcance de la B-2 en relación a los paquetes típicos en un teatro táctico. Dos B-2 con armas de precisión hacían el trabajo de 75 aeronaves convencionales. Cuatro tripulantes serían puestos en riesgo contra 132 de las aeronaves del paquete convencional. El uso de un paquete con el F-117 ya disminuye de 75 a 10 el número de aeronaves y un 90% el número de tripulaciones en riesgo. Los costes de las plataformas disminuyen en un 74%. El tiempo de iniciar capacidad fue de 2,3 días para el paquete convencional contra 1,2 días del paquete furtivo con F-117. Los F-117 serán sustituidos en el futuro por la F/-22 y F-35C.
La F-22A puede aproximarse la 25-30km de un sistema S-300 ruso sin ser detectado. Este es el alcance máximo de una bomba guiada por GPS tipo JDAM de 1.000 libras (GBU-32). La bomba guiada por GPS tipo JSOW y el futuro misil cruise JASSM tiene alcance suficiente para que sean lanzados la una distancia mayor pero no pueden ser llevados internamente en la F-22A. Si fueran llevadas externamente la F-22A podrá ser detectado la distancias mayores. Disminuyendo la firma de radar de una aeronave permite que las tripulaciones completen más de una misión antes de hacerse vulnerable las armas controladas por radar. Esto suministra a los delanteros la ventaja de evitar la amenaza y minimizar el tiempo en la "zona roja", o zona de compromiso, cuando la detección lleva a un disparo de un misil SAM. Además de eso, la furtividad permite la aeronave atacante llegar cerca de su blanco. Por ejemplo, disminuyendo el sobre del misil SAM lo hará más vulnerable así como el blanco que esta defendiendo.
En resumen, si el enemigo consigue detectar una aeronave furtiva, probablemente no podrá la acompañas. Si conseguir acompañar, tendrá mucha dificultad en enganchar. La tasa de roce es muy menor y necesita de menos aeronaves de apoyo (escolta, jammers, SEAD etc). Una aeronave furtiva gasta menos combustible por volar más alto y conseguirá sorpresa táctica aumentando las oportunidades de éxito. La furtividad es una tecnología muy cara y compleja, pero con ganancias también enormes. Los problemas para las defensas parecen insoportables.
Fuentes
Traducción: Iñaki Etchegaray
Historia
La capacidad de supervivencia de una aeronave puede ser considerada tan importante como su letalidad. Una aeronave que retorna de una misión saldrá a atacar nuevamente. Esto fue observado ya en la Primera Guerra Mundial. En esta época las aeronaves eran frágiles, apenas proyectadas y mantenidas, operaban de pistas sucias y agujereadas y con pilotos apenas entrenados. El resultado era pérdidas altas aún fuera de los combates.
Luego en el inicio de los combates fue quedando claro que los encuentros tenía tres fases subsecuentes: la detección, el encuentro y la probabilidad de destrucción (Probability of Kill - Pk). Estas fases forman la cadena de destrucción (Kill Chain).
En la fase de detección el observador hace la detección cuando la señal del blanco es suficientemente grande para distinguir del ruido de fondo. Para evitar detección no es necesario ser invisible, pero tener firma pequeña para esconder en el ruido de fondo. La historia de la contra-detección aérea inició con las aeronaves escondiéndose en las nubes y con el uso de camuflaje.
La detección en la Primera Guerra era visual. El alcance de detección era de unos 18-27 km a lo sumo. Era posible oír las aeronaves o uno se daba cuenta por los disparos enemigos. No había en esos momentos radios para los pilotos a fin de reportar la presencia enemiga. La sorpresa era el principal factor en el éxito. Quiénes veían primero generalmente ganaban. Las tácticas eran usar las nubes, el sol y aproximarse por atrás y por lo bajo al enemigo. El camuflaje fue usado para esconder en el terreno volando más bajo que la amenaza. La mejor táctica de la época era volar la noche.
El encuentro es la fase de puntería de las armas. El atacante debe detectar, identificar y localizar el blanco. Éste puede ser confundido o distraído con blancos falsos y también por guerra electrónica. Una baja firma disminuye el alcance del ataque exponiendo el enemigo al contra-ataque.
La movilidad y control de firma dificultan la localización. Los datos pueden ser borrosos y que aparezcan intermitentemente. Se debe tener certeza que no es neutro, amigo, blanco falso, aeronave comercial o civil o un blanco sin importancia militar. La identificación puede ser retrasada con una leve modificación de la firma pareciendo ser pequeño o menos amenazador.
Durante el encuentro, cazas como el Spad XIII usaban la velocidad y la maniobrabilidad para sobrevivir y vencer. Los bombarderos como los Gotha y Handley Page tenían perfil de misión diferente para sobrevivir. Usaban metralletas defensivas y blindaje. Volaban en formación para una protección mutua.
El Pk ocurre cuando la aeronave es alcanzada. Si el ataque tuvo éxito, debe tener su resultado limitado con redundancia, distribución de sistemas, selección de materiales y blindaje. El Pk depende de dónde los proyectiles aciertan. La mayor parte de las aeronaves de la época era de lona. Cabos de comando, sistemas hidráulicos, piloto y el motor eran los puntos débiles y recibían blindaje. Las características del proyecto prevalecen en el Pk.
Las prácticas son consecutivas y el defensor debe intentar entorpecer cada uno. Si detectado debe huir, si es interceptado debe maniobrar para entorpecer a punteria y de ser alcanzado debe resistir. La distinción de las fases es artificial y usada más para ilustrar el problema.
En la Primera Guerra Mundial no había defensas organizadas para interceptar las aeronaves enemigas a tiempo. Inmediatamente fueron iniciados estudios para crear mecanismos para oír cazas enemigos. Después de la guerra las inversiones fueron en la mejoría del desempeño de las aeronaves.
En la década de 30 la historia comenzó a cambiar cuando en 1937 científicos británicos inventaron medio para detectar aeronaves la larga distancia. En 1938 la Telefunken mostró el mismo medio de detección electrónico a los alemanes. En 1935 Watt detectó una aeronave la 70km. Comenzaba la historia del radar.
Durante la Segunda Guerra Mundial la superioridad aérea pasó a ser parte de cualquier plan de acciones combinadas.
La defensa de Inglaterra era considerada muy difícil. Los bombarderos tenían la iniciativa y llevaban 20 minutos para alcanzar cualquier blanco después de cruzar canal de la Mancha. Los caza de la época llevaban 10 minutos para subir la altitud necesaria. Para mantener uno patrulla de cazas continua en capas sería necesario una fuerza gigantesca.
La Luftwaffe creía que la RAF dividiría sus defensas en sectores y podría atacar de día en un único sector para saturar la defensa local con una gran formación de bombarderos. La RAF patrullaría todos sectores con suyos cazas divididos y sólo sería eficaz si los alemanes atacaran con fuerzas divididas en un frente amplio.
Sin embargo, los británicos colocaron en acción la red de radares “Chain Home” que detectaba aeronaves a hasta 180km. Los datos eran pasados para centrales de comando que direccionaba fuerzas en cantidad óptima de acuerdo con la amenaza. La RAF sabía el número y dirección del ataque en tiempo útil. La dirección de misión dirigía fuerzas en patrulla o mandaba despegar. En lo inicio de la guerra en 1939 ya había 20 estaciones operando.
La RAF consiguió equiparar fuerzas durante todo el conflicto con el radar compensando la inferioridad numérica total y consiguiendo superioridad local. La invasión alemana de Inglaterra, operación anfíbia Sea Lion, no podría ser realizada sin superiodad aérea y fue cancelada. Los británicos ya tenían superioridad en el mar.
El radar permitió que una fuerza pequeña que pongan bien coordenada, la RAF, enfrentar una fuerza numéricamente superior. Cuando los ataques aéreos enemigos eran detectados los medios apropiados podían ser colocados en el lugar correcto y en la hora correcta. Los pilotos de cazas recibían la designación de blanco después de que levanten vuelo para que no perdieran tiempo y los bombarderos enemigos eran interceptados bien antes de que alcancen el objetivo.
Así, los ataques aéreos alemanes eran detectados rápidamente y los defensores no tenían que depender de la borrosa y lenta vigilancia visual. Los pilotos podían subir rápidamente en los aviones sin correr riesgo de que sean bombardeados, pudiendo atacar el enemigo antes de llegaron al objetivo
La Octava Fuerza Aérea Americana, que actuaba en Europa, tenía como misión atacar la Luftwaffe. Las otras funciones eran secundarías. En 1943 los blancos eran las fabricas de aviones y bases aéreas. Los alemanes también tenían una red de radares como el radar Freya. Los bombarderos aliados eran atacados varías veces en ruta de ingreso y regreso del blanco en vez de sólo sobre el blanco.
El ataque contra fabrica de Me109 en Rogensburg en 17 de agosto de 1943 resultó en ataques continuos por 3 horas contra cazas de 14 bases alemanas. Este tiempo es llamado de tiempo en compromiso. Los cazas sabían todo el tiempo donde estaban las formaciones gracias a los controladores de cazas que recibían datos de la red de radares alemanes. El mismo día la formación que atacaría Schweinfurt se quedó sobre amenaza por 4 horas. En el blanco había artillería antiaérea que usaban radares para determinar la altitud y dirección del blanco. La primera fuerza volvió por el mismo camino con 3 horas más sobre ataques continuos.
El segundo ataque fue para el norte de África para evitar defensas en la vuelta. En el total perdieron un 16% de las aeronaves para las defensas. Esta tasa de pérdidas resultaría en pérdidas del 50% de la fuerza en 5 días de salidas diarias. En dos semanas la fuerza me caería para un 20% del número de aeronaves originales. Con esta tasa de roce la Octava Fuerza Aérea perdería dos fuerzas y media completa de aeronaves por año considerando sustitución.
Las tácticas de formación para autodefensa no eran suficientes. Era necesario escoltas de cazas. Primero fue iniciado el uso de tanques eyectables en las alas en 1944. Adolf Galland dijo que cuando la escolta apareció fue cuando Alemania comenzó a perder la guerra. Es que los alemanes pasaron a contar pérdidas crecientes y el problema principal pasó a ser la pérdida de pilotos entrenados que eran más difíciles de conseguir que las aeronaves.
En mayo de 1940 la RAF inició el bombardeo nocturno de Alemania. Los alemanes podían detectar y acompañar las aeronaves, pero no tenían cómo atacar. Hallar blancos en el suelo también era difícil en la noche para la RAF. Sólo 1 de 5 bombarderos lanzaba sus bombas por lo menos a 8 km del blanco. Los medios de navegación electrónica mejoraron la precisión en 1942 como la aparición del sistema H2S. Los alemanes respondieron con instalación de radar en cazas nocturnos. Tenían alcance de 7km, pero no servían para control de tiro.
Las contramedidas electrónicas (ECM) inmediatamente aparecieron como medida para negar el uso del radar. Esto fue iniciado con la generación de ruido de fondo, jamming (interferencia) y hacer parecer al objeto mayor de lo que es.
Una técnica era el Window (ahora llamado chaff) para confundir. El científico británico R. V. Jones percibió en 1937 que quitas de metal producían un blip en el radar. Dos mil de estas tiras creaban un RCS similar a de un bombardero.
En 1941, un bombardero Wellington con antenas especiales fue atacado sistemáticamente mientras volaba junto de otras aeronaves. Se dedujo que las antenas creaban un eco mayor que atraiga el fuego. En el próximo ataque, este bombardero usó paquetes con barras de aluminio con tamaño de las antenas, pero sin observar cambio.
Un año después notado que paquete con 240 tiras de aluminio producía un blip del tamaño de un bombardero Blenheim. Si lanzado por una milla dificultaba la adquisición del eco por los radares. Los británicos llevaron 18 meses para decidir sobre el uso debido al miedo de los alemanes que también usaran. Fue usado por primera vez en la incursión de 2 de agosto de 1943. Fueron lanzados 2 millones de tiras de 30x1,5cm por 746 bombarderos de la RAF. En el primer ataque perdieron 12 aeronaves contra las esperadas 50 pérdidas. Las defensas se quedaron invidentes según los alemanes. La 8va. Fuerza Aerea Americana inició lo usó en diciembre de 1943.
Los operadores de radar inmediatamente comenzaron a aprender la diferencia de las láminas y de los blancos volando rápido. Los radares comenzaron a usar técnicas para separar blancos moviles de los chaff cayendo lento (proyecto Wurzlaus). Otras técnicas detectaban modulación de las hélices. Los radares de caza pasaron a operar en la banda de 90 MHz que no era afectado por el chaff que era cortado para onda de 50cm.
Los británicos usaban sensores para detectar radares de alerta trasero Monica en los bombarderos que sirvió de fuente de detección y otros cazas alemanes se guiaban por las ondas de los sensores de navegación. La RAF reaccionó con nuevos chaff, ya no usó el Monica y sólo usaba lo H2S se necesario.
Fueron iniciados varios proyectos de contramedidas electrónicas como el carpet, dina, rug y lighthouse. El Carpet era un ECM contra radares. El mandrel estaba contra el radar Freya, el Piperack contra el Lichtenstein, el Perfectos activaba el IFF de los cazas para revelar posición y el Moonshine era para imitar una gran fuerza haciendo la aeronave parecer una gran formación.
El Día D el aliados colocaron 325 mil tropas en pocos días, pero aún era una fuerza muy inferior las tropas de Rommel en la región. Los aliados tenían que usar la superioridad aérea para evitar que se movieran. El objetivo era balancear las fuerza en tierra con superiodad en el aire. Las aeronaves atacaron puentes, carreteras, ferrovias y así los alemanes no podían reforzar sus tropas. Usaban las carreteras la noche y aún así bajo ataque.
La Posguerra
Las investigaciones sobre misiles superficie-aire (SAM) iniciaron con los alemanes aún en la Segunda Guerra. Los EEUU y la URSS siguieron las investigaciones con misiles guiados por IR y radar. El SA-2 ruso (V-75 Dvina) apareció en 1953. El Bomarc americano usaba un radar en tierra y era radio-controlado. Después recibió un radar interno. El radar ahora estaba siendo usado en la fase de intercepción y Pk.
La reacción fue el uso de aeronaves jets cada vez más rápidas, pero que aún eran fáciles de detectar por el radar. El proyecto de caza-parásito para escolta de bombarderos mostró ser inviable. Los bombarderos jets tendrían que atacar la URSS sin escoltas. El tamaño de la B-52 permitiría llevar un grande interferidor. Sólo realizaría una misión con bomba atómica y no operaciones sostenida y por eso no era esperado roces de larga duración. Los misiles balísticos pasaron a ser la respuesta adecuada las defensas aéreas que podrían hacer los bombarderos obsoletos.
La principal de supervivencia técnica en esta época aún era el desempeño, principalmente la velocidad y altitud, como en la Primera Guerra. Los mejores ejemplos era el U-2 de 1955 que volaría por encima del techo operacional de los cazas de la época. En 1960, un U-2 fue derribado por un ataque de 14 misiles SA-2 mientras espiaba sobre la URSS. Inmediatamente apareció el SR-71 que combinaría techo de 27 mil metros con velocidad por encima de Mach 3 para penetración en profundidad. La aeronave también usaba algunos conceptos furtivos. Los SA-2 no maniobraban bien la gran altitud y era muy borrosos. El XB-70 Valkyrie sería equivalente al SR-71 con capacidad de bombardeo pero falló en las pruebas por sólo poder operar muy alto y muy rápido.
Con los radares operando en todas las fases de la intercepción, las ECM se haría aún más importante. Los interferidores de la Segunda Guerra forzaron los cañones 88mm alemanes a usar puntaria visual que era muy borrosa a 8-10 mil metros. Fue estimado que las ECM redujo el roce de los aliados en un 25%.
Cinco años despues de que U-2 fue derribado, un F-4C Phantom II fue derribado en Vietnam del Norte. El problema para los cazas era mucho peor pues eran optimizados para velocidad, alcance y carga de bombas y eran buenos reflectores radar. Los pilotos siempre consideraban que serían detectados a la corta o a la larga. La velocidad, tácticas y manobrabilidad no garantizaban la supervivencia contra misiles volando de más de Mach 2.
Durante las operaciones Rolling Thunder entre 1965-1968, los SAM ofrecieron nuevos desafíos para los cazas. Los SA-2 reaccionaban lento cuando volaban y los pilotos desarrollaron tácticas para maniobrar agresivamente. Los pilotos generalmente apuntaban hacia el misil y hacían maniobra evasivas de alto desempeño que el misil no conseguía anular. Primero tenían que saber que eran atacados y usaban detectores radar (RWR) que indicaban la dirección del ataque. El misil tenía que ser detectado visualmente para que las maniobras funcionen.
Si los pilotos volaran a medía altitud eran atacados por misiles SAM y se volaban bajo para protegerse de los SAM eran atacados por artillería antiaérea. Había 4.400 piezas de artillería antiaérea en la región. Vietnam del Norte tenía la tercera mejor defensa aérea de la época, quedándose atrás de la URSS y EEUU.
Los interferidores de apoyo (Stand-off Jammers - SOJ) conseguían entorpecer la detección por algún tiempo. Los interferidores de autodefensa tenían que cubrir mucha banda y los cazas no tenía potencía suficiente teniendo que volar en formación para funcionar. Inmediatamente apareció los cazas optimizado para supresión de defensas.
Todos los recursos disponibles eran reunidos en un paquete para protección mutua y saturar las defensas. Los paquetes en la Linebaker I consistían de un 20- 40% de atacantes y un 80-60% de escolta como supresión de defensas, MIG-CAP, Escort-CAP, lanzadores de chaff e interferidores SOJ. Eran capas múltiples de defensas contra todas las amenazas.
En la Linebaker II se esperaban pérdidas del 5% debido las defensas de los blancos. Los ataque fueron iniciados con cazas F-111 atacando bajo las bases de misiles SAM y de cazas. Los F-4 lanzaban cortinas de chaff para enmascarar las rutas de los B-52 y los F-105 escoltaban el paquete realizando supresión de defensas. Un total de 67 B-52 atacaron junto con paquetes de 20-61 aeronaves en varías ondas. Doce aeronaves fueron perdidas siendo 9 B-52. Los pasillos chaff dispersaban rápido y pasaron a ser lanzados continuamente. En el final fueron 27 pérdidas en 729 salidas siendo 15 B-52 y todos para los SAM. La tasa de roce de los B-52 fue del 2% que sería difícil de sostener en varios meses. Cerca de 900 SAM fueron disparados y Hanói se quedó sin reposición. Las operaciones Linebaker pasaron a ser el ejemplo de conflicto futuro esperado.
Los interferidores de largo alcance se hicieron importantes y la USAF inmediatamente incorporó el EF-111 para escoltas de sus paquetes. Interfería en los radares en las bandas de VHF hasta J la una distancia de hasta 200km. Cinco EF-111 podrían cubrir una región equivalente al mar Báltico o mar Adriático.
En 1973 Israel perdió 40 aeronaves para misiles SAM y artillería antiaérea guiada por radar en las colinas de Golan en un día. Esta tasa de roce del 10% forzaría parar las operaciones aún sin perder todas las aeronaves. En el total fueron 109 aeronaves pedidas en 18 días. El conflicto mostró la necesidad de deshabilitar las IADS. En 1982, en la batalla del Vale de Bekka en el sur de Líbano, Israel usó aeronaves AWACS, de inteligencia electrónicas, aeronaves no tripuladas, drones despistadores, misiles anti-radar, todos coordinados y con pilotos entrenados para destruir las defensas aéreas en el local.
En marzo de 1986 dos cazas F/A-18 de la US Navy que patrullaban la línea de la muerte en Libia fueron atacados por misiles SA-5. Los misiles erraron. En abril a US Navy contra atacó contra bases terroristas. Los interferidores de largo alcance (SOJ) serían la llave para cegar las defensas aéreas integradas libias que fueron suministrada por los rusos. Los libios usaban defensas aéreas de cobertura densa y redundante con varías frecuencias. El objetivo era dificultar la tarea de jamear y entorpeces los ataques con misiles anti-radar. Las línea de comunicaciones entre los sistemas eran blindadas. Los vietnamitas tenía dificultad de alertar las batirías de misiles SAM, pero la líbia no.
La táctica principal de la operación Eldorado Canyon era un ataque rápido, a la noche y volando bajo. Los radares tendrían menos de 3 minutos para detectar, identificar, localizar y designar armas antes de lo caza volar sobre la web (considerando que no habría cobertura del terreno). El jammer de las aeronaves SOJ (EF-111 y EA-6B) disminuiría el tiempo de compromiso
Las amenazas futuras esperadas son los sistemas rusos S-300 muy sofisticados. Las contramedidas electrónicas pueden no ser eficientes como ocurrió en lo inicio del conflicto de 1973 en Israel. Otro tipo de respuesta pasó a ser necesaria.
La Furtividad entra en Escena
En 1938, Robert Watson-Watt, inventor del radar, anticipó que los bombarderos (y por extensión los cazas) deberían ser proyectados de forma a reducir el eco de radar.
En el fin de la década de 50, material absorbente de radar (RAM) fue incorporado en el proyecto de aeronaves convencionales. Él tenía dos propósitos: reducir el RCS contra amenazas específicas y aislar antenas múltiples pare prevenir comunicación cruzada. El Lockheed U-2 es un ejemplo de aeronave en esta categoría.
En 1960, ya había conocimiento suficiente que formas y componentes influenciaban en el RCS. Ya era hecho concreto que un plan liso en ángulos rectos alcanzada por una onda de radar tenía una señal de radar bien grande, y una cavidad, con localización similar, también tenía un grande retorno. Entonces, la entrada de aire y el exhaustor de una aeronave la jet debía ser los principales contribuyentes para el RCS en la nariz y en la aleta caudal en las direcciones observadas, y a deriva vertical dominaba la firma lateral. Una aeronave podía ser proyectada con forma y materiales apropiados, y la no ser que un proyecto completamente balanceado, siempre habría un componente que dominaba lo retorno en alguna dirección particular. Esta era a era del Lockheed SR-71 Blackbird.
Diez años después, fueron desarrollados métodos numéricos que permitieron proyectar una aeronave con RCS balanceado para disminuir lo retorno de reflectores dominante. Esto llevó al desarrollo del Lockheed F-117A y Northrop B-2
El desarrollo de la furtividad contemporánea se inició en 1975 para contraponer la compleja y sofisticada IADS Soviética. Hasta la década de 70 no fue dada mucha atención para disminuir el RCS o retorno radar. La guerra del Yom Kippur en 1973 y las pérdidas israelíes para la IADS árabe llevó la DARPA a desarrollar el programa Have Blue que resultó en el F-117. La tecnología furtiva puede ser considerada la tecnología más importante después del motor jet para la guerra aérea. Con un RCS 1000 veces menor que una aeronave convencional, la F-117 es capaz de pasar a través por las defensas rusas, haciendo inútiles una inversión de US$100 mil millones en gastos de defensa aérea durante 20 años por parte de los soviéticos.
En los últimos 25 años ha habido mejoras en los métodos analíticos y experimentales, particularmente con respecto a integración de formas y materiales. Al mismo tiempo, la facción anti-furtiva está desarrollando un gran conocimiento de estos requerimiento, forzando la comunidad furtiva en otras mejorías.
Fundamentos de un Proyecto Furtivo
Capacidad de Supervivencia
La capacidad de supervivencia es una gran preocupación de la aviación de combate desde hace mucho tiempo. En la Segunda Guerra Mundial, para realizar sus misiones, los B-17 de la USAF que operaban sobre Alemania fueron equipados con armamento defensivo pesado, blindaje, extintores de incendido en los motores, tanques de combustible auto-sellantes, tripulantes con chalecos antibalas y paracaídas. El peso de las armas defensivas y munición era el doble de la carga de bombas.
En agosto de 1943, la 8va Fuerza Aérea atacó Schweinfurt y Regensburg en Alemania. De los 315 bombarderos que participaron de la misión, 60 fueron perdidos. La 8va Fuerza Aérea perdió 1/3 de sus bombardero en 1943. Esto resultó en cambio de tácticas y en la aparición de la escolta de cazas.
Los B-17 volaban alto para evitar la artillería antiaérea, en formación cerrada para protección mutua y para sobreponer campos de tiro. Las formaciones eran espaciadas para evitar que artillería antiaérea derribara varias aeronaves de un golpe sólo con un único tiro, pero próximos lo suficiente para que se defiendan y evitar que cazas enemigos maniobren fácilmente entre ellos.
También atacaban varios blancos al mismo tiempo con grandes formaciones para saturar las defensas. Los americanos pasaron a volar de día después de lo inicio de operación de escoltas de cazas de largo alcance. La mira Norden necesitaba ver el blanco para que el ataque fuera efectivo. Sin las escoltas las pérdidas llegaban la un 20% de las aeronaves. La RAF volaba la noche sin escolta de caza para disminuir las pérdidas, pero la precisión sólo daba para atacar blancos grandes como ciudades. Con la aparición del radar fue iniciado el uso del chaff, llamado de windows en la época.
Durante los ataques a las refinerías de Ploesti en la Segunda Guerra Mundial fue estimado inicialmente que sería necesario 1.370 salidas para alcanzar 90% acierto. Serían nueve plazas de 120 aeronaves en 4-6 semanas atacando la gran altitud. Se decidió atacar a baja altitud con 178 bombarderos B-24. Del total, 53 fueron derribadas, la mayor parte volvió damnificada y sólo 33 continuaron a volar.
En Vietnam, los F-105 Thunderchief llegaron a tener una tasa de roce de hasta un 15%. Actualmente, una tasa de fricción o roce del 15% esperada para una misión resultaría en el uso de aeronaves furtivas, misiles cruise o aeronaves no tripuladas.
En la Guerra de Vietnam los EEUU usaron las mismas tácticas de la Segunda Guerra Mundial inicialmente. Los cazas-bombarderos y bombarderos volaban alto en formación y tenían cazas F-4 Phantom para defensa contra los Mig de Vietnam del Norte. No había ninguna contramedida. Inmediatamente aparecieron los misiles SAM como principal amenaza. Los EEUU reaccionaron con los sistemas de alerta radar y interferidores electrónicos, más el apoyo de interferencia de apoyo de los EA-6 Prowler.
Otra contribución fueron las aeronaves de supresión de defensas para buscar y destruir las baterías de misiles SAM en tierra. El perfil de misión colocaba las aeronaves arriba y lejos del alcance de los misiles, pero a veces también volaban bajo y dentro del alcance de armas leves y artillería antiaérea. Sólo los sistemas de alerta radar (RWR) disminuyeron la eficiencia de los misiles SAM en un 80%.
Un F-4 alcanzado por un misil SAM consigue volver hacia base a pesar de estar muy dañado.
La experiencia americana en Vietnam e Israelí en 1973 llevó al uso de reducción de firma en la década de 70 con el F-117 Nighthawk. El principal atractivo de las aeronaves furtivas es volar siempre alto. Aeronaves convencionales tiene perfil de vuelo alto-bajo-bajo-alto (Hi-Low-Lwo-Hi). La aeronave despega, sube para altitud de crucero, descienden para baja altitud para evitar detección y maniobran para evitar la artillería antiaérea. El blanco es atacado a baja altitud, con maniobra pop-up para adquisición del blanco. Después de atacar el blanco la aeronave da vuelta para la base, primero a baja altitud y después sube para aumentar el alcance volando en la altitud de crucero. Al bajar la altitud el ambiente se hace más hostil: el arrastre aumenta, el consumo de combustible prácticamente se duplica y las cargas de maniobra son aumentadas para evitar enemigo. Volando siempre alto estos problemas son evitados.
La visión sistemática y cuantitativa de la capacidad de supervivencia tomó importancia en Vietnam después de varías pérdidas. Antes no era considerada muy importante. Era una característica que funcionaba y continuaba a ser usada en nuevos proyectos. El A-10 Thunderbolt II fue la primera aeronave proyectada con requerimientos completos de vulnerabilidad. De 20 aeronaves que retornaron alcanzadas severamente en la Guerra del Golfo de 1991, sólo 1 no pudo volver a volar.
La capacidad de supervivencia de una aeronave de combate es definida como la capacidad de evitar y, como alternativa, soportar un ambiente hostil creado por el enemigo. El evitamiento significa quedarse lejos de los sistemas de armas enemigos. Soportar se refiere la capacidad de continuar a luchar con seguridad después de ser alcanzado.
En el primer caso las características se llaman susceptibilidad, definida como la probabilidad de ser alcanzado por las armas enemigas o evitar el ambiente hostil. Ella depende del teatro de operaciones, defensas, selección de armas, paquete de ataque, armas y tácticas enemigas y el entrenamiento de los operadores. Una aeronave volando bajo y lento es muy susceptible como un helicóptero. Una aeronave volando alto y rápido es poco susceptible.
Modelos matemáticos relaciona estas funciones simulando la secuencia de acontecimientos desde la detección hasta la aeronave ser alcanzada.
La capacidad defensiva sigue el principio de no ser detectado, si detectado no ser enganchado, si es encontrado no ser alcanzado, si alcanzado reducir los daños al mínimo" y puede ser expresa en la ecuación:
Pk = Pd x Pa/d x Ph/a x Pk/h
siendo que
Pk = probabilidad de ser destruido
Pd = probabilidad de detección
Pa/d = probabilidad de adquisición debido a detección
Ph/la = probabilidad de ser alcanzado debido a adquisición
Pk/h = probabilidad de ser destruido después de ser alcanzado
Un Pk del 50% significa una media de efectividad del 80% en cada elemento (80% x 80% x un 80% = un 51%). Si la detección disminuir para 1 en 5 (un 20%) la efectividad de la defensa se cae para un 13%. Reduciendo la detectabilidad para 1 en 25 (un 4%) significa que sólo 1 en 40 aeronaves serán derribadas, sin llevar en cuenta que contramedidas serán usadas para entorpecer el control de tiro. Reducir la detectabilidad es la razón de ser de la furtividad.
La cadena de supervivencia depende de varios factores y características de la aeronave:
- No ser encontrado: alerta radar, alerta láser, tácticas, doctrina, conciencia de la situación, protección de fuerza, entrenamiento y experiencia de la tripulación, mantener distancia de la amenaza, sistema planificación de misión y contra reconocimiento y seguridad;
- No ser visto: control de firma (furtividad), acompañamiento del terreno, doctrina, capacidad de adquisición de blancos, tácticas, entrenamiento y experiencia de la tripulación y volar la noche;
- No ser alcanzado: velocidad, altitud, manobrabilidade y agilidad, tácticas, sistema de alerta, contramedidas electrónicas, chaff y flare, armas y cañones de autodefensa, escolta de cazas, armas anti-radar, armas de largo alcance, vuelo no tripulado y furtividad;
- No ser derribado: blindaje, redundancia, compartimentación, no llevar combustible del lado de las entradas de aire, fluido hidráulico no inflamable, hidráulicos redundantes y separados, estructura reforzada y protección contra explosión y fuego
La capacidad de supervivencia de una aeronave de combate es la capacidad de evitar o resistir a un ambiente hostil y sin perder capacidad de cumplir la misión. Puede ser medida por la probabilidad de una aeronave sobrevivir a un encuentro con este ambiente. Puede ser medido probabilísticamente por "Ps".
La capacidad de supervivencia puede ser reducida por la reducción de la firma, equipamientos de alerta, contramedidas, tácticas, desempeño, definición de la amenaza, volar fuera del sobre de las armas enemigas y destruyendo enemigo preventivamente.
La susceptibilidad es la incapacidad de una aeronave de evitar el ambiente hostil humano (cañones, misiles, ojivas, interceptadores, radares, y todos elementos de una IADS). Cuanto mayor la posibilidad de una misión ser alcanzada por un mecanismo de daño generado por ojiva de una arma, más susceptible es la aeronave. También es el grado donde un medio, equipamiento o sistema de armas está bajo riesgo de ataque debido a una flaqueza inherente. Puede ser medido probabilísticamente por "Ph".
El término susceptibilidad como evento indeseable y vulnerabilidad para consecuencia indeseable no es usado técnicamente. Vulnerabilidad puede estar relacionada con la misión o cuando la aeronave es alcanzada. Es la característica de un sistema que lo hace sufrir degradación resultante de efecto del ambiente hostil enemigo.
La vulnerabilidad es la incapacidad de una aeronave de resistir al ambiente humano. Es medida estadísticamente por "Pk/h".
La vulnerabilidad es reducida con redundancia y separación de componentes críticos, como computadores vuelo, hidráulicos y motores múltiples y espaciados, proyecto de componentes para minimizar daños e instalación de sistemas On-Board Inert Gas Generator Sistem (OBIGGS) en los tanques de combustible y blindaje en los componentes críticos.
La vulnerabilidad depende de la capacidad de soportar efectos de ojivas, penetradores, explosión y fragmentos. Disminuir la vulnerabilidad es asegurar que los componentes críticos continúen a funcionar después de alcanzados.
"Killability" o Pk es la incapacidad de una aeronave evitar y resistir al ambiente humano o la facilidad de la aeronave ser destruida. Es la composición de la estadística de ser alcanzada y vulnerabilidad: "Pk=Ph x Pk/h".
Ps = 1 - (Ph x Pk/h)
La capacidad de supervivencia aumenta si la susceptibilidad y vulnerabilidad fueren reducidas. Cerca de un 30% de las aeronaves americanas alcanzadas en Vietnam del Norte fueron derribadas. La mayor parte de las pérdidas fue debido a la pérdida en la propulsión y sistemas de combustible en las aeronaves. En el Golfo un 41% de las aeronaves de la USAF y US Navy alcanzadas fueron derribadas. Las aeronaves de apoyo aéreo aproximado tuvieron mayor proporción de pérdidas relativas por que sean las más expuestas y las de prohibición la mayor pérdida absoluta por que realicen la mayor parte de las misiones.
La capacidad de supervivencia está relacionada con la duración de la misión. Incursiones están sujetas la grandes pérdidas y son aceptables se la misión fuere crítica. Conflictos cortos prevé la gerencia de pérdidas hasta la llegada de refuerzos. Los conflictos largos dependen de la capacidad de la economía nacional y antojo de luchar.
El modelo "fly-out-model" muestra la medida de susceptibilidad de la aeronave. Puede se expresa en la forma de "miss distance", distancia mínima entre aeronave y el misil/proyectil en determinadas condiciones. Cuanto menor el parámetro, mayor la probabilidad de ser alcanzada. Está relacionada con la superficie mostrada para enemigo, radar o arma. El modelo "end game model" estudia la fase final del combate.
El término "soportar el ambiente hostil" es la capacidad de continuar actuando sin comprometer seguridad del vuelo o misión, incluyendo después de sufrir daños. Si expresa en la vulnerabilidad de la aeronave, o la capacidad de ser alcanzada y no ser destruida. La cuantificación depende de la susceptibilidad, características de proyecto, instalación de sistemas. Simulaciones llevan a niveles de daños llamados de "attrition kill" y "mission kill". En el primer caso el avión es perdido, y en el segundo no se pierde pero no puede cumplir la misión.
Otra forma de "atrition kill" es el tiempo entre la verificación de los daños y la pérdida de la plataforma. Puede ir de fracción de segundo en el caso de ser alcanzado por un misil, hasta daños en el aterrizaje debido a averías de sistemas como tren de aterrizaje o pérdida del piloto. Puede alcanzar estructura, combustible, controles de vuelo (más frecuente en la transmisión). Esto resulta en la redundancia, localización adecuada, protección, control de averías e incendios. Resulta en peso y costes adicionales en el proyecto y operación.
El Roce
Las caras armas de precisión no tiene mucha utilidad se lo caza que a transporta no consigue sobrevivir las defensas enemigas y es derribado antes de atacar. Un alto nivel de roce puede afectar seriamente el resultado de campaña aérea. La capacidad de supervivencia es un factor importante en el resultado del conflicto. El objetivo de cualquier sistema de armas es sobrevivir a las condiciones de la guerra.
La tasa de pérdida determina cuantas aeronaves o tripulantes estarán disponibles para una campaña aérea prolongada.
La tabla abajo ilustra las posibles razones de pérdidas de aeronaves para las defensas aéreas y sus consecuencias para el atacante. La tabla no considera sustituciones.
Una razón de roce del 1% significa que más del 60% de las aeronaves sobrevivirán después de 50 salidas y un 90% hubiera sobrevivido las 10 primeras salidas. Aumentando la tasa de roce a un 5%, las aeronaves que sobrevivirán las 10 primeras salidas serán un 60% de la fuerza inicial. Una tasa de roce alta de cerca de un 20% significa que un 90% de la fuerza será derribada antes de completar 10 salidas. La experiencia americana en Vietnam y la Israelí en 1973 llevaron al uso de la reducción de firma en la década de 70 con F-117 Nighthawk como forma de contraponer la amenaza del radar y disminuir la tasa de roce.
Estas razones de roce indican la duración en potencia de una campaña aérea sin sustitución de las aeronaves derribadas por otras nuevas. Tasas por encima de un 10% son consideradas inaceptables actualmente.
Una aeronave de la *USAF no despega si la misión tuviera una probabilidad de pérdida mayor que un 2%. Si la posibilidad sea mayor que un 75% son usados misiles *cruise. La F-117 sufrió una pérdida en cerca de 2.500 misiones con una tasa de pérdida del 0,04% contra defensas pesadas.
El control de firma permite que los cazas obtengan alta razón de cambio (enemigos muertos/amigos muertos) y mejora la capacidad de supervivencia, permitiendo destruir blancos prioritarios sin pérdidas inaceptables.
La capacidad de permanecer en el territorio enemigo sin ser detectado sirve para ganar tiempo para planear y ejecutar un ataque óptimo. Después del enganche será difícil mantenerse sin ser detectado. El armamento lanzado, la no ser que sea furtivo, será detectado por el blanco. La plataforma lanzadora, maniobrando para otro ataque o para escapar de contra ataque, será menos furtiva. El elemento sorpresa estará perdido.
Conceptos
Inicialmente es necesario definir términos. La Furtividad es el nombre popular atribuido a las técnicas y tecnologías para control de firma. La furtividad cubre las firmas radar, infrarroja (IR), visual, acústica y electromagnética (EN). Otros términos son RCS, LO y VLO.
RCS es el tamaño aparente al radar ("radar cross-section"). Es medida basada en el área de la esfera que refleja la misma energía. El *RCS depende de la frecuencia, polarización de la antena transmisora y receptora, ángulo de aspecto, forma de la onda, y material, forma y componentes del blanco.
LO (low-observable) es un sistema que usa aplicaciones limitadas en el control de firma, en algunos aspectos y frecuencia. Generalmente usa material absorbente de radar (RAM) y alguna cambios en la forma.
VLO (very low-observable) es un sistema que cubre gran banda frecuencia y aspectos como la F-117, B-2 y F-22. Una plataforma furtiva real es VLO y también tiene baja firma visual, IR y acústica.
La firma radar (RCS) es de más importante pues un radar puede tener alcance de más de 400km. Sensores térmicos y acústicos ha corto alcance y tiene limitaciones. El radar también es la principal amenaza por ser usada para detección, acompañar y disparo de misiles SAM y artillería antiaérea.
El RCS de una aeronave tiene que ser tan grande cuanto medio que opera o ruido de fondo como pájaro, insecto, lluvia y nieve.
El RCS es medido en metros cuadrados (m2) o en decibeles por m2 (dBSM). Para ser furtiva una aeronave tiene que tener RCS de por lo menos 0,5m2. Una aeronave furtiva verdadera (VLO) tiene RCS 0,001m2 o -30 dBSM.
Una aeronave furtiva (VLO) puede ser detectada por radares de alerta anticipado y de adquisición de misiles SAM a partir de 35km, por un gran radar de caza la menos de 20km y cerrado por radar de misil la menos de 5km. Una aeronave menos furtiva (LO) sería detectada respectivamente la menos de 150km, 100km y 15km.
La furtividad del F-22A y F-35 disminuiría la efectividad de los SAM controlado por radar rusos en un 95%. Con tácticas y algunas limitaciones operacionales, pueden actuar en el espacio aéreo enemigo y disparar armas sin ser detectados.
La relación entre RCS de aeronave y el alcance de detección (o espectro de furtividad). Un radar de onda larga de 3-10 cm puede detectar al F-117 a 15 km de distancia lo que da 1 minuto de vuelo a 900 km/h y la 3.500m. La F-117 será detectado en un ángulo de 25 grados de frente y para encima. Una aeronave volando muy bajo puede exponerse por el mismo tiempo dependiendo del terreno. La relación entre el número de disparos de misiles SAM y el RCS tiene el mismo perfil con la aeronave furtiva siendo raramente atacada. Una aeronave que está siempre intentando sobrevivir a los ataques enemigos no consigue ser muy efectiva en el cumplimiento de la misión. Una aeronave convencional que recibe tratamiento furtivo mal consigue llegar en el nivel LO y las ganancias son poco significativas. Va a ser detectada y engachada de cualquiera forma. El F-117A tiene RCS de 0,001m2 o -30 dBSM. El B-2A y F/A22 tiene RCS de cerca de 0,0001m2 o -40 dBSM. Una aeronave furtiva verdadera (VLO) es proyectada desde lo inicio para ser furtiva y es el principal criterio de proyecto. Las instalaciones en los EEUU pueden medir RCS de -70 dB/m{2} o de un grano de polen. Insectos tienen RCS de -30 dBMS a -40 dBMS y pueden ser detectados la 10-20km por radares de vigilancia potentes.
El RCS puede ser medido o calculado para cada razón de aspecto, frecuencia y polarización de interés. Estas medidas producen mucho datos y generalmente se usa una medía de RCS en una banda de frecuencia de un aspecto, generalmente el frontal por ser el más importante. Del lado y por tras la aeronave es más difícil de ser atacada. El RCS puede ser mostrado gráficamente.
La B-17 tenía un RCS frontal de 74m2. Esta variación puede llegar la 15 dB con cambio de aspecto de 1/3 de grado y puede variar hasta 80 dB o un millón de veces. Las hélices también alteraban y modulaban el RCS. La F-15 tiene un RCS frontal de 10m2, pero visto de bajo llega de más de 400 m2 de bajo 10 de lado. De lado mantiene los 10m2.
Para entender el gráfico se debe considerar que un radar está apuntado para la aeronave y giró en torno a la aeronave en el plan horizontal. Los picos son las medidas del radar. Los círculos concentricos son a escala del RCS en dBSM.
RCS frontal de algunas aeronaves (datos de la Internet):
Aeronave RCS (m2)
B-52 99,5
F-14 40-50
A-10 25
F-111 17
Tu-160 15
B-1A 10
F-15 10
Tornado 8
Su-27, MiG-23 6
MiG-21 4
Mirage 2000 3,3
MiG-29 3
F-16/F/A-18 1,2
Typhon, T-38, Mako 1
B-1B 0,75-1,02
F/A-18E, Rafale 0,75
ALCM 0,25
Exocet,Harpoon 0,1
Tomahawk 0,05
SR-71 0,014
Pájaro en vuelo 0,010
F-22A 0,0065
F-35 JSF 0,005
F-117A 0,003
B-2 0,0014
ACM 0,001
¿Cuál es la ventaja de la reducción de la firma a través de una Sección Transversal de Radar (RCS) menor? La furtividad no es sólo para contener el radar y ni para hacer la aeronave invisible. El objetivo es dificultar la capacidad del enemigo de detectar y atacar la plataforma. La aeronave se aproxima sin ser detectada y cuando detectado ya es tarde para reaccionar. Una aeronave furtiva disminuye la probabilidad de interceptación, que limita la probabilidad de enganchar, aumentando la capacidad de supervivencia, y así, la probabilidad de completar la misión.
A pesar de no invisibles, las plataformas furtivas consiguen atrasar la detección el suficiente para entorpecer las defensas enemigas. Esto disminuye la capacidad de un sistema de defensa aérea de infligir pérdidas, aumentando el coste/eficiencia de las aeronaves de ataque. Hace posible obtener sorpresa operacional y táctica. Como sorpresa en todos los puntos no es posible, o garantizado, entonces concentra en puntos estratégicos en el inicio de la campaña.
La furtividad garantiza varias ventaja en relación a las aeronaves convencionales como realizar la misión sin interferencia del enemigo, la misión puede ser realizada con pocos recursos, necesita de poco apoyo externo de escolta de cazas, interferidores y supresión de defensas, el roce no pasa a ser problema, los costes son disminuidos para realizar la misión, el personal se queda más seguro y misiones difíciles pueden ser cumplidas. A pesar de ser más cara es más eficiente en el general. En el lenguaje militar significa gran oportunidad de éxito y gran capacidad y supervivencia. Permite operar libremente en ambiente hostil y ejecutar misiones con éxito sin mucha interferencia del enemigo. El enemigo debe ser concentrar en el esfuerzo de defensa aérea, consumiendo recursos que serían aplicados en la batalla aérea táctica.
Un estudio Northrop del inicio de la década de 90 mostraba la ventaja de la furtividad, armas de precisión y largo alcance de la B-2 en relación a los paquetes típicos en un teatro táctico. Dos B-2 con armas de precisión hacían el trabajo de 75 aeronaves convencionales. Cuatro tripulantes serían puestos en riesgo contra 132 de las aeronaves del paquete convencional. El uso de un paquete con el F-117 ya disminuye de 75 a 10 el número de aeronaves y un 90% el número de tripulaciones en riesgo. Los costes de las plataformas disminuyen en un 74%. El tiempo de iniciar capacidad fue de 2,3 días para el paquete convencional contra 1,2 días del paquete furtivo con F-117. Los F-117 serán sustituidos en el futuro por la F/-22 y F-35C.
La F-22A puede aproximarse la 25-30km de un sistema S-300 ruso sin ser detectado. Este es el alcance máximo de una bomba guiada por GPS tipo JDAM de 1.000 libras (GBU-32). La bomba guiada por GPS tipo JSOW y el futuro misil cruise JASSM tiene alcance suficiente para que sean lanzados la una distancia mayor pero no pueden ser llevados internamente en la F-22A. Si fueran llevadas externamente la F-22A podrá ser detectado la distancias mayores. Disminuyendo la firma de radar de una aeronave permite que las tripulaciones completen más de una misión antes de hacerse vulnerable las armas controladas por radar. Esto suministra a los delanteros la ventaja de evitar la amenaza y minimizar el tiempo en la "zona roja", o zona de compromiso, cuando la detección lleva a un disparo de un misil SAM. Además de eso, la furtividad permite la aeronave atacante llegar cerca de su blanco. Por ejemplo, disminuyendo el sobre del misil SAM lo hará más vulnerable así como el blanco que esta defendiendo.
En resumen, si el enemigo consigue detectar una aeronave furtiva, probablemente no podrá la acompañas. Si conseguir acompañar, tendrá mucha dificultad en enganchar. La tasa de roce es muy menor y necesita de menos aeronaves de apoyo (escolta, jammers, SEAD etc). Una aeronave furtiva gasta menos combustible por volar más alto y conseguirá sorpresa táctica aumentando las oportunidades de éxito. La furtividad es una tecnología muy cara y compleja, pero con ganancias también enormes. Los problemas para las defensas parecen insoportables.
Fuentes
martes, 19 de febrero de 2013
Furtividad: Introducción al funcionamiento del radar
Volviendo a leer...
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
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.
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