RADAR

Para discutir furtividade primeiro é necessário entender como o radar funciona. Para uma explicação detalhada seria necessário cerca de 400 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 fornece a distância do objeto pois a onda do radar viaja a 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 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 forte e própria. 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 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.

Quando a onda é muito menor que o alvo, a interação é mínima e o alvo se comporta como várias partes. O reflexo da onda segue as  leis da física e reflexão da luz ótica. As microondas variam de 2 cm a 3 metros ou 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 X 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.

stealth 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 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 são precisos para guiar mísseis. Podem ser derrotados facilmente com diminuição do RCS. Todos os sistemas radar podem detectar aeronaves furtivas. A propaganda não fala que é por pouco tempo e curto alcance.

stealth equação distancia
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 potencia do radar o alcance aumenta em 19%. O problema é que é mais fácil aumentar potencia dos radares de baixa freqüência que os de alta.

A ameaça às aeronaves de radares de detecção e rastreio vem de várias fontes:

Sistema de Radar 
Frequência(GHz) 
Comprimento de Onda(cm)
Alerta Antecipado


GCI
Medidor de Altura

Aeronaves
Mísseis ar-ar

Mísseis SAM
Aquisição

Rastreio
SAM móveis
Aquisição

Rastreio
Artilharia antiaérea

0,15-0,2
3-4

2-3
2-7
8-20
10-20

0,15-3
5-10 

2-6
5-13
14-16

150-200
7,5-10

7,5-15
4-15
1,5-4
1,5-3

10-200
3-6 

5-16
2.3-6
1,8-2

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:

stealth

A área de busca do radar será reduzida em 32% e o volume em 18%. Para diminuir o alcance de um radar pela metade é preciso diminuir o RCS no aspecto requerido em 12 dBSM. Uma redução no RCS de vários centésimos é necessário para ter significância tática (82% no alcance de detecção). Uma aeronave futiva verdadeiro (VLO) tem que ter um RCS de -30dBSM, ou 0,01 m2, e -40 dBSM pode ser atingido. Um radar que detecta um alvo não furtivo de RCS de 5m2 a 130km detectaria um alvo de RCS de -40 dBSM a 3-6km.

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 m 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 militar. 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.

O nível de diretividade é função da taxa de energia real refletida versus o valor isotrópico teórico da dispersão. O valor da energia refletida da fonte de propagação, um valor conhecido como densidade de potência, é determinado ao multiplicar a densidade de potência da onda transmitida pela superfície refletora pelo RCS. Directividade é a chave onde a soma de superfícies refletoras aumentam ou reduzem o RCS comparado com a seção cruzada geométrica.

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 a 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 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 então controlado.


O software teria que trabalhar com forma com painéis planos devido a capacidade computacional da época (IBM 360). A década de 70 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 acurado.

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.

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 intenso. Os israelenses reabasteceram, rearmaram e repararam suas aeronaves em 15 minutos após retornarem a base para poderem retornar ao alvo 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.

Existem duas formas de redução do RCS: forma para minimizar a reflexão evitando características que produzam grande reflexão de volta ao radar e coberturas para absorção de energia e cancelamento. Os dois métodos devem ser usados coerentemente em um projeto de aeronave para atingir os níveis de baixa observação no espectro de freqüência eletromagnético apropriado. 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, a forma se torna 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


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