Um F-4 atingido por um míssil SAM consegue voltar para base apesar de estar muito danificado.
Fundamentos do Projeto Furtivo
Capacidade
de Sobrevivência
A capacidade de
sobrevivência é uma grande
preocupação
da aviação de combate há muito tempo. Na Segunda
Guerra
Mundial, para realizar suas missões, os B-17 da USAF que
operavam
sobre a Alemanha foram equipados com armamento defensivo pesado,
blindagem,
extintores de incêndio nos motores, tanques de combustível
auto-selantes,
tripulantes com coletes balísticos e pára-quedas. O
peso
das armas defensivas e da munição era o dobro da carga de
bombas.
Em agosto de 1943, 8a Força Aérea atacou Schweinfurt e
Regensburg
na Alemanha. Dos 315 bombardeiros que participaram da missão, 60
foram
perdidos. A 8a Força Aérea perdeu 1/3 dos seus
bombardeiro
em 1943. Isto resultou em mudança nas táticas e a introdução de escolta de
caças.
Os B-17 voavam alto para evitar a artilharia antiaérea, em
formação
cerrada para proteção mútua contra caças e para sobrepor campos
de
tiro. As formações eram espaçados para evitar que
artilharia
antiaérea derrubasse várias aeronaves de uma vez
só
com um único tiro, mas próximos o suficiente para se
defenderem
e evitar que caças inimigos manobrassem facilmente entre eles.
Também atacavam vários alvos ao mesmo tempo com grandes
formações
para saturar as defesas. Os americanos passaram a voar de dia
após
o inicio de operação de escoltas de caças de longo
alcance.
A mira Norden precisava de visão direta com o alvo para que o ataque fosse efetivo. Sem
as
escoltas as perdas chegavam a 20% das aeronaves. A RAF voava a noite
sem
escolta de caça para diminuir as perdas, mas a precisão
só
dava para atacar alvos grandes como cidades. Com o aparecimento do
radar
foi iniciado o uso do chaff, chamado de windows na época.
Durante os ataques as refinarias de Ploesti na Segunda Guerra Mundial
foi
estimado inicialmente que seria necessário 1.370 saídas
para
atingir 90% de acerto. Seriam nove vagas de 120 aeronaves em 4-6 semanas
atacando
a grande altitude. Foi decidido atacar a baixa altitude com 178
bombardeiros
B-24. Do total, 53 foram derrubadas, a maior parte voltou danificada e
só
33 continuaram a voar.
No Vietnã, os F-105 Thunderchief chegaram a ter uma taxa de
atrito
de até 15%. Atualmente, uma taxa de atrito de 15% esperada para
uma
missão resultaria no uso de aeronaves furtivas, mísseis
de cruzeiro
ou aeronaves não tripuladas.
Na Guerra do Vietnã, os EUA usaram as mesmas táticas da
Segunda
Guerra Mundial inicialmente. Os caças-bombardeiros e
bombardeiros
voavam alto em formação e tinham caças F-4 Phantom
para
defesa contra os MiGs do Vietnã do Norte. Não havia
nenhuma
contramedida eletrônica no inicio do conflito. Logo apareceram os mísseis SAM como
a principal
ameaça.
Os EUA reagiram com os sistemas de alerta radar e interferidores
eletrônicos,
mais o apoio de interferência de apoio dos EA-6 Prowler.
Outra
contribuição
foram as aeronaves de supressão de defesas para procurar e
destruir
as baterias de mísseis SAM em terra. O perfil de missão
colocava
as aeronaves acima e longe do alcance dos mísseis, mas as vezes
também
voavam baixo e dentro do alcance de armas leves e artilharia
antiaérea.
Apenas com o uso de sistemas de alerta radar (RWR) foi possível diminuir a
eficiência
dos mísseis SAM em 80%.
Os caças F-4 Phantom II foram projetados para decolar do
convés
de porta-aviões para interceptar bombardeiros. Pouca atenção foi dada para
evitar
danos ao ser atingido por canhões e mísseis de
caças
inimigos. Os estudos das perdas de caças F-4 no Vietnã
mostrou
que a principal causa era perda ou explosão do
combustível
e perda dos controles de vôo. A aeronaves foram modernizadas com novos
componentes
para diminuir dos danos como supressão de incêndio,
tanques auto-vedantes, estabilizador que tranca se perder o controle e blindagem
nos
sistemas hidráulicos. Apenas a separação dos
atuadores
dos airelons salvou 24 aeronaves que seriam perdidas se os atuadores ficassem
próximos
como o original.
Um F-4 atingido por
um míssil SAM consegue voltar para base apesar de estar muito
danificado.
A experiência americana no Vietnã e Israelense em 1973 levou ao uso de redução de assinatura na década de 1970 com F-117 Nighthawk. O principal atrativo das aeronaves furtivas é poder voar sempre alto. Aeronaves convencionais tem perfil de vôo alto-baixo-baixo-alto (Hi-Low-Lwo-Hi). A aeronave decola, sobe para altitude de cruzeiro, descem para baixa altitude para evitar detecção e monobram para evitar a artilharia antiaérea. O alvo é atacado a baixa altitude, com manobra pop-up para a aquisição do alvo. Depois de atacar o alvo a aeronave volta para base, primeiro a baixa altitude e depois sobe para aumentar o alcance voando na altitude de cruzeiro. Ao baixar a altitude o ambiente se torna mais hostil: o arrasto aumenta, o consumo de combustível praticamente dobra e as cargas de manobra são aumentadas para evitar o inimigo. Voando sempre alto estes problemas são evitados.
A
visão
sistêmica e quantitativa da capacidade de sobrevivência
tomou
importância no Vietnã após várias perdas. Antes
não era considerada muito
importante. Os projetos novos consideravam as características que funcionavam e continuavam a
ser usadas em
novos projetos. O A-10 Thunderbolt II foi a primeira aeronave projetada
com
requerimentos completos de vulnerabilidade. De 20 aeronaves que
retornaram
atingidas severamente na Guerra do Golfo de 1991, apenas uma não
pode voltar a
voar.
A capacidade de sobrevivência de uma aeronave de combate é
definida como a
capacidade de evitar e, como alternativa, suportar um ambiente hostil
criado
pelo inimigo. Evitamento significa ficar longe dos sistemas de armas
inimigos.
Suportar refere-se a capacidade de continuar a lutar com
segurança após ser
atingido.
No primeiro caso, as características se chamam suscetibilidade,
definida como a
probabilidade de ser atingido pelas armas inimigas ou evitar o ambiente
hostil.
Ela depende do teatro de operações, defesas,
seleção de armas, pacote de
ataque, armas e táticas inimigas e o treinamento dos operadores.
Uma aeronave
voando baixo e lento é muito susceptível como ocorre com os
helicópteros. Uma aeronave
voando alto e rápido é pouco susceptível.
Modelos matemáticos relaciona estas funções
simulando a seqüência de
acontecimentos desde a detecção até a aeronave ser
alcançada.
A capacidade defensiva segue o princípio de "não ser
detectado, se
detectado não ser engajado, se engajado não ser atingido,
se atingido reduzir
os danos ao mínimo" e pode ser expressa na equação:
Pk = Pd x Pa/d x Ph/a x Pk/h
Sendo que
Pk =
probabilidade
de ser destruído
Pd = probabilidade de detecção
Pa/d = probabilidade de aquisição devido a
detecção
Ph/a = probabilidade de ser atingido devido a aquisição
Pk/h = probabilidade de ser destruído depois de ser atingido
Um Pk de 50% significa uma
média de
efetividade
de 80% em cada elemento (80% x 80% x 80% = 51%). Se a
detecção
diminuir para 1 em 5 (20%) a efetividade da defesa cai para 13%.
Reduzindo
a detectabilidade para 1 em 25 (4%) significa que apenas 1 em 40
aeronaves
serão derrubadas, sem levar em conta que contramedidas
serão
usadas para atrapalhar o controle de tiro. Reduzir a detectabilidade
é
a razão de ser da furtividade.
A cadeia de sobrevivência
depende de vários fatores e
características da
aeronave:
- Não ser encontrado: alerta
radar, alerta laser,
táticas, doutrina,
consciência da situação, proteção de
força, treino e experiência da tripulação,
manter distância da ameaça, sistema planejamento de
missão e contra
reconhecimento e segurança;
- Não ser visto: controle de
assinatura (furtividade),
acompanhamento do
terreno, doutrina, capacidade de aquisição de alvos,
táticas, treinamento e
experiência da tripulação e voar a noite;
- Não ser atingido:
velocidade, altitude, manobrabilidade e
agilidade, táticas,
sistema de alerta, contramedidas eletrônicas, chaff e flare,
armas e canhões de
autodefesa, escolta de caças, armas anti-radar, armas de longo
alcance, vôo não
tripulado e furtividade;
- Não ser derrubado:
blindagem, redundância,
compartimentação, não levar
combustível do lado das entradas de ar, fluido hidráulico
não inflamável,
hidráulicos redundantes e separados, estrutura reforçada
e proteção contra
explosão e fogo.
A capacidade de sobrevivência
de uma aeronave de combate é
a capacidade de
evitar ou resistir a um ambiente hostil e sem perder capacidade de
cumprir a
missão. Pode ser medida pela probabilidade de uma aeronave
sobreviver a um
encontro com este ambiente. Pode ser medido probabilisticamente por
"Ps".
A capacidade de sobrevivência
pode ser reduzida pela
redução da assinatura,
equipamentos de alerta, contramedidas, táticas, desempenho,
definição da
ameaça, voar fora do envelope das armas inimigas e destruindo
inimigo
preventivamente.
Susceptibilidade é a
incapacidade de uma aeronave de evitar o
ambiente hostil
humano (canhões, mísseis, ogivas, interceptadores,
radares, e todos elementos
de uma IADS). Quanto maior a possibilidade de uma missão ser
atingida por um
mecanismo de dano gerado pela cabeça de guerra de uma arma, mais susceptível
é a aeronave.
Também é o grau onde um meio, equipamento ou sistema de
armas está sob risco de
ataque devido a uma fraqueza inerente. Pode ser medido
probabilisticamente por
"Ph".
O termo susceptibilidade como evento
indesejável e
vulnerabilidade para
conseqüência indesejável não é usado
tecnicamente. Vulnerabilidade pode estar
relacionada com a missão ou quando a aeronave é atingida.
É a característica de
um sistema que o faz sofrer degradação resultante de
efeito do ambiente hostil
inimigo.
Vulnerabilidade é a
incapacidade de uma aeronave de resistir ao
ambiente
humano. É medida estatisticamente por "Pk/h".
A vulnerabilidade é reduzida
com redundância e
separação de componentes
críticos, como computadores vôo, hidráulicos e
motores múltiplos e espaçados,
projeto de componentes para minimizar danos e instalação
de sistemas On-Board
Inert Gas Generator Sistem (OBIGGS) nos tanques de combustível e
blindagem nos
componentes críticos.
A vulnerabilidade depende da
capacidade de suportar efeitos de ogivas,
penetradores, explosão e fragmentos. Diminuir a vulnerabilidade
é assegurar que
os componentes críticos continuem a funcionar após
atingidos.
"Killability" ou Pk é a
incapacidade de uma aeronave evitar e
resistir ao ambiente humano ou a facilidade da aeronave ser
destruída. É a
composição da estatística de ser atingida e
vulnerabilidade: "Pk=Ph x
Pk/h".
Ps = 1 - (Ph x Pk/h)
A
capacidade de
sobrevivência aumenta se a susceptibilidade e vulnerabilidade
forem reduzidas.
Cerca de 30% das aeronaves americanas atingidas no Vietnã do
Norte foram
derrubadas. A maior parte das perdas foi devido à perda na
propulsão e sistemas
de combustível nas aeronaves. No Golfo, 41% das aeronaves da USAF
e US Navy
atingidas foram derrubadas. As aeronaves de apoio aéreo
aproximado tiveram
maior proporção de perdas relativas por serem as mais
expostas e as de
interdição a maior perda absoluta por realizarem a maior
parte das missões.
A capacidade de sobrevivência está relacionada com a
duração da missão.
Incursões estão sujeitas a grandes perdas e são
aceitáveis se a missão for
crítica. Conflitos curtos prevê o gerenciamento de perdas
até a chegada de
reforços. Os conflitos longos dependem da capacidade da economia
nacional e
desejo de lutar.
O modelo "fly-out-model" mostra a medida de susceptibilidade da
aeronave. Pode se expressa na forma de "miss distance", distância
mínima entre aeronave e o míssil/projétil em
determinadas condições. Quanto
menor o parâmetro, maior a probabilidade de ser atingida.
Está
relacionada com a superfície mostrada para inimigo, radar ou
arma. O modelo
"end game model" estuda a fase final do engajamento.
O termo "suportar o ambiente hostil" é a capacidade de continuar
atuando sem comprometer segurança do vôo ou missão,
incluindo depois de sofrer
danos. Se expressa na vulnerabilidade da aeronave, ou a capacidade de
ser
atingida e não ser destruída. A
quantificação depende da susceptibilidade,
características de projeto, e instalação de
sistemas. Simulações levam a níveis
de danos chamados de "attrition kill" e "mission kill". No
primeiro caso o avião é perdido, e no segundo
não se perde, mas não pode
cumprir a missão.
Outra forma de "atrition kill" é o tempo entre a
verificação dos
danos e a perda da plataforma. Pode ir de frações de
segundos no caso de ser
atingido por um míssil, até danos no pouso devido a
avarias de sistemas como
trem de pouso ou perda do piloto. Pode atingir a estrutura,
combustível,
e controles de vôo (mais freqüente na transmissão).
Isto resulta na redundância,
localização adequada, proteção, controle de
avarias e incêndios. Resulta em
peso e custos adicionais no projeto e operação.
A vulnerabilidade em tempo de paz também deve proteger contra
colisão contra
pássaros, relâmpagos, fios de alta tensão, FOD e
acidentes em treinamento. As
medidas para melhorar a vulnerabilidade aumentam o peso mas aumenta a
vida útil
e dá maior resistência em pouso forçados, impacto
de pássaros e FOD.
Outro aspecto é a capacidade de ser reparada. Se uma aeronave
danificada não
for reparada rapidamente, não volta a batalha e não pode
contribuir para vencer
a guerra. Pode ser considerada destruída. Características
de projeto que
permite rápido reparo é um contribuinte indireto da
capacidade de sobrevivência.
Atrito
As sofisticadas armas de precisão não tem muita utilidade se o
caça que a transporta
não conseguir sobreviver as defesas inimigas e é derrubado
antes de atacar. Um
alto nível de atrito pode afetar seriamente o resultado de
campanha aérea. A
capacidade de sobrevivência é um fator importante no
resultado do conflito. O objetivo
de qualquer sistema de armas é sobreviver às
condições da guerra.
A taxa de atrito determina quantas
aeronaves ou tripulantes
estarão disponíveis
para uma campanha aérea prolongada.
A tabela abaixo ilustra as possíveis razões de perdas
de aeronaves para
as defesas aéreas e suas conseqüências para o
atacante. A tabela não considera substituições.
Uma razão de atrito de 1% significa que mais de 60% das
aeronaves sobreviverão
após 50 saídas e 90% sobrevivera as 10 primeiras
saídas. Aumentando a taxa de
atrito para 5%, as aeronaves que sobreviverão as 10 primeiras
saídas serão 60%
da força inicial. Uma taxa de atrito alta de cerca de 20%
significa que 90% da
força será derrubada antes de completar 10 saídas.
A
experiência
americana no Vietnã e a Israelense em 1973 levaram ao uso da
redução de
assinatura na década de 1970 com F-117 Nighthawk como forma de
contrapor a ameaça
do radar e diminuir a taxa de atrito.
Estas
razões de
atrito indicam a duração em potencial de uma campanha
aérea sem substituição
das aeronaves derrubadas por outras novas. Taxas acima de 10%
são consideradas
inaceitáveis atualmente.
Uma
aeronave da
USAF não decola se a missão tiver uma probabilidade de
perda maior que 2%. Caso
a possibilidade seja maior que 75% são usados mísseis
cruise. O F-117 sofreu
uma perda em cerca de 2.500 missões com uma taxa de perda de
0,04% contra
defesas pesadas.
O
controle de
assinatura permite que os caças obtenham alta razão de
troca (inimigos
mortos/amigos mortos) e melhora a capacidade de sobrevivência,
permitindo
destruir alvos prioritários sem perdas inaceitáveis.
Conceitos
Inicialmente é necessário definir termos.
Furtividade é o nome popular
atribuído às técnicas e tecnologias para controle
de assinatura. A furtividade
cobre as assinaturas radar, infravermelha (IR), visual, acústica
e
eletromagnética (EM). Outros termos são RCS, LO e VLO.
RCS é o tamanho aparente ao radar ("radar
cross-section"). É
medida baseada na área da esfera que reflete a mesma energia. O
RCS depende da
freqüência, polarização da antena transmissora
e receptora, ângulo de aspecto,
forma da onda, e material, forma e componentes do alvo.
LO (low-observable) é um sistema que usa
aplicações limitadas no
controle de assinatura, em alguns aspectos e freqüência.
Geralmente usa
material absorvente de radar (RAM) e alguma mudanças na forma.
VLO (very low-observable) é um sistema que cobre grande
banda freqüência e
aspectos como o F-117, B-2 e F-22. Uma plataforma furtiva real
é VLO e também
tem baixa assinatura visual, IR e acústica.
A assinatura radar (RCS) é
a mais importante
pois um radar pode ter alcance de mais de 400km. Sensores
térmicos e acústicos
tem curto alcance e tem limitações. O radar também
é a principal ameaça por ser
usada para detecção, acompanhar e disparo de
mísseis SAM e artilharia
antiaérea.
O RCS de uma aeronave tem que ser tão grande quanto meio
que opera
ou ruído de fundo como pássaro, inseto, chuva e neve.
O RCS é medido em metros quadrados (m2) ou em decibel
por m2 (dBSM).
Para ser furtiva uma aeronave tem que ter RCS de pelo menos 0,5m2. Uma
aeronave
furtiva verdadeira (VLO) tem RCS 0,001m2 ou -30dBSM.
Uma aeronave furtiva (VLO) pode
ser
detectada por radares de alerta antecipado e de aquisição
de mísseis SAM a partir
de 35km, por um grande radar de caça a menos de 20km e trancado
por radar de
míssil a menos de 5km. Uma aeronave menos furtiva (LO) seria
detectada
respectivamente a menos de 150km, 100km e 15km.
A furtividade do F-22A e F-35 diminuiria a efetividade dos SAM controlado por radar russos em 95%. Com táticas e algumas limitações operacionais, podem atuar no espaço aéreo inimigo e disparar armas sem ser detectados.
Relação
entre RCS de aeronave e alcance de
detecção (ou espectro de furtividade). Um radar de
comprimento de onda de 3-10
cm pode detectar o F-117 a 15 km de distância o que dá 1
minuto de vôo a 900
km/h e a 3.500m. O F-117 será detectado num ângulo de 25
graus de frente e para
cima. Uma aeronave voando muito baixo pode se expor pelo mesmo tempo
dependendo
do terreno. A relação entre o número de disparos
de
mísseis SAM e o RCS tem o
mesmo perfil com a aeronave furtiva sendo raramente atacada. Uma
aeronave que
está sempre tentando sobreviver aos ataques inimigos não
consegue ser muito
efetiva no cumprimento da missão. Uma aeronave convencional que
recebe tratamento furtivo mal consegue chegar no nível LO e os
ganhos são pouco significativos. Vai ser detectada e engajada de
qualquer forma. O F-117A tem RCS de 0,001m2 ou
-30dBSM. O B-2A e F/A22 tem RCS de cerca de
0,0001m2 ou -40dBSM. Uma aeronave furtiva
verdadeira (VLO) é projetada desde
o
inicio para ser furtiva e é o principal critério de
projeto. As
instalações nos
EUA podem medir RCS de -70dB/m{2} ou de um grão de
poeira. Insetos têm RCS
de -30dBMS a -40dBMS e podem ser detectados a 10-20km por radares de
vigilância
potentes.
O RCS pode ser medido ou calculado
para cada
razão de aspecto, freqüência e
polarização de interesse. Estas medidas
produzem muito dados e geralmente se usa uma media de RCS numa
banda de
freqüência de um aspecto, geralmente o frontal por ser o
mais importante. Do
lado e por trás a aeronave é mais difícil de ser
atacada. O RCS pode ser
mostrado graficamente.
O B-17 tinha um RCS frontal de 74m2. Esta variação pode chegar a 15dB com mudança de aspecto de 1/3 de grau e pode variar até 80dB ou um milhão de vezes. As hélices também alteravam e modulavam o RCS. O F-15 tem um RCS frontal de 10m2, mas visto de baixo chega a mais de 400 m2 de baixo 10 de lado. De lado mantem os 10m2.
Para
entender o
gráfico deve-se considerar que um radar está apontado
para a aeronave e girou
em torno da aeronave no plano horizontal. Os picos são as
medidas do radar. Os círculos
concêntricos são a escala do RCS em dBSM.
RCS frontal de algumas aeronaves (dados da Internet):
Aeronave RCS (m2)
São várias as vantagem da
redução
da assinatura através de uma Seção Transversal de
Radar (RCS) menor. A
furtividade não é
só para contrapor o radar e nem
para tornar a aeronave
invisível. O objetivo é dificultar
a capacidade do inimigo de
detectar e atacar a plataforma. A aeronave se aproxima sem ser
detectada e
quando detectado já é tarde para reagir. Uma aeronave
furtiva diminui a
probabilidade de interceptação, que limita a
probabilidade engajar, aumentando
a capacidade de sobrevivência, e assim, a probabilidade de
completar a missão.
Apesar de não invisíveis, as plataformas furtivas
conseguem atrasar a detecção
o suficiente para atrapalhar as defesas inimigas. Isto diminui a
capacidade de
um sistema de defesa aérea de infligir perdas, aumentando o
custo/eficiência
das aeronaves de ataque. Torna possível obter surpresa
operacional e tática.
Como surpresa em todos os pontos não é possível,
ou garantido, então concentra
em pontos estratégicos no início da campanha.
A furtividade garante várias vantagem em
relação
às aeronaves
convencionais como realizar a missão sem interferência do
inimigo, a missão
pode ser realizada com poucos recursos, precisa de pouco
apoio externo
de escolta de caças, interferidores e supressão de
defesas, o atrito não
passa a ser um problema, os custos são diminuídos
para realizar a missão, o
pessoal fica mais seguro e missões difíceis
podem ser cumpridas.
Apesar
de ser mais cara, a furtividade tem um melhor custo-benefício. Na linguagem militar significa grande
chance de sucesso e grande
capacidade de sobrevivência.
Permite operar livremente em ambiente hostil e executar missões
com sucesso sem
muita interferência do inimigo. O inimigo deve ser concentrar no
esforço de
defesa aérea, consumindo recursos que seriam aplicados na
batalha aérea tática.
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