RADAR
Para discutir furtividade primeiro
é
necessário entender como o radar funciona. Para uma
explicação detalhada
seria necessário centenas de páginas. A
descrição será bem simplificada aqui.
A palavra radar significa telemetria e
detecção por rádio (RAdio Detection And Ranging).
Funciona emitindo
feixes de energia eletromagnéticas (ondas de rádio) em
uma banda de freqüência.
Se estes feixes atingem um objeto como uma aeronave, ela é
refletida de volta
criando um eco que a antena do radar pode detectar. O intervalo de
tempo entre
a emissão e o recebimento do eco de retorno permite determinar a
distância do objeto pois
a onda do radar viaja a uma velocidade constante (velocidade da luz).
Também é possível
medir o tamanho do alvo de
acordo com a intensidade do eco. Um processador de sinais guarda onde o
eco
está a todo momento e cria um acompanhamento no mostrador do
operador. Com o
acompanhamento contínuo é possível determinar a
direção e a velocidade do alvo.
Para detectar uma aeronave com precisão, um radar precisa
de dois
retornos em três varreduras ou três em cinco, mas pode
conseguir com um eco
apenas.
O eco de radar refletido de uma aeronave
é
um pulso detectável. O tamanho aparente ao radar (RCS) de um
objeto determina a
intensidade das ondas de rádio refletidas. O RCS depende do
tamanho físico,
forma e orientação do objeto, mas também da
característica elétricas do objeto.
Por exemplo, uma vara condutiva com metade do tamanho de uma onda de
rádio irá
ressoar com a onda de rádio, criando uma reflexão intensa. Os primeiros
radares tinham comprimento de onda de 50m pois os bombardeiros da
época tinham
asas de 25 m de envergadura.
As aeronaves são bons
refletores metálicos quando o céu está ao fundo. A
energia radar não reflete em uma aeronave apenas como a luz
reflete no espelho
ou bola na parede. Quando atinge um fio cria uma corrente
magnética na mesma
freqüência. A energia refletida passa a ser polarizada. Com
uma aeronave
acontece algo parecido. Dependendo do material, o eco pode ser mais
forte ou
mais fraco.
O radar também
tem limiar de detecção, com
pequenos retornos sendo considerados ruídos de fundo. As
aeronaves furtivas têm
que ter RCS abaixo do limiar para não serem detectadas. Se o
radar diminui o
limiar aumenta o número de ecos como pássaros e chuva e
precisaria de uma
capacidade muito grande no processador de sinal (o que é
viável atualmente).
O radar descrito acima é um radar
monoestático com antena e receptor no mesma antena ou bem
próximos. O radar tem
que estar apontado para alvo. Os feixes de radar têm tamanho
limitado e o radar
tem que girar para cobrir grandes volumes. O ganho
(magnificação) é como um
binóculo. Quanto mais longe se quer ver mais estreito é o
feixe radar. Pode ser
entendido de forma simplificada com o uma pessoa com uma lanterna na
cabeça
funcionando como emissor e os olhos como receptor. A pessoa só
vê onde a luz
aponta e quanto mais próximo mais fácil de ver.
Quando o feixe de radar é bem
maior que
alvo, o alvo se comporta como um objeto único e reflete toda
a onda. Apenas
o tamanho importa. Os radares só vão até a
freqüência de 100MHz com comprimento
de 3 metros e é menor que maioria dos alvos. Um feixe que atinge
um objeto do
mesmo tamanho sofre reflexão dissonante, mas o resultado
é muito variado e depende
do aspecto do alvo.
Quando a onda é muito menor que o
alvo, a
interação é mínima e o alvo se comporta
como várias partes separadas. O reflexo da onda
segue as leis da física e reflexão da luz
ótica. As microondas variam de
2 cm a 3 metros ou com um feixe bem menor que a aeronave.
A assinatura radar (RCS) varia com a
freqüência do radar por ser uma das variáveis que
determina o RCS. Radares de
controle de tiro tem alta freqüência e ondas de pequeno
comprimento sendo
usados para detecção a curta distância. Como o RCS
é igual ao ganho versus a área, o RCS do eco será menor por ter alcance menor devido ao menor
comprimento de onda.
Um radar de busca de longo alcance tem
RCS
do eco maior devido ao maior ganho das ondas longas. Simplificando,
é só
imaginar um pequeno facho de luz atingido uma parede contra outro facho
de luz
grande (cone de luz). O RCS do eco do facho grande, ou o radar de onda
mais
larga, será maior. O resultado final é que é mais
fácil reduzir o RCS contra
radares de controle de tiro do que os radares de busca, sendo mais
fácil
detectar a aeronave do que acompanhá-las e atacá-las.
Outra conseqüência deste
princípio é que o
tamanho da aeronave não influencia muito no RCS pois o radar
vê sempre partes
da aeronave. Por isso o RCS do B-2 é sempre pequeno mesmo sendo
uma aeronave
grande. O radar sempre irá receber ecos de pequeno RCS.
Comparação entre um radar de controle de tiro (acima) e
de busca
(abaixo). Os feixes de radar veem sempre pedaços de uma
aeronave. Os
pontos de alto RCS é o que
prevalece e não o tamanho, tanto que par diminuir o RCS os
engenheiros
consideram quatro variáveis : forma, forma, forma e material.
Os radares de
vigilância operam em uma banda baixa de
freqüência enquanto os de aquisição
e guiamento de alvos tendem a ser de banda alta G/H/I/J e os
caças com radares
da banda I/ J. Os primeiros detectando alvos a longa distância e
depois envia
um interceptador. Se o alvo passa pelos interceptadores tem que duelar
com a
rede de mísseis SAM. Aeronaves de alerta antecipado (AEW) pode
trocar dados com
caças e mísseis SAM de alvos voando baixo.
Para evadir a detecção
é necessário derrotar
todas as bandas. Os radares de banda baixa como os UHF podem ser
derrotados
facilmente com vôo baixo. Já se esconder das aeronaves AEW
é mais difícil. Os
radares de baixa freqüência têm alcance
limitado e piora ainda mais
com mau tempo e são pouco precisos para guiar armas.
Também não cabem em
aeronaves.
Os radares da banda
G/H/I/J tem alcance menor para busca de volume, mas
tem boa precisão para guiar mísseis. Podem ser derrotados
facilmente com a diminuição
do RCS. Todos os sistemas radar podem detectar aeronaves
furtivas. A propaganda não fala que é
por pouco tempo e curto alcance.
A
equação do alcance radar mostra que o tempo que o radar detecta uma aeronave
depende da freqüência
e potência. O principal fator é o RCS. A
equação mostra que diminuir o RCS em
40% diminui o alcance em 10%. Dobrando a potência do radar o alcance
aumenta em
19%. O problema é que é mais fácil aumentar
a potência dos radares de baixa
freqüência que os de alta.
A ameaça às aeronaves de
radares de detecção e rastreio vem de várias
fontes:
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GCI Medidor de Altura Aeronaves Mísseis ar-ar Mísseis
SAM |
3-4 2-3 0,15-3 |
7,5-10 7,5-15 10-200 |
Como o alcance do
radar é
razão da raiz da quarta potência do
RCS (RCS^1/4) uma ordem de magnitude (10 vezes menor) na
redução do RCS, por
exemplo, dará uma redução de 44% no alcance de
detecção:
O RCS do F-117A é entre 0.01 e 0.001 m2 ou aproximadamente o RCS de um pássaro. O F-4G usado como "Wild Weasel" tem RCS de 6m2. O F-117 é capaz de chegar 90% mais perto de radares de busca de superfície e 98% mais próximo de um radar aerotransportado antes de ser detectado em relação ao F-4G.
Estes dados sempre foram observados pelos operadores de radar. O Foland Gnat era detectado depois do Hawker Hunter, mas não era significativo. As formas do Vulcan também dava baixo RCS, mas sem vantagem prática. As aeronaves eram interceptadas da mesma forma.
Fundamentos do RCS
O RCS é
determinado por
uma fórmula usando dados de três componentes: a
área geométrica da seção
cruzada, o total de energia refletida e a direção da
energia refletida.
A fórmula básica que produz a refletividade de um objeto de duas dimensões foi estudada inicialmente por James Clark Maxwell e foi aperfeiçoada pelo alemão Arnold Johanes. O físico soviético Pyotr Ufimtsev descobriu que equações de Maxwell poderiam ser usadas para predizer como uma forma geométrica refletiria ondas magnéticas. Assim era possível calcular a soma do RCS de uma estrutura de formas complexa. As equações são baseadas na geometria ótica.
Os estudos de Ufimtsev foram publicados em 1966 no livro "Method of Edge Waves In The Physical Theory of Diffraction". Os russos não aproveitaram o conceito por serem complexas. O livro foi traduzido pelo Systems Command Foreign Technology Division da USAF em 1971. O engenheiro Denys Overholsen do Skunk Works teve acesso aos textos e desenvolveu um software chamado ECHO-1 para prever o RCS de aeronaves. Concluiu que uma aeronave com formas facetadas triangulares podia ter o RCS predito e controlado.
O software teria que trabalhar com formas de painéis planos devido a capacidade computacional da época (IBM 360). A década de 1970 ofereceu novos hardwares e softwares que permitiam maiores desenvolvimentos na furtividade como o Fly-By-Wire(FBW) que permitiu viabilizar formas aerodinamicamente impossíveis.
O programa ECHO-1 foi rodando em um mainframe e permitia criar a forma de uma pequena aeronave. A Lockheed aplicou o software nos estudos da DARPA para criar a aeronave Have Blue, predecessor do F-117. O RCS predito para o SR-71 foi bem próximo do real.
Foram os computadores que permitiram que outras tecnologias necessárias para as aeronaves furtivas operarem como os sistemas de planejamento de missão automáticos, Fly-By-Wire e outras como tecnologias de material e métodos de produção. As bombas guiadas a laser permitiram que uma única aeronave atingisse um alvo com grande precisão.
Requerimentos de Caças
A princípio, as aeronaves de combate são veículos para lançar armas e não para ter alto desempenho e beleza. As principais características de uma aeronave de caça em termos de qualidades operacionais devem ser:
- Disponibilidade: produzido em tempo, pouco tempo na manutenção, fácil de manter, turnaroud rápido (rearmamento e reabastecimento) e poucos membros na equipe-tripulação de solo;
- Efetividade: grande carga bélica, grande razão de custo operacional, pequena necessidade de recursos periféricos para realizar o trabalho, munições internas diversas e de opções numerosas, grandes arcos de visão, agilidade (excesso de potência), pontaria efetiva, autonomia e alcance;
- Capacidade de sobrevivência: escapar da detecção por mais tempo possível, evadir radares de aquisição, desviar-se de artilharia antiaérea, mísseis terra-ar ( SAM) e mísseis ar-ar (AAMs) = furtividade, célula robusta para absorver impactos/danos de combate e permanecer voando até voltar para base, boa capacidade de reparação e manutenção.
Um exemplo do primeiro requisito foi o ataque surpresa israelense na Guerra dos Seis Dias em 1967. Embora Israel tivesse 155 aeronaves de ataque, conseguiu colocar 320 aeronaves nos aeródromos egípcios em 80 minutos ao maximizar seus meios num esforço concentrado. Os israelenses reabasteceram, rearmaram e repararam suas aeronaves em 15 minutos após retornarem a base para poderem realizar uma nova missão uma hora após o ataque anterior.
A importância da última característica passou a ser mais valorizada após a Guerra do Yom Kippur em 1973. Se a taxa de perdas da força aérea de Israel pelos mísseis SAM de origem Soviética fosse considerado num hipotético conflito na Europa contra o Pacto de Varsóvia, as forças aéreas da OTAN seriam dizimadas em 1 semana. Isso levou a pesquisa de uma aeronave/tecnologia que diminuiria sua capacidade de detecção principalmente por radares.
PROJETO
Uma aeronave pode ser
projetada para
varias funções: tática, estratégica,
superioridade aérea ou apoio. A capacidade
de sobrevivência depende da escolha da altitude ou velocidade
para evitar
engajamento com radares, planejamento de missão para evitar
ameaças, uso de
contramedidas eletrônicas, armamento de longo alcance ou com
tecnologia
furtiva.
A furtividade é o melhor
por dar mais opções.
O maior objetivo do projeto furtivo é fundir com o fundo ou
minimizar
contrastes em todas assinaturas. A missão da aeronave define
tipos de ameaça
esperada como banda de freqüência, ângulos de visada,
níveis de RCS do eco.
Depois de definidos o níveis de furtividade necessária, o
projeto continua com
forma da aeronave e características desejáveis como uso
de RAM, carga interna,
detalhes, antenas, etc.
As técnicas de forma são mais importantes
para diminuir o RCS nas freqüências
de microonda. O RAM diminui o RCS em um fator de 10 a 100. Como
é necessário
uma diminuição de 1000 a 10.000 no RCS, as técnicas da forma se tornam
o método principal.
Após definir a forma da aeronave é usado RAM para
diminuir ainda mais o RCS e
para cobrir outras freqüências. Outra forma de diminuir o
RCS é usar
cancelamento ativo.
Próxima parte:
Técnicas da Forma
Atualizado em 10 de Outubro de 2005
2000-2005
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