Projeto de Componentes

No fim da década de 50 foi observado que uma redução bem grande no RCS, necessária para garantir benefícios operacionais, não pode ser conseguida simplesmente cobrindo uma aeronave com material absorvente de ondas de radar (RAM). Muitas características pequenas e aparentemente insignificantes de uma aeronave podem gerar retornos de radar que ainda são detectáveis.

Quando a assinatura básica de uma aeronave é reduzida para um nível bem baixo, os detalhes de projeto se tornam muito importantes. O RCS é causado principalmente pelas as bordas de ataque das asas, cauda e carnards, entrada de ar, radar e cockpit. As bordas das portas e painéis de acesso passam a ter o potencial de serem o maior contribuinte para o RCS a não ser que sejam tomadas medidas para suprimi-las. Baseado na discussão do plano liso simples, é claro que é geralmente insatisfatório ter uma borda de porta em ângulos retos a direção de vôo. Isto resultaria em um sinal notável no aspecto frontal. Então, portas e painéis de acesso retangulares são inaceitáveis. A solução é mover as bordas dos painéis e alinhar com outras bordas maiores da aeronave.

Entre os detalhes a entrada de ar é a mais importante seguidos das superfícies de controles. Cavidades refletem ondas de radar como a luz no olho de gato a noite. Pode-se imaginar que com um pouco de habilidade, o número de reflexões pode ser aumentadas significativamente sem sacrificar o desempenho aerodinâmico. Por exemplo, uma cavidade pode ser projetada com um RCS de alto aspecto para maximizar o comprimento/altura. Se for possível atenuar o sinal em cada reflexão, então haverá uma vantagem para um projeto multi-refletivo.

As entradas de ar é um grande problema pois as bordas são boas refletores e o túnel se comporta como guias da energia refletida do motor que é um modulador da assinatura da aeronave. A energia refletida volta com ganho. O primeiro estágio do motor funciona como um objeto sólido evitando que o feixe de radar entre. A primeira reação é cobrir as pás do primeiro estagio com RAM e tem que aguentar o estresse de rotação. As cavidades devem ser protegidas com RAM e a freqüência a ser coberta vai variar muito.

O ideal é colocar a entrada de ar acima da fuselagem ou asa para esconder de radares no solo quando voa alto, mas não é bom aerodinamicamente durante as curvas. As aeronaves furtivas voam alto para atacar e aumentar o alcance. Quem voa baixo deveria esconder embaixo da asa ou fuselagem.

Os ductos em "S" são outra técnica. Uma entrada de ar curva faz os feixes de radar refletir varias vezes. Com cobertura RAM o eco diminui varias vezes a cada reflexão. Se o RAM absorve 90% da energia em cada reflexão, bastaria duas para fazer o eco diminuir 1000 vezes e atingir um nível furtivo. O ar que passa pelo ducto não gosta desta forma e causam turbulências diminuindo a eficiência do motor. A Lockheed estudou o uso de sensores para ver o estado do fluxo e injetar ar em pontos estratégicos para manter o fluxo. As entradas de ar retas como a do Su-35 e MiG-29 não força a reflexão e a aeronave tem que evitar ficar diretamente de frente para a ameaça.

stealth ducto
Uma entrada de ar curvada aumenta o número de vezes que uma energia de radar ira refletir na parede
do ducto antes de retornar. Isto não faz diferença se o ducto não for coberto com RAM. Se for usado RAM, a absorção da energia é proporcional ao número de reflexos e efetividade do RAM.

stealth F/A-22 inlet
A entrada de ar do F-22A é curvada em S para esconder a face do motor que fica bem escondido. Uma pequena porção pode ser visível, mas fica alinhado com as bordas das asas de alto RCS.

O X-32 tem um grande motor com a face a mostra. É regra básica esconder estas partes moveis que produzem reflexos amplificados e que permite identificar a aeronave. O X-32 usa portas para mascarar o primeiro estágio. Se for necessária as portas se fecham para diminuir o reflexo.

O X-35 usava serpentina para proteger o ducto. O X-32 usava pás especiais com RAM e formas especiais para os reflexos entrarem e não voltar. No caso do X-32 a técnica é parte do motor com a entrada de ar curvada com bloqueador. O F-35 tem motor no meio da fuselagem e não é ideal para receber um ducto curvado por ser pouco comprido. Por outro lado, um ducto longo é mais pesado e gasta muito volume e é pior aerodinamicamente.

As entradas de ar redondas da série Mirage são ótimas para controlar o fluxo de ar e é bem leve, além de bloquear os feixes de radar. O SR-71 usava entrada de ar redonda com cone pontiaguda para controlar as reflexões.
 
O projeto do ducto deve pesar furtividade, custo e aerodinâmica. Em uma aeronave menor, a serpentina em duto é melhor que aeronave grande. Em aeronave grande é melhor usar um bloqueador.

O F-117 usa uma grade como bloqueador. O protótipo do XST da proposta da Northrop usava uma tela na entrada de ar que limitada a velocidade a Mach 0,65. Foi abandonada devido à velocidade alta necessária.

stealth b-2 inlet
A entrada de ar do B-2 é colocada acima das asas e é curvada dando boa proteção contra radares quando voa alto. As bordas são alinhadas com as asas. A turbina GE F-118 produz pouco barulho por ficar bem dentro da fuselagem. A F-118 é derivada do turbofan F-101 usada no B-1. O bypass ratio passou para 0,87 contra 2,0 da F-101 gastando menos ar para ter entrada de ar menor, mas gasta mais combustível.

stealth F-117
A grelha na entrada de ar do F-117A funciona como um objeto sólido para ondas elétricas. Funciona bem em velocidades subsônicas mas diminui o desempenho. Foi estudado a instalação de uma entrada de ar parecida com a do B-2 além do uso de serpentina interna, mas foi cancelado devido a idade da aeronave.

stealth inlet
A entrada de ar do B-1A era otimizada para vôo supersônico. O B-1B recebeu placas tipo serpentina mascarando a face do motor que obrigou a otimização para vôo subsônico. A entrada de ar se tornou fixa e foi inclinada para fora e para baixo.

stealth inlet
Outra medida para diminuir o RCS do B-1B foi o uso de placas para mascarar as faces do motor.

stealth A-12 inlet
A entrada de ar do projeto A-12 usava uma serpentina para proteger a face do motor. O F/A-18E/F também usa um bloqueador na frente do motor.

Um bloqueador no exaustor também é necessário. Um método é colocar um bloqueador cilíndrico ou criar “dog leg” para evitar custos de desenvolver um bloqueador caro. O F-117,B-2 , F-22A e DarkStar usavam combinação de supressão de radar e IR no exaustor. Os bloqueadores de radar devem ser resfriados, ou não devem ser visíveis de fora se aquecidos.

stealth F-117 inlet
O F-117 tem dogleg no exaustor para evitar linha de visada direto com as partes quentes do motor e evitar reflexo de radar. É ideal, rústico e barato. Também está coberto com RAM de fácil manutenção e com proteção IR. O exaustor tem 1,5m de comprimento por 15,2cm e está dividido em 12 aberturas.

stealth F-117 inlet
Esta foto mostra com mais detalhes como o exaustor foi  escondido para evitar ser visto na horizontal. Foi uma das partes mais difíceis de ser projetada no F-117.

Não só as cavidades no são problemas a resolver pois existe também cavidades do sistema de refrigeração e transparências como canopi, radar e sensores.

A cabeça do piloto, com o capacete, é uma fonte principal de retorno de radar. Ela é aumentada pela trilha de retorno associada com as estruturas internas e membros superiores. O capacete, máscaras, assento e mostradores aumentam o RCS. A solução é projetar o cockpit de forma que suas formas externas se conformam as leis do RCS, e cobrir o vidro com um filme similar as usadas nos prédios para controle de temperatura. Metalizar a transparência a torna condutiva para o radar. Sem cobertura metalizada no canopi o radar detectaria piloto ao invés da aeronave.

O material usado para metalizar as janelas de sensores eletro-óticos e o canopi é o Óxido de irídio que reflete qualquer energia de radar e deixa passar 85% do espectro visível. O óxido de irídio não é caro e é resistente a erosão pela chuva. Porém, também bloqueia os raios IR e não pode ser usado em janelas de sensores térmicos. Nas janelas de sensores FLIR são usados uma estrutura em "raquete de tênis" com fios de titânio reforçados.

O EA-6B Prowler foi a primeira aeronave a usar esta técnica para proteger os tripulantes das emissões do do interferidores. O canopy do F-22A é feito de duas lâminas de colméia de policarbonato de 9,5mm cada entre duas lâminas de vidro. Os materiais são fundidos a 750 graus centígrados. Uma cobertura de Óxido de Irídio é adicionada para refletir ondas de radar e dá uma cor de ouro. 

stealth F-117 ir
O sensor IR do F-117 usa uma grelha de metal para dar proteção contra reflexos de radar.

stealth F-35 IRST
O F-35 tem sensor IR no nariz e na frente das portas do trem de pouso dianteiro com janelas facetas como o F-117. A Lockheed Martin testou quatro configurações e três opções de instalação. Uma janela fixa tem campo de visão limitado forçaria a aeronave a voar sobre o alvo como o F-117. Foi examinado um modelo esférico e dois tipos de torres retráteis. A janela fixa mostrou em forma de fecha ser melhor para assinatura e aerodinâmica e manteve um campo de visão de 140 graus para cada lado. Isto permite que a aeronave dispare e dê quase meia volta.


As antenas
internas e sistemas de radar da aeronave e mísseis são uma fonte potencial de retorno do radar por duas razões: são difíceis de esconder e, como tem que ser um bom refletor, são projetadas para transmitir em um freqüência muito alta, de forma que seu RCS é propenso a ser significativo.

Para diminuir o RCS o radar deve ser apontado em outra direção quando não usado para diminuir o RCS. O B-1 usa uma antena apontada para baixo por ser fixa. O F-35 e F-22A têm antena fixa apontadas para cima. A bainha do radar deve ser tratada com RAM. O F-117 nem usa radar e tem antenas de comunicações retrateis.

A forma cônica do nariz é ótima para refletir os ecos para longe do emissor, mas são transparentes ao radar. A cobertura deve ser tratada para deixar passar apenas as freqüências do radar da aeronave. Este material, chamado de Frequency Selective Surface (FSS), é formado de um arranjo de elementos metálicos na estrutura condutiva. Na forma correta diminuem a transmissão em algumas bandas de freqüência. Devem ser transparentes as freqüências e polarização do próprio radar.

O APG-77 tem banda pequena e opera com um sistema FSS. O F-35 JSF tem que ter banda mais larga para realizar interferência e transmitir comunicações, emitir ondas curtas em modos SAR e ondas longas para busca ar-ar. O radome deve ser "limpo". O resultado é uma antena furtiva e já se sabe que aponta para cima.

Superfícies de controle podem ser feitas de material tipo colméia que refletem a energia de radar internamente ao invés de volta para o radar.


Flare Spots

Depois de trabalhado os contribuintes principais, passa-se para os chamados "flare spot" como pequenas características na fuselagem. O RCS total é a soma do RCS da forma e RCS dos flare spots.

Estes flare spots tem RCS de até 0,5m2 e podem ressonar em alguns comprimentos de onda bem pequenos. A assinatura radar é bem baixa em relação aos componentes principais da fuselagem, mas são muitos e o efeito é aditivo. Exemplo são entradas de ar pequenas na fuselagem, antenas RWR, navegação e ataque, estações semiconformais, painéis não alinhados, grelhas de ventilação, falhas na superfície de controle, sensores óticos com MAWS, FLIR e IRST. Deve-se eliminar até soldas, rebites, buracos de drenagens e falhas nos painéis. Dois rebites 3 cm separados e iluminados por um radar de comprimento de onda de 3cm irão refletir como uma antena. A maioria dos radares tem comprimento de onda de 3-10 cm. O protótipo do Have Blue teve as cabeças dos parafusos reprojetadas pois 3 parafusos mal apertados aumentaram em muito o RCS.

O número de juntas e bordas também devem ser diminuídos para diminuir os spikes. Com a aeronave se move os spikes refletem por pouco tempo na forma ótima de reflexão. Outras bordas devem ser alinhadas com os spikes principais como bordas de asas, entrada de ar, canopi e estabilizadores com a técnica de alinhamento de superfície. Estas juntas tem formas em "W" para absorver e redirecionar dando forma cerrada a superfície. O uso de bordas cerradas no lugar de borda plana é uma técnica que funciona como absorvente de energia. Uma borda pontuda como faca é boa para refletir de volta para emissor e deve ser evitado.

O F-22A foi projetado para ter poucos painéis de acesso para diminuir a manutenção relacionada com o RCS, mas foi reprojetada no fim para aumentar o numero de painéis de acesso para facilitar manutenção dos sistemas. O F-35 também teve o número de painéis de acesso aumentado para facilitar o suporte.

A superfície da aeronave deve ser bem lisa o que também ajuda na aerodinâmica. Um
P-47M da Segunda Guerra Mundial bem polido tinha velocidade máxima aumentada em 50km.

stealth F/A-22 detalhes
Detalhes da superfície da fuselagem do F-22A. Os rebites devem receber algum tipo de cobertura absorvente de radar por não estarem alinhados.

stealth F-117
As bordas cerradas que cobrem as falhas na superfície do F-117 são alinhadas com os planos principais da fuselagem. Está técnica reduz a energia de radar numa passagem frontal. As portas de trem de pouso, aberturas e compartimento de armas também são cerrados. As superfícies de controle das asas podem criar falhas e devem ter cobertura RAM. Sensores de dados de ar, pequenas antenas, sensores e sistema de reabastecimento em vôo devem ser protegidos.

stealth F-117 pitot
Cada tubo de pitot do F-117 tem quatro faces e cada face tem um orifício para coletar dados de ar. Os quatro tubos de pitot tem leituras diferentes para dar a direção do fluxo de ar. As faces laterais coletam dados  para  usar a diferença de pressão para saber sobre a posição da aeronave se está "derrapando". As faces de cima e de baixo fornecem dados para medir o angulo de ataque. Em uma aeronave instável controlada por fly-by-wire, é muito importante ter fontes de dados aerodinâmicos redundantes. Estes devem ser muito acurado em respeito a direção do fluxo e devem operar livres de gelo o tempo todo. Sondas estáticas e de pressão devem ser usadas, mas representam compromissos com requerimentos furtivos.

Os jatos do motor
de alta temperatura tem RCS próprio devido a presença de partículas ionizadas como o carbono. Íons de densidade alta dependem da temperatura máxima e é significativa com o pós-combustor ligado. O uso de motores tipo turbofan e evita ligar o pós-combustor e irá diminuir o RCS e automaticamente a assinatura IR e sonora.

Um contribuinte pequeno do RCS são as "traveling waves". Uma aeronave pode funcionar como uma antena como um todo. A energia é transmitida pela superfície da aeronave e uma única falha em todo corpo da aeronave, como pequeno desvio na porta do trem de pouso ou rebites, podem atrapalhar o RCS. As "traveling waves" podem ser refletidas de volta para o emissor.

stealth F/A-22
O F-22A tem uma forma de pirâmide invertida quando visto de frente ao contrário do F-117. Sua forma assegura uma pequena assinatura de frente e de baixo. O alinhamento de superfície é visível com os planos laterais da fuselagem, canopi e cauda alinhados.

stealth Rafale

As aeronaves de 4a geração como o Rafale não receberam tratamento furtivo durante o projeto. Isto pode ser visível com a falta de alinhamento na superfície, falta de painéis cerrados, falhas e bordas da entrada de ar todos em posição ortogonal o aspecto frontal, antenas e sondas de dados de ar sem proteção. Os franceses citam que usaria técnicas de cancelamento ativo que foi cancelado em 2005. O Rafale entrou operação em 2002. Deve ser fabricado até 2023 com a entrega de 294 aeronaves.

Próxima parte: material RAM

Atualizado em 10 de Outubro de 2005


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