Materiais Absorvedores de Radiação Eletromagnética

Após tratar a forma o próximo passo em um projeto furtivo é cobrir com material absorvente de radar (radar-absorbent material - RAM), chamado no Brasil de MARE (Materiais Absorvedores de Radiação Eletromagnética), para diminuir ainda mais o RCS.

O primeiro país a usar RAM foi os alemães que aplicaram o material no periscópio dos seus submarinos durante a Segunda Guerra Mundial. O material era chamado de "Sumpf" e feito de um sanduíche de borracha com carbono granulado. Era efetivo em laboratório, mas no mar o sal removia a cobertura e ficava menos eficiente.

A primeira arma furtiva foi o submarino Hunley confederado em 1864. Na Segunda Guerra Mundial eles eram prezas fáceis enquanto recarregavam as baterias na superfície. O snorkel voltou a torná-los furtivo. O radar das aeronaves de patrulha marítima acabou com esta vantagem. O RAM foi a reação. O MIT americano desenvolveu um pintura anti-radar chamada MX-410 em 1945, mas com resultado desapontador.

Na década de 60, o U-2 e o P2V-7 Neptune americanos foram cobertos com RAM em algumas partes para diminuir o RCS. O U2 usava RAM baseado em tinta com ferrite, mas não era muito eficiente para torná-lo furtivo. Em 1970 foi aplicada no SR-71. Na década de 80 foi integrada no B-1, mísseis cruise e UAVs.

O RAM reduz o sinal refletido absorvendo parte da radiação incidente. Cerca de 90-95% da energia de microonda ou rádio-frequência (RF) incidente é convertida em calor com pouco aumento da temperatura pois a energia envolvida é muito pequena. As capacidades de absorção variam de material para material. O RAM conhecido da Plessey, usado nos navios da Royal Navy para suprimir reflexos nos mastros dos seus próprios radares, supostamente conseguia uma absorção de até 97% das ondas nas faixas de 5,5 até 30Ghz que o atingem, e tinha um peso de apenas 0,3kg/m2.

Vários tipos de materiais podem ser feitos para absorver energia de microonda ao impregná-los com material condutivo como carbono, ferrites, grafites e compostos de fibra de carbono para absorver ondas de radar.

As superfícies de cobertura consistem de partículas ferromagnéticas - a melhor para a maioria das aplicações - envolvidas em plástico de alta constante dielétrica. O material dielétrico reduz as ondas e algumas partículas magnéticas absorvem a energia.

Cancelamento de Eco

As coberturas RAM são projetadas de forma que pequenas reflexões não absorvidas na face frontal do material seja cancelada por uma reflexão residual na estrutura debaixo dela. O primeiro passo é fazer uma trilha igual a metade do comprimento de onda de forma que a reflexão residual esteja exatamente na mesma fase da reflexão da face frontal. Está técnica também é chamada de interferência destrutiva. Como a onda vai e volta a espessura do material tem que ter 1/4 do comprimento da onda. Esta dimensão varia de milímetros a quase um metro. Um RAM que cobre a banda de 100MHZ tem que ter espessura de 75cm.

Embora os projetistas de cobertura tentem usar material cuja constante dielétrica varie de modo a manter um comprimento de onda constante independente da freqüência, a realidade é que várias coberturas são necessárias para cobrir várias larguras de banda. Sua resistência é graduada de frente para trás na borda e é eletromagneticamente macio e gradualmente se torna mais atenuante quando as ondas passam por ele. Isso é feito quando a camada não pode ser tão profunda quanto 1/4 do comprimento de onda. O absorvedor interno é de alta freqüência para cobrir todas as freqüências.

O RAM pode ser projetado para otimizar a técnica de interferência destrutiva. A espessura da cobertura não é excessiva para comprimentos de ondas curtas, contudo, é impraticável instalar coberturas de espessura suficiente para agir contra radares de  busca de baixa freqüência que são absorvidos pelas camadas mais internas. O RAM geralmente é usado para proteger contra radares de guiamento de mísseis ar-ar e SAM (banda L e acima da banda Ku). Esquemas mais elaborados são usados para cobrir todo o espectro de radar. O B-2 usa RAM otimizado para absorver ondas de radares de busca de baixa freqüência (banda 1 a 3 Ghz).

stealth radar-absorbent material RAM
Técnica de cancelamento do eco ou interferência destrutiva.

O RAM que cobre todas as bandas é chamado de banda larga. O otimizado para uma pequena banda é chamado de ressonante. É muito usado para mascarar retornos de pontos altos em aeroportos ou mastros de navios que operam em freqüência conhecida.

stealth radar-absorbent material RAM
Gráfico mostrando o padrão de absorção de um material RAM ressonante. O gráfico mostra um desempenho otimizado na banda de 8-9 GHz. 


Tipos de RAM

Existem dois tipos de material absorvente de radar: o RAM dielétrico e o RAM magnético.

Os absorventes baseados em carbono são chamados RAM dielétrico. Adicionando produtos de carbono em um material isolante é possível aumentar a resistência elétrica e mudar as propriedades elétricas. Os exemplos mais comuns são as pirâmides encontradas em câmaras anecóicas. O RAM dielétrico são grandes, frágeis e não podem ser usados onde há pouco espaço e muita vibração mecânica.

Este material pode ser feito com espessura de 1,75 cm, que é prático para uso em aeronaves, contudo, o seu peso de 24,9 kg por m^2 é excessivo. Isto não poderia eliminar o uso a bordo de navios ou de instalações em terra. A cobertura do SR-71 eram bolas de vidros de menos de um micrômetro cobertas com cobertura de ferrite magnético.

O RAM magnético usa derivados do ferro como o ferro carbônico e óxido de ferro chamados de ferrites. O ferro dissipa as ondas de radar na forma de calor e pode ser usado em tintas. Eles são agrupados em esferas que se comportam como ineficientes antenas de rádio, absorvendo ondas de rádio e dissipando a energia antes de refletir. A energia é absorvida pelos elétrons da cobertura magnética. Em um bom condutor como as antenas de metal, os elétrons podem se mover livremente e as ondas de rádio são retransmitidas. As esferas cobertas de ferrite são más condutoras e o movimento de elétrons é amortecido pela resistência elétrica do material.

É mais efetivo contra radares de alta freqüência usados nos caça modernos. O RAM magnético é compacto, fino e adequadamente resistente para aguentar cargas e ambientes abrasivos. Porém é caro e pesado. O RAM oferecido pelos russos para instalação em caças é vendido a US$5 mil o quilo. Como é necessário usar cerca de 70-80kg por aeronave o custo só do material chega a US$350-400 mil sem considerar a aplicação e testes.

O RAM magnético é geralmente embutido em tiras de borracha chamadas RAM parasita. É fácil de aplicar e pode ser colado na posição e são bons para entrada de ar. Em locais de alta temperatura como ao redor da tubeira de escape do motor, são usados RAM de cerâmica.

Uma abordagem consiste em um sanduíche de material fenólico-fibra de vidro. Estas estruturas novamente convertem 95% da energia RF incidente em calor usando a resistividade do material de carbono negro e pó de prata. Este material é efetivo contra ondas de 2,5 a 13 GHz que abrangem muitos radares de controle de fogo e radares de guiamento de armas. Este material é leve e fino, mas não é capaz de suportar as altas temperaturas e processos erosivos das velocidades supersônicas

O RAM magnético tende a ser pesado e a oxidar, diminuindo a eficiência que piora ainda mais com calor e é ruim para aeronaves supersônico que esquentam muito a superfície.

stealth radar-absorbent material  RAM
O RAM magnético é bom em baixas freqüência e o dielétrico em altas freqüências. Geralmente combinasse os dois. Um material típico da década de 80 tinha três camadas. A externa e interna eram magnéticas e refletiam e faziam interferência destrutiva, e central era dielétrica e faz reflexo interno diminuir ainda mais.

A tendência atual é desenvolver RAM mais leves, baratas e que absorvem um espectro bem grande. O RAM pode ter melhorado em 10 vezes desde o meio da década de 80. O RAM perfeito tem que mudar com o angulo de direção ao feixe radar, cobrir grande banda, ser fino, durável e barato. O RAM pode causar problemas de peso, espaço e manutenção, não sendo bom para cosias pequenas como mísseis ou quando há problemas com custos de manutenção e compra.

O RAM do F-117 parece neopreme coberto com ferrite em uma matriz de polímeros sintéticos. Parece uma folha de lino de 240x60cm chamada BX 210 só que mais pesada. É colada a mão no metal com a mesma forma da estrutura. Pode ter forma igual a face onde será colada. Custa US$750mil só para aplicar. As falhas eram freqüentes e tinham que ser seladas com RAP. O processo é caro e tóxico.

O RAM BX144 foi desenvolvido para ser coberto automaticamente com auxílio de um robô. O processo diminuiu em 20 a 50% a manutenção e tem uma disponibilidade de 80%. Pesa 0,63kg/m2 contra 4,89kg/m2 do modelo anterior. O F-117 levava 900kg de RAM antes de receber a nova camada. O F-117 tinha sete configurações de RAM e após o ano 2000 passou a ter apenas uma configuração com o novo RAM.

O bombardeiro furtivo B-2A levava 2 toneladas de RAM que também cobre os radares de baixa freqüências. O  RAM é coberto com fitas entre as falhas, cerca de 1km, e tinha que ser refeito a cada vôo.

Em 2004, a frota de 21 aeronaves B-2A recebeu uma nova cobertura no programa Advanced High-Frequency Material (AHFM). O AHFM é mais fácil de manter e emprega robôs para aplicar o RAM com spray. O peso total diminuiu para 1.562kg. Serão modernizadas três aeronaves por ano com o último pronto em 2011. A nova cobertura é 80% mais rápido para ser aplicada e diminui a manutenção total em 50%. A disponibilidade geral a em 8%.

Uma característica do projeto furtivo é que não é preciso usar RAM em todas as partes. O RAM e o RAS podem ser concentradas em aberturas e bordas. As portas também são projetadas para sobrepor a estrutura principal para que não haja nenhuma mudança no RCS se a estrutura entortar durante o vôo. A chanfragem das bordas das estruturas de controle, visíveis no F-117 e F-22, eliminam qualquer mudança de RCS devido a pequena amplitude dos comandos de movimentos de controle contínuos comandados pelo sistema FBW.

O F-22A não tem RAM em toda a aeronave sendo usado seletivamente em bordas, cavidades e superfícies descontinuas. Os novos computadores tornaram possível modelar o efeito do RAM com maior precisão. As bordas são de estrutura abosorvente de radar (RAS) de banda alta com colméia interna. O RAM de cerâmica é usada nos exaustores. Ainda assim, o F-22 tem um RCS suficiente para reduzir o alcance de detecção por um fator de 10 em relação a um caça convencional.

O RAM de circuito análogo é um tipo de RAM com padrão geométrico em várias camadas de material dielétrico que substitui a parte resistiva do RAM. Pode ser usado para substituir a cobertura metálica dos canopis. Ao invés de refletir passa a absorver.

stealth radar-absorbent material RAM analog
Pintando padrões geométricos condutivo em um material, é possível criar um circuito análogo, mas são direcionados para uma determinada freqüência.


Estruturas Absorventes de Radar

As estruturas absorventes radar (Radar Asborbent Structure - RAS) combina RAM com material transparente ao radar. O RAS de banda larga usados nas quinas das aeronaves furtivas são como um sistema estéreo com um alto-falante e um alto-falante para baixa freqüência. O alto-falante é o absorvente ferromagnético aplicado sobre a camada resistente que reflete altas freqüências mas permite que as de baixa freqüência passem. Abaixo desta camada resistiva tem o alto-falante de baixa freqüência que é uma colméia de fibra de vidro tratada de frente para as trás com material de resistência cada vez maior usada como absorvente de pulsos eletromagnéticos. É muito macio na frente mas ainda absorve muita energia dentro pois não permite que a energia atinja a face frontal da estrutura. O RAS apresenta propriedades físicas (rigidez, leveza e resistência térmica) que lhes permitem tomar o lugar dos metais.

Plásticos dielétricos bem duros foram desenvolvidos para aumentar a durabilidade. É possível bater com uma tábua de madeira na borda de ataque do F-117. A tábua terá um dente sem danificar a borda de ataque. Em áreas de alta temperaturas são usados RAM e RAS de matriz de cerâmica.

stealth radar-absorbent material RAM
Esquema de um RAS.

stealth radar-absorbent material RAM
Técnica de uso de RAM para cobrir falhas na estrutura.

O RAP (Radar Asborbent Paint) - tinta absorvente de radar - é uma tinta de ferrite também chamada de tinta de bolas de ferro. Parece ser uma cobertura baseada em poliuretano que pode ser pulverizada com espessura variada e funciona como uma cola elétrica entre painéis adjacentes. A onda de radar que atinge tinta, induz um campo magnético com os elementos da tinta, o campo muda de polaridade e dissipa a energia elétrica do pulso de radar em forma de calor ao invés de refletir.

A RAP é muito susceptível a corrosão galvânica por ser um material de ferro que estão todos sujeitos a oxidação e por isso o uso em aeronaves embarcadas e navios leva a maior necessidade de manutenção.

A RAP também pode ser feita de milhões de fibras em orientação randômica. As fibras trabalham melhor se tiveram 1/4 do comprimento de onda em relação a freqüência da ameaça, por isso são escolhidos vários tamanhos de fibras para agirem em vários comprimentos de onda. Como as ondas de radar têm comprimento de onda da ordem de centímetros, a cobertura pode ser mais fina que a maioria das tintas.  No F-117, o último item checado antes do vôo é se RAP secou. Ele sela o canopy e paiol de bombas. Pintura RAP foi desenvolvido pelos japoneses e usado no U-2, SR-71 e F-117, mas tinha capacidade limitada.

Material composto não reflete, mas não quer dizer que é furtivo. O DeHavilland Mosquito era feito de madeira, mas não é considerado uma aeronave furtiva. As ondas de radar passavam pela madeira e via as partes metálicas internas como os motores, mas ainda sim tinha um RCS menor que outros bombardeiros, mas não significativo. Sua capacidade de sobrevivência vinha do alto desempenho. As aeronaves furtivas usam tinta metálica no material composto para não ver internamente.

Os Compostos de Fibra de Carbono (CFC) tem sido empregados por algum tempo para aumentar a resistência/peso e espessura/peso da fuselagem. Os benefícios podem conter o aumento do peso devido ao controle de assinatura. Porém, os CFC não tem as junções disponíveis em estruturas metálicas o que leva a danos da superfície e arranhões. Este efeito é inaceitável em tanques integrais das asas.

Compostos não metálicos de baixo peso como o CFC são polímeros reforçados que permitem as ondas de radar passarem por eles com mínima reflexão e podem ser usadas na fuselagem. As superfícies de controle de vôo podem ser feitas de colméia que refletem as ondas de radar ao invés de retorna-las ao radar. Componentes de metal como o motor, que produz reflexões de radar significativas, podem ser cobertas com sanduíche de metal e plástico cujas camadas são espaçadas de forma a criar reflexões permanentes (armadilhas de triângulos), anulando qualquer reflexão de radar.

O RAM não substitui um bom projeto e nem podem transformar uma aeronave convencional em furtiva (VLO), mas é bom para suprimir reflexõs de canto ou alinhar cavidades. O RAM chinês SM-07 usado em blindados diminui reflexo na banda de 2 a 18 GHz em -15dB diminuindo o alcance de detecção em mais da metade. Se considerar uma aeronave como sendo uma bola de bilhar em uma mesa de bilhar, a técnica da forma é fazer a bola refletir para longe do jogador inclinando a borda da mesa. O RAM é uma borracha que dá amortecimento adicional.

stealth Reinforced Carbon-Carbon RCC
O Reinforced Carbon-Carbon (RCC) são usados com proteção térmica nos ônibus espacial e podem ser usado para diminuir O RCS dos exaustores como no caso do F-22.

Em 2003 foi anunciado que o CTA está desenvolvendo tecnologia de materiais absorvedores de radiação eletromagnética (MARE) com materiais à base de ferritas (óxido de ferro), partículas de carbono e polímeros condutores, que são utilizados na preparação de tintas, borrachas, compósitos com fibras de carbono e absorvedores híbridos. Foi testado no AT-26 Xavante. O projeto MARE já absorveu R$2 milhões em investimentos. Os materiais absorvedores de radiação eletromagnética possuem aplicações nas faixas de freqüência de 30 MHz a 100 GHz. O MARE do CTA é efetiva acima de 2GHz e não impede detecção por radares de 500MHz mais antigos. Mesmo assim é eficaz contra 80-90% dos radares atuais que operam geralmente de 8 a 12 GHZ (Banda I/J da OTAN). O MARE pode diminuir o RCS em até 10dB por metro quadrado ou o suficiente para dividir pela metade o alcance de detecção.

SigMA Signature Management
Uma maquete de um F-35 em um SigMA (Signature Management). O equipamento de diagnóstico é uma outra face do apoio a tecnologia furtiva. O B-2 usa o Common Low Observables Verification System (CLOVerS). O equipamento se move ao redor da aeronave para medir o RCS e detectar problemas. O B-2 pode voar com sua capacidade furtiva danificada de acordo com a ameaça.

Cancelamento Ativo

As técnicas citadas anteriormente eram técnica passivas para diminuir o RCS de uma aeronave. Uma técnica ativa é o cancelamento ativo. Está técnica é teoricamente simples de entender com o sinal que atinge o alvo sendo armazenada pelos sensores que medem a freqüência, forma da onda, intensidade e direção do sinal. Um transmissor reenvia o sinal com um nível de potencia apropriado, com metade do comprimento de onda e fora de fase com o eco original. O resultado é a anulação da onda de radar ou superposição das onda e o sinal de returno fora de fase poderá se parecer com o ruído de fundo.

É um complemento as técnicas passivas e seu uso se concentra em uma direção conhecida para não  revelar a posição da aeronave ao emitir indiscriminadamente.

Apesar de ser simples de entender é muito difícil de implementar. O problema é que o feixe de radar inimigo será refletido em vários locais na aeronave e cada local irá ter um reflexo individual e único, com amplitude e fase que depende do angulo de incidência, material e forma geométrica do alvo. Os retornos principais podem ser alvos principais do cancelamento ativo.

Um sistema de cancelamento ativado precisa de um software que deve prever como será o reflexo, e criar um sinal de cancelamento adequado. É muito difícil na pratica, mas não precisa ser 100% perfeita para ser útil.

Os franceses anunciavam que o Rafale usava cancelamento ativo, mas em 2005 anunciaram que esta capacidade foi cancelada. Os russos também podem estar usando nos protótipos do Su-47 e Mig 1.44 visto que não usam técnicas da forma. O B-2 talvez use no sistema de defesa Northrop Grumman ZSR-63. É sabido que a US Navy testou técnicas de cancelamento ativo em um F-15B em 1991.

Outra forma de furtividade ativa é o uso de plasma ou gás ionizado como anunciado pelos russos. A energia do radar não penetra no plasma e nem é refletida. O sistema russo pesa cerca de 100kg e gasta 1-10kW de energia sendo instalado em pontos chaves da aeronave. Os russos citam que diminui em 100 vezes o RCS. O problema é que o plasma emite muito no espectro infravermelho e não respeita um dos princípios da furtividade que é o balanceamento de assinatura. A aeronave poderá ser facilmente detectada pelos sensores IR. Por outro lado pode ser útil temporariamente contra mísseis.

Próxima parte: Assinatura Térmica

Atualizado em 15 de Outubro de 2005


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