Comprendiendo los Radares Anti Stealth

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Autor: Ingeniero Julio C Guaido. Versión 2014-Actualizado 2019

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 de la linea visual directa 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.

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, 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 ciertas características: 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.

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, 8λetc., es decir las longitudes de onda múltiplos de de la mitad de la longitud del barquito.

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.

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  λy 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 (y viceversa), 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, 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:

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-27A Chino, con más de 400 Km de alcance.

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 deλ ) como lo hace el APY-9 del E-3D Hawkeye Norteamericano:

APY-9. Flight InternationalO 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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