Radares antistealth

1. RADARES ANTI-STEALTH
Por JC65/Octubre 2014
Nebo-M. Wikimedia commons.
Antecedentes
Desde la invención del radar, este ha sido el medio por excelencia para
detectar aviones en vuelo, y por supuesto un avión atacante no desea ser
descubierto, así que se han desarrollado técnicas para hacer a estos, lo menos
visibles a dichos radares. Naciendo el término VLO o very low observable
aplicado a aeronaves, y también barcos, que usan esta tecnología, mas
popularizada como STEALTH o invisible, término por demás incorrecto, pero
más impactante en los noticieros.
Pero, como logran reducir drásticamente su visibilidad ante el radar?
En la práctica usan 3 técnicas, esencialmente:
1.- Evitar que las ondas electromagnéticas (OEM) del radar en cuestión
alcancen al avión, esto se logra volando muy bajo, de manera de quedar fuera
del alcance visual de dicho radar, y/o con una planificación de misión muy
cuidadosa que evite pasar por las zonas de cobertura de dichos radares. Esta
es una forma obvia, y que no se tratará en este breve artículo.
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2. 2.- Haciendo que las OEM que lleguen al avión sean absorbidas por este, para
esto se utilizan materiales RAM o Radar absorbent materials.
3.- Darle formas geométricas convenientes al avión, de forma que las OEM
reboten en cualquier dirección que no sea de donde provienen, es decir el
radar emisor de estas.
Estas técnicas, aunque suenan sencillas, son difíciles de implementar debido a
la naturaleza de dichas OEM, y para entenderlo debemos conocer algunos
detalles de estas.
Las ondas electromagnéticas emitidas por un radar, conocidas también como
Hertzianas o microondas cumplen con muchas leyes que las califican como
cuasi-ópticas, es decir con propiedades que nos son mas familiares en la luz,
esto es se propagan radialmente y en línea recta, se reflejan, refractan,
polarizan, atenúan, etc., cosa que no es de extrañar por su naturaleza
ondulatoria.
Para su estudio, podemos identificar su amplitud, es decir la fuerza, potencia
y/o energía asociada a ella, la cresta y valles que determinan dicha amplitud,
la longitud de onda ( λ ), y una dirección de propagación, lo que nos lleva a
pensar que si se propaga, su efecto se desplazará una distancia en un tiempo
determinado, por lo cual la longitud de onda corresponderá a un período T de
tiempo y existirá una velocidad V de dicho desplazamiento. (OJO lo que se
desplaza es su efecto, no las partículas del medio en que se produce)
Para ponerlo en un contexto que todos hayamos experimentado, digamos que
tenemos un gran estanque de agua, en cual podemos producir olas (ondas),
lanzando una piedra en el centro del mismo, las ondas presentarán todas las
características descritas, una altura o amplitud, una distancia entre cresta y
cresta y una velocidad de avance desde el centro hasta la orillas.
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3. En el estanque la velocidad de desplazamiento será relativamente baja, para
las ondas emitidas por el radar la velocidad de desplazamiento será constante
y corresponde a la velocidad de la luz (c) cerca de 300.000 Km/s.
Si lo anterior lo combinamos con que V=D/T y el período T es el inverso de la
frecuencia(F) o cantidad de veces por segundo en que se repite el ciclo de la
onda obtenemos que para cualquier longitud de onda ( λ ) corresponderá una
frecuencia dada por λ=c/F
Como vemos, existen unas características de longitud asociadas a la
frecuencia de las ondas del radar, así una frecuencia de 300 MHz estará
asociada a una longitud de onda λ de 100 cm, una de 3 GHz una de 10 cms ,
una de 30 GHz de un cm, y así sucesivamente.
Si está un poco enredada la explicación, volvamos al ejemplo del estanque,
para explicar otro fenómeno necesario para conocer el funcionamiento anti-stealth:
La Resonancia.
La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo es sometido
a vibraciones (ondas) de una frecuencia muy cercana a las naturales de dicho
cuerpo, y recuerde que cuando hablamos de frecuencias, implícitamente
estamos hablando de longitudes de ondas.
Imaginemos en nuestro estanque olas con λ =1 mm, y un barquito de 1000 mm
( 1 mt) de longitud, el efecto de estas ondas será previsible, pues su longitud es
mucho menor que la del barco, la primera llegará, y antes de afectar en algo
llegará una segunda anulando el efecto de la primera y así sucesivamente, el
barco permanecerá razonablemente horizontal. Si por el contrario las ondas
tienen λ =100 mts, el efecto también será previsible, y el barco se elevará y
descenderá con cada ola manteniéndose razonablemente horizontal, pues las
ondas son mucho más largas que el barco.
Pero que sucede si las ondas tienen λ aproximado a 1 mt? Pues el efecto será
imprevisible pues estamos en una frecuencia muy próxima a la natural de
resonancia del barquito, la cual está determinada por su longitud, el mismo
subirá su proa al momento de descender la popa, o viceversa, en general
estará inestable. Este fenómeno se dará en menor medidada para 2λ, 4λ, 8λ,
etc., es decir las longitudes de onda múltiplos de de la mitad de la longitud del
barquito.
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4. Hasta aquí la teoría necesaria para entender los radares anti-VLO
Características y Funcionamiento.
Los radares Anti-stealth se caracterizan por trabajar en frecuencias
relativamente bajas, y se dice relativas en comparación a otros radares, los
más comunes, que trabajan en bandas K (más de 12 GHz), X (8 a 12 GHz), C
(4 a 8GHz), S (2 a 4 GHz) e incluso L (1 a 2 GHz), . Esto es trabajan en
frecuencias VHF y UHF, entre los 140 MHz y los 900 Mhz.
Y lo hacen en esas frecuencias para así burlar las medidas stealth adoptadas
por los aviones así denominados, las cuales han sido diseñadas para las
frecuencias de los radares más comunes (arriba mencionadas)
Así por ejemplo se usan materiales RAM en forma de pinturas que tienen
componentes metálicos, que al entrar en resonancia con las ondas emitidas por
un radar en banda X (λ =3 cm) vibran y convierten esa energía
electromagnética en calor, en vez de reflejarla, por lo cual efectivamente la
absorben. Dichos materiales deben estar espaciados en profundidad a 1.5 o
0.75 o 0.375 cm para poder cumplir con la condición de resonancia, y lo harán
solo para esa frecuencia específica. Difícilmente se puede construir materiales
RAM para recubrir un avión que tengan la capacidad de resonar a frecuencias
con λ = 2 mts como es el caso de un radar trabajando a 150 MHz (banda
VHF), pues su grosor debería ser de al menos 25 cms, extremadamente
grueso y pesado para el recubrimiento de un medio aéreo.
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5. Similar razonamiento se puede usar para otros materiales RAM basados en
otras estrategias.
La otra técnica Stealth, es el reflejar la señal en cualquier dirección diferente a
la del radar emisor, y esto se logra con formas rectas, pero alejadas de la
perpendicular de la señal del radar, para ello se debe controlar con precisión
ese reflejo, y aquí nuevamente la resonancia entre en juego a favor de los
radares VHF y UHF, pues las dimensiones de las piezas importantes de un
avión, cuerpo, alas, planos de cola, etc.; si se corresponden con aquellas que
pueden resonar a esas frecuencias, produciéndose el efecto del “barquito”, en
cual era impredecible la respuesta o , en este caso, el reflejo de la señal, así
con una pequeña variación en la frecuencia se puede aumentar o disminuir
significativamente el RCS (radar cross-section) efectivo del avión.
Esto último fue estudiado por un físico de apellido Rayleigh, eso si, para ondas
en un sentido amplio de la palabra, no para radares pues no existían en su
época, explicando fenómenos como el color azul del cielo.
Aquí un gráfico extraído de un artículo del Dr Carlos Kopp al respecto:
El cual muestra el efecto explicado, cuando la relación entre las dimensiones
de la longitud de onda λ y el tamaño de cualquier parte importante del avión
son de entre 1:1 a 1:10 se entra en una zona de resonancia, en la cual el RCS
puede aumentar o disminuir sin que se tenga un control real del mismo, con lo
cual el avión pasará de poco observable a muy observable, con pequeñas
fluctuaciones en la frecuencia del radar VHF o UHF.
Si la frecuencia baja más el efecto se perderá, y si es muy alta habrá un RCS
nominal y controlado por la geometría de las formas del avión. Como se ve,
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6. En esa zona de reflexión en resonancia el avión perderá la confiabilidad en su
“manto de invisibilidad”, por lo que el diseñador del radar buscará hacerlo
trabajar en esas frecuencias, que precisamente resultan ser las mencionadas
VHF y UHF.
Ahora, cual es el inconveniente de usar radares, VHF y UHF, pues que la
misma naturaleza ondulatoria obliga que a esas frecuencias sus antenas deban
tener tamaños enormes, con el consiguiente problema de su transporte,
despliegue y repliegue, que las hace muy vulnerables a posibles ataques
aéreos.
Por otro lado la electrónica involucrada en su construcción es de relativo bajo
coste, por lo que son factibles de fabricar en base a componentes de uso
comercial, con las ventajas que ello trae. Esto, aunado a las evidentes
propiedades anti-VLO, ha provocado un resurgimiento de radares en estas
frecuencias, no solo en Rusia como se suele pensar, si no en China, USA,
Ucrania, Lituania y Bielorusia.
Por ejemplo tenemos el Bieloruso Vostok E (VHF) que ofrece
despliegue/repliegue en tan solo 6 minutos, y del cual el fabricante KB Radar
ofrece una versión 3D:
VostoK E / E3D. KB Radar
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7. En la misma onda de despliegue rápido (7.5 minutos) el Amber 1800 Lituano-
Ucraniano:
Amber 1800. Litak-tak
Ya más pesado, pero con capacidad 3D, el MR-1 Ucraniano, también VHF (2
mts):
MR-1. Iskra
Similar en prestaciones al ruso Nebo SUV en su versión original y al JY-27
Chino, con más de 400 Km de alcance.
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8. Todo ellos, como es posible observar, tienen antenas enormes, pero que desde
el punto de vista radioeléctrico son consideradas pequeñas, con la consiguiente
falta de resolución y la generación de lóbulos secundarios no deseados que los
hacen fáciles de ubicar e interferir. Parte de estos problemas pueden ser
resueltos con técnicas STAP o de procesamiento adaptativo de espacio-tiempo,
y usando frecuencias algo menos radicales, como la UHF, en particular de 400
a 450 MHz ( unos 70 cms de λ ) como lo hace el APY-9 del E-3D Hawkeye
Norteamericano:
APY-9. Flight International
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9. O el UHF Survillance Radar del MEADS
UHF SR. MEADS Consortium
Otros radares mencionados como anti-stealth, trabajan en banda L (30 cm) la
cual no están efectiva en dicha función, y otros en VHF y UHF que no son
diseños expresamente creados con este fin, si no adaptaciones de radares
antiguos como el P-14, P-18 y P-19 de la Unión Soviética, pero que de cierta
manera cumplen con esta tarea a precios muy asequibles, lo que ha provocado
que se mantengan en uso mediante modernizaciones, que los ponen a nivel
de radares mucho más modernos y costosos.
Para finalizar, es importante resaltar, que si bien estos radares pueden detectar
aviones VLO, sus características de poca resolución imposibilitan el
direccionamiento de misiles para derribarlos, función reservada a radares con
mucha mejor resolución, generalmente en bandas C,X y K. Por lo que no son la
solución final al problema planteado por los aviones VLO.
Fuentes:
- Ausairpower .net APA-TR-2007-0901
- KB Radar.
- Litak-tak.
- Iskra SE
- Wikipedia
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10. Por: JC65 para