Furtividad en Bajas Frecuencias (VHF)

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 Frecuencia de bandas altas, medias y bajas y su longitud de onda

Se tiende a pensar que los radares de baja frecuencia pueden detectar fácilmente a modernos aviones furtivos a distancias más que adecuadas para poder actuar contra ellos con seguridad, y esta es una idea no del todo correcta. Sí es cierto, que estos radares amplían la detección de los radares de control de disparo basados en bandas de alta frecuencia como son la X o la Ku. Sin embargo técnicas actuales de reducción del RCS ayudan a reducir las distancias de esas detecciones por radares de baja frecuencia a dígitos mucho más bajos que los que se producían con la 1º generación de aviones furtivos tal como el F-117. Así que aunque la detección se producirá antes que con radares en banda de control de disparo, no es tan exagerado como se tiende a pensar. Sobre todo cuando hablamos de radares móviles que pretenden sobrevivir las primeras 24 horas de un conflicto.

En primer lugar vamos a describir los principales tipos de retornos que se producen sobre las superficies de un objeto, luego comentaremos sobre las 3 regiones físicas en las que se producen estos fenómenos que dependen de la relación con la amplitud de onda y la longitud del objeto, para posteriormente centrarnos más en la región dónde más típicamente  los radares de baja frecuencia actúan y algunas de las técnicas que aplican los aviones modernos furtivos para la reducción de su retorno contra esos radares que trabajan en bandas de frecuencia bajas.

 

Tipos de retornos Vía Airborne Stealth in a Nutshell, Part I, Dimitris V Dranidis





Mayores y menores contribuidores al RCS de un avión tipo Vía Airborne Stealth in a Nutshell, Part I, Dimitris V Dranidis







Ejemplo de los distintos tipos de retornos que se producen en un F-16






Según el modo de interacción de la onda con el objeto, podremos tener:

Retorno especular: esta es la forma más significativa de reflexión en la región óptica (cuando el tamaño de la estructura u objeto es un mínimo de 10 veces mayor el tamaño de la longitud de onda, la superficie actúa como un espejo para el pulso de radar incidente. La mayor parte de la energía incidente del radar se refleja de acuerdo con la ley de reflexión especular (el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia). Este tipo de reflexión se puede reducir significativamente mediante la forma del avión.
Retorno de onda viajera / de superficie: un impacto de onda de radar incidente en el cuerpo de la aeronave puede generar una corriente viajera en la superficie que se propaga a lo largo del camino hacia los límites de la superficie, como el borde de ataque, una zona discontinua... etc. o hacer que la onda se esparza en muchas direcciones. Este tipo de reflexión puede reducirse mediante material absorbente de radar RAM, estructura absorbente de radar RAS, reducir el espacio entre la superficie o la alineación de los bordes (de modo que sus lóbulos se dirijan a ángulos de baja prioridad)
Difracción: las ondas que golpean una superficie o borde muy afilado se dispersan en lugar de seguir la ley de reflexión especular.
Retorno de onda progresiva: esta es una forma de onda viajera que no se enfrenta a una superficie discontinua y no se refleja en un obstáculo cuando viaja a lo largo de la superficie del objeto, por lo que puede viajar alrededor del objeto y regresar al radar. A diferencia de la onda viajera normal, la onda progresiva viaja a lo largo de la superficie sombreada por la onda de incidencia (porque tiene que rodear el objeto). Como resultado, la amplitud de la onda progresiva se reducirá cuanto más lejos tenga que viajar porque no puede alimentar la energía de la onda incidente en la región de sombra. La onda progresiva viajaba principalmente alrededor de un objeto circular o curvo. Por lo tanto, los cazas furtivos y los misiles de crucero furtivos no utilizan fuselaje en forma de tubo. Sin embargo, el retorno de la onda progresiva es mucho más débil que el retorno especular.


El RCS es la suma neta de los distintos tipos de retornos producidos en un determinado objeto en un determinado ángulo. Por lo general, el RCS de referencia es el frontal, porque es el ángulo más crítico para un avión que se enfrenta a un radar. Tanto el lateral como la zona posterior son de menor relevancia.

Zonas críticas o de importancia para el RCS de un avión Via "Fundamentals of Stealth with Counter Stealth Radar Fundamentals: Applied to Radar. Laser, Infrared. Visible, Ultraviolet. & Acoustics,"



En el siguiente gráfico vemos los 3 tipos de regiones en los que se producen algunos de los tipos de retornos nombrados anteriormente. Con respecto a los radares de baja frecuencia, éstos se producen mayormente en la zona conocida como de Resonancia o Región Mie. Hay que destacar que lo normal es que en un avión convivan ambos tipos de regiones a la vez, por lo que la reducción de su RCS ha de tratarse de diferente manera según la región sobre la que el avión o una parte de este se encuentre el cual como hemos comentado depende de la longitud de onda que esté incidiendo.

 

Fig1, RCS de una esfera, vistas las 3 regiones 


La región Óptica es la región dónde los retornos especulares son los más importantes, y aunque existen retornos de ondas de superficie estos son mucho más modestos.

Los retornos especulares son los producidos por la reflexión de la onda sobre las superficies del avión, cuando longitudes de onda son menores a 1/10 de la longitud de la superficie incidida. La forma de reducir estos retornos es principalmente mediante el reflejo de esas ondas hacia ángulos alejados del radar emisor. Se emplea pues principalmente la forma de las superficies del avión. El F117 era el más claro ejemplo del empleo de facetas o planos que desviaban los retornos de las ondas incidentes hacia otros ángulos distintos del radar emisor.

La región conocida como Mie o zona de resonancia es la que la longitud de la onda incidente está comprendida entre 1/1 y 1/10 la longitud del objeto. Así por ejemplo un radar VHF que tenga una longitud de onda de unos 3 metros, las zonas del avión que entraran en resonancia son aquellas que están comprendidas entre 3 metros y 30 centímetros. Menos de 30 cms significa que entraremos en la región óptica y más de 3 metros en la región de raleigh.

Zonas como derivas verticales, armamento externo de un caza tipo, entrarían dentro de la zona conocida como resonancia bajo esta frecuencia VHF. Estas zonas puede producir resonancia en toda dirección con una intensidad de retorno hasta 4 veces superior a lo que lo haría de otro modo. Pero cualquier otro objeto menor a 1/10 la longitud de onda, no producirá efecto alguno en ondas de baja frecuencia, por ejemplo tubos pitot, remaches, etcétera, el RCS alcanzaría su máximo pico cuando la longitud de la superficie fuese similar a la longitud de la onda que incide sobre ella.


Longitud de onda interactuando con la deriva vertical, en este caso el retorno sería máximo

Bajo esta región además se producen una serie de fenómenos como ondas progresivas que giran alrededor de la parte trasera de una estructura, son una forma particular de las ondas de superficie pero que se dan en este tipo de región.


Retorno de onda progresiva

En esta región siguen existiendo los reflejos especulares característicos de la región óptica (bandas de frecuencias más altas L, X,.. ) pero dichos reflejos aunque son más tenues disponen de un ancho de dispersión mucho más grande, por lo que es difícil orientar el reflejo a solo ángulos que nos interesan.

Vemos en la siguiente imagen la diferencia de dispersión entre el reflejo especular de una onda de baja frecuencia, de media y alta frecuencia. La dispersión al ser más ancha tendrá más posibilidades de ser detectada por otros radares conforme se aleja del avión el retorno, de ahí que los reflejos especulares de ondas de baja frecuencia sean más difíciles de controlar que con ondas de alta o media frecuencia cuyo ángulo de dispersión es mucho más cerrado y por lo tanto controlable a las direcciones que interesan.

 

Reflexiones especulares sobre una superficie atendiendo a la frecuencia de la onda incidente, via Aviation Week




Los reflejos especulares de superficies planas disminuyen con el cuadrado de la longitud de la onda pero se ensanchan proporcionalmente; a 1/10 de la longitud de la superficie (acercándose a la región de resonancia) es alrededor de 6 grados de ancho. Es decir, menos intensidad del retorno de los reflejos especulares en la zona de resonancia que en la óptica pero a cambio de mayor dispersión de ese retorno en un ángulo más abierto.

Sin embargo a frecuencias más bajas, el efecto de la onda de superficie y la difracción es mayor. Para superficies planas, y al contrario que los reflejos especulares, las ondas de superficie crecen con el cuadrado de la longitud de onda y el pico de ángulo de retro-dispersión en el momento de la difracción aumenta con la raíz cuadrada de la longitud de onda, a 1/10 de la longitud de la superficie, es más de 15 grados, mayor que los 6 grados de los reflejos especulares.

Es decir, en la región de Mie o de resonancia, las reflexiones producidas por ondas de superficie son más peligrosas o producen un incremento del RCS mayor que las reflexiones especulares típicas de la región óptica.

A medida que aumenta la potencia de la onda superficial, también aumenta la potencia del retorno de la onda progresiva. Las difracciones en los extremos de los planos y las ondas de borde de los planos facetados vistos en diagonal también crecen con el cuadrado de la longitud de onda. El resultado final es que el valor neto del RCS de los aviones furtivos a menudo aumenta en la región de Mie o de resonancia. El RCS máximo a menudo se alcanza cuando la longitud de onda alcanza la longitud de la estructura contra la que interactúa.


Finalmente, la región de Rayleigh se aplica cuando la longitud del objeto es más pequeña que la longitud de onda del radar. Un error común es pensar que cuanto menor sea la frecuencia de funcionamiento del radar (longitud de onda más larga), mejor funcionará contra los aviones furtivos. Sin embargo, eso no es del todo correcto. Es importante recordar que el RCS de los aviones no necesariamente crece proporcionalmente con el aumento de frecuencia. Una vez que la longitud de onda del radar supera la longitud del objetivo, los detalles de la geometría del objetivo dejan de ser importantes y solo su forma general afecta a la reflexión. La onda de radar es más larga que la estructura y empuja la corriente de un lado a otro a medida que el campo se alterna, lo que hace que actúe como un dipolo y emita ondas electromagnéticas en casi todas las direcciones. Este fenómeno se conoce como dispersión de Rayleigh. En este punto, el RCS para aviones disminuirá con la cuarta potencia de la longitud de onda y puede volverse exponencialmente más pequeño a medida que se reduce la frecuencia.

Un ejemplo es el RCS de un Su-27 dónde a extremadamente bajas frecuencias el RCS al contrario de ser grande es todo lo contrario, muy reducido. Se observa como a 30 Mhz su RCS es de aproximadamente  +22db pero según se baja paulatinamente a 1-2 Mhz tiene registros de -30 o -35 db. Por lo tanto, dos aviones con geometrías y medidas muy diferentes no tienen porque ofrecer guarismos similares ante un mismo tipo de radar.

 

RCS Su-27 dependiendo de la frecuencia

Otro ejemplo, en el siguiente gráfico, vemos el RCS de distintos tipos de pájaros en las bandas altas, medias y bajas, y vemos como en la banda baja UHF su RCS es el menor de todos y no el mayor, la longitud de onda en relación al objeto sobre el que incide importa y mucho. Asi que cuidado con creer que cuanto más baja es una frecuencia mejor para detectar algo con mayor antelación, porque no es del todo correcto.


RCS de pájaros, Via Fundamental Principles of Radar, Habibur Rahman


Resumiendo y a modo de ejemplo, para que quede mucho más claro, supongamos un radar terrestre que transmite en una banda de frecuencia S, nos encontraremos con por ejemplo una longitud de onda de 1 metro dependiendo de la frecuencia exacta que esté transmitiendo, por lo tanto:

  1. si el objeto sobre el que incide la onda tiene una longitud <1 metro, estaremos dentro de la región Rayleigh
  2. si el objeto sobre el que incide la onda tiene una longitud de  entre 1 metro y 10 metros, estaremos dentro de la región Mie o de resonancia
  3. si el objeto sobre el que incide la onda tiene una longitud >10 metros, estaremos dentro de la región Óptica.
Cuando hablamos de radares de cazas que transmiten en banda X, aproximadamente unos 3 centímetros de longitud de onda, la mayor parte de las partes de un caza que son incididas trabajarán en la región Óptica pues suelen ser mayor de 30 centímetros.


Si alguien ha logrado llegar hasta aquí sin dormirse formularé la siguiente cuestión. ¿Tiene importancia el tratamiento de los remaches en un avión furtivo?

Yo diría que depende. Depende de cual es la longitud de onda. Si se usa un radar de alerta temprana o de exploración, la longitud de onda de la frecuencia usada será lo suficiente grande y el remache lo suficiente pequeño como para situarnos en la región de Rayleigh y no producir retorno alguno aunque el remache no esté tratado.
Sin embargo, si el radar trabaja por ejemplo en banda X, y el remache es de unos 3 cms, eso implicaría que la longitud de onda de la banda X, sería similar a la longitud del remache, con lo que el remache estaría en la región Mie y entraría en resonancia creando retornos. Así que lo mejor es siempre tratar los remaches y/o adaptarlos de tal manera que si se produce resonancia, tengan una longitud que en ningún caso sea similar a la longitud de onda porque en este caso el retorno sería máximo (Punto A Fig 1), aproximadamente 4 veces el retorno que se produciría en la región óptica, en este ejemplo nuestros remaches deberíamos hacerlos mucho menores a 3 cms para no hacerlos coincidir con la longitud de onda a la frecuencia que suele trabajar un radar en banda X. Lo ideal es diseñarlos para que su longitud sea aproximadamente la mitad de la longitud de onda (Punto B Fig1), pues es ahí dónde el retorno en caso de producirse sería mínimo, unas 0,26 veces el retorno producido en la región óptica. En este caso, los remaches deberían ser de aproximadamente 1,5 cms de longitud.

The radar cross-section equation breaks down primarily due to creeping waves in the area where 2πr. The largest positive perturbation of the radar cross-section (punto A Fig1) would be 4 times higher than the radar cross-section computed using the optical region formula. Just slightly a minimum occurs (Punto B Fig1) and the actual radar cross-section would be 0.26 times the value calculated by using the optical region formula. This area is known as the Mie or resonance region.

Otra solución sería la que se puede ver en paneles que suelen ser accesibles a diario por cuestión de mantenimiento, operación, y que no se puede estar tratando los remaches cada vez que se abren y cierran a diario o cada poco tiempo, porque el mantenimiento sería antieconómico, en este caso el propio panel hace de barrera ante las ondas de superficie, limitando a tan solo unos pocos ángulos el retorno de la onda. Todo el avión tiene sus vértices alineados a unos pocos ángulos que se conoce como alineamiento de plataforma, se trata de que los retornos que sean impracticables de eliminar se dirijan solo a un número pequeño de ángulos. 


Panel de acceso F-35


Alineamiento de la plataforma a unos pocos ángulos



(Algunas) TÉCNICAS DE REDUCCIÓN DEL RCS EN BAJAS FRECUENCIAS (VHF)

Para empezar, el efecto negativo de la onda viajera y la difracción se puede reducir: alineando las discontinuidades para dirigir las ondas viajeras hacia ángulos de retorno especular inevitable, como el borde de ataque del ala, limitando así su impacto en otros ángulos.

Los típicos bordes en diente de sierra se utilizan en lugares donde hay discontinuidad, como la puerta del compartimento de armas, para que la onda viajera regrese reflejada hacia un ángulo menos importante. Esos ángulos son los mismos que los usados para el borde del ala. Al final se alinean los bordes de las superficies a unos pocos ángulos.

 

F-22 Bahía interna de armas abierta, las compuertas que se abren constantemente se diseñan en diente de sierra
 
Otro método común para reducir el efecto de las ondas superficiales es diseñar las facetas de la estructura del avión con esquinas no perpendiculares para que los radares las vean a lo largo de sus diagonales, en ángulos bajos y frente a los ángulos más pequeños de las facetas, limitando el área de emisión de las ondas de borde. La difracción de ondas superficiales también se puede reducir mezclando facetas. El primer avión furtivo, el F-117, fue diseñado con un programa informático que solo podía predecir los reflejos de superficies planas, lo que requería una forma completamente facetada (formada por múltiples planos geométricos), pero todos los aviones furtivos posteriores como B-2, F-35, F-22, X-47 usan facetas combinadas. Las formas compuestas por facetas combinadas no solo son más aerodinámicas, sino que también permiten que las corrientes transiten suavemente en sus bordes, lo que reduce la dispersión de ondas superficiales. Por lo tanto, los cuerpos combinados tienen el potencial de un RCS más bajo que las estructuras completamente facetadas, especialmente en el régimen de baja frecuencia. Y combinar las curvas alrededor de una aeronave de una manera matemática precisa puede reducir el RCS alrededor del plano de azimut en un orden de magnitud. La penalización suele ser un ligero ensanchamiento del retorno especular en las curvas, pero en direcciones en las que es menos probable que estén posicionados los radares de amenaza. Este fue uno de los grandes descubrimientos de la segunda generación de tecnología furtiva, lo que parecen formas redondas suavizadas en verdad son millones de facetas si las mirásemos a través de un microscopio, cuyas formas y ángulos están calculados para precisamente evitar el fenómeno de difracción cuando existen cambios de planos bruscos.

Cuando no es posible por cuestión de diseño reducir todos los filos de los planos por medio millones de facetas que desde lejos se asemejan a superficies curvadas como por ejemplo en las alas, derivas verticales-horizontales, canards, etcétera.. entonces para evitar la difracción del extremo anterior y posterior se recurre a la siguiente solución.

 

Tratamiento Furtivo de bordes, Aviation Week


El filo del plano se enmascara para reducir el efecto de la difracción del borde logrando de este modo una superficie electromagnética suave, esto se hace utilizando material ligero como un panel de fibra de vidrio relleno de carbono en una concentración que aumenta desde la punta del filo hasta la base. 

Alternativamente, se puede pegar o pintar una hoja resistiva en el borde para lograr el mismo resultado. Además, el borde se puede fabricar con un absorbente de volumen para mejorar el resultado. Al igual que en el ejemplo anterior, la resistividad de la hoja se reducirá desde el máximo en la punta delantera del borde hasta casi cero en la parte trasera. La resistividad de la hoja se puede aumentar agregando agujeros y reducir agregando partículas de metal en ella. 

Esto permite que la corriente superficial transite lentamente en lugar de abruptamente, así como que sea absorbida y, por lo tanto, reduzca la difracción del borde y la onda superficial.

Por otro lado, el retorno de la onda progresiva se reducirá mediante el tratamiento del borde de salida, a menudo se aplica una tira delgada de alta resistencia en el borde de salida para absorber la energía de la onda de superficie.

La cinta resistiva debe tener un ancho de al menos la mitad de la longitud de onda de la frecuencia más baja de interés para que sea efectiva, por lo que es plausible estimar la frecuencia más baja donde el tratamiento de borde puede seguir siendo efectivo. Por ejemplo: el tratamiento con cinta resistiva del borde de entrada al propulsor del F-35 tiene un ancho entre 22-25,4 cm, lo que indicaría que la frecuencia más baja donde el tratamiento aún puede ser efectivo es de alrededor de 0,5-0,7 GHz (500-700 Mhz), lo que entraría en un rango de frecuencias correspondiente a la banda VHF.


Tratamiento de bordes, fuente: https://basicsaboutaerodynamicsandavionics.wordpress.com/2016/03/04/stealth-techniques-and-benefits/

Otro ejemplo de este tipo de soluciones que se puede observar perfectamente es tanto en el F-22,



Como en el J-20,




Para solucionar el problema de las ondas progresivas de superficie que afectan a zonas como el radomo del avión, lo que se hace es prescindir de radomos tubulares, y esto se evita creando un radomo con aspecto de rombo, en el que se marca claramente varios filos, los cuales evitan que la onda progresiva gire 180º y vuelva en dirección al radar emisor. Al llegar a uno de estos filos la onda se difracta en múltiples direcciones mucho más tenue y en sentido contrario al radar emisor.


Radomo F-35 con vista de filo, via https://www.f-16.net/forum/viewtopic.php?f=60&t=58469



Filos que podemos observar tanto en el F-22, como en el J-20 o en cualquiera de los diseños furtivos que están en estudio.

Por último, comentar que los últimos avances en tecnología RAM hace que dicha solución de reducción a base de tratamientos de superficie que absorben parte de la energía incidente, abarque una cada vez mayor número de bandas sin limitarse solo a las bandas X o Ku propias de radares de tiro.

De este modo sabemos por declaraciones oficiales y una patente presentada que la RAM que lleva en este caso el F-35 abarca un gran número de frecuencias al disminuir su reflexión en frecuencias que van desde los 100 Mhz hasta los 60 Ghz con gran eficacia en particular desde la banda L a la K. La patente no cuantifica el grado de absorción, pero dice que las superficies serían “casi como un agujero negro a lo ancho de varias bandas de radar ", este nuevo descubrimiento es conocido como CNT y la RAM va curada a la piel del avión, lo que además la hace mucho más duradera y difícil de deteriorar en comparación a otros tipos de RAM más antiguas como la del F-22, lo que redunda en un menor gasto en mantenimiento.

Hay una regla bastante aceptada por la cual en torno al 70% de la reducción es mediante la forma y el 30% restante mediante el empleo de RAM. Con el empleo de RAM se puede mejorar bastante el RCS de un avión, pero no servirá para enmascara los errores en la fase de diseño conceptual de la plataforma. Esta es una de las razones por la que aviones de 4º solo pueden mejorar limitadamente su RCS empleando RAM en algunas zonas, pero no pueden de repente con una simple modernización convertirse en un avión furtivo, para ello se necesitaría un nuevo diseño  que tenga en cuenta desde el inicio reglas básicas del diseño furtivo en el tratamiento de reflexiones especulares y de resonancia.

Bombarderos como el B2 o próximamente el B-21, debido al diseño en forma de ala volante, evitan la mayor parte de estas superficies en torno a los 2-3 metros que anteriormente hemos hablado como puedan ser derivas verticales, planos canards etcétera y que pueden entrar en resonancia, son diseños que conceptualmente evitan en su mayor parte la región de resonancia o Mie, y necesitan preocuparse más de la región óptica y la de Rayleigh. En este caso es mejor recurrir a radares de muy baja frecuencia HF o incluso más allá. Suelen ser las frecuencias usadas en los radares Over The Horizon, cuyos pros y contras ya se ha hablado en otro artículo.



Via https://www.radartutorial.eu


Referencias: