Balanceamento de Assinatura
Um dos princípios básico da
furtividade é o
balanceamento de assinatura.
Uma plataforma deve ser detectada na mesma distância em todo
espectro de
assinaturas, seja radar, infravermelho, visual e acústico. Se o
alcance de
detecção em uma especto é muito maior que a outra,
essa assinatura compromete a furtividade se o inimigo apontar vários sensores ao mesmo tempo.
Uma aeronave furtiva só deve ser detectada pelo radar a menos de
10-20km. Nesta
distância, o alcance visual e IR passam a ser importantes, ou em
todo espectro.
As outras assinaturas precisam ser balanceadas para evitar que o
inimigo
detecte a aeronave antes de entrar no alcance do radar. Ter uma
distância de
detecção muito curta em uma banda pode se tornar uma
perda de esforço e
dinheiro se a aeronave vai ser detectada por outra fonte.
Assinatura
Infravermelha
Outra forma de detectar uma
aeronave
é medindo o calor que irradia. Os sensores térmicos, ou infravermelhos
(infra-red - IR), das cabeças de busca dos mísseis e dos
sensores IR (FLIR)
podem olhar o contraste entre as partes quentes da fuselagem como o
escape da
turbina e superfícies sujeitas a calor cinético e
comparar o contraste com a
radiação de fundo (ar frio ao redor). O ideal é
que a aeronave e o jato da turbina tenham
a mesma temperatura do ambiente ao redor o que é
impossível.
Todo objeto emite um padrão de calor. A principal fonte de calor
das aeronaves
é o calor do motor e o calor emitido pela fuselagem e
aviônicos. Outras
fontes são a fricção do ar e, a curta
distância, a radiação solar
refletida passa a ser detectada. Os sensores térmicos são
passivos e não podem
ser detectados como as ondas de radar. Os mísseis guiados por IR
e as espoletas
IR atuam no engajamento final. Por outro lado, os sensores IR não
são bons para
acompanhar um alvo por não fornecerem indicação de
velocidade, direção e distância.
Os sistemas IR operam na faixa de freqüência de 8-13 microns pois é a
maior banda IR
transparente na atmosfera. No exaustor do motor, o dióxido de
carbono produz a
maior parte da assinatura IR a 4,2 microns e os modernos sensores IR
podem
"ver" em dois comprimentos de ondas diferentes (médio 2-5
microns e
longo 8-14 microns) para produzir uma boa discriminação
de alvo.
O ar tem baixa emissividade e o carbono tem alta emissividade. O vapor
absorve em algumas bandas. O CO2 e vapor d’água da atmosfera
absorvem a
radiação IR muito rápido.
Um gráfico da
energia IR emitida X comprimento de onda e temperatura mostra que
a temperatura é o fator mais importante na detectabilidade IR. A
furtividade
precisa de resfriamento ou mascaramento das partes quentes. A equação
geral para
radiação emitida varia com o produto da emissividade
e temperatura a quarta potência. Contudo, isto é muito
simplificado pois não
conta a freqüência de mudança de
radiação com a temperatura. Na variação da
freqüência, a dependência exponencial será
tipicamente próxima de oito ao invés
de quatro, e como uma freqüência particular corresponde a um
detector
específico, a radiação será proporcional ao
produto da emissividade e
temperatura a oitava potencia. Uma pequena redução da
temperatura tem
grande efeito em relação a redução
antecipada da emissividade pois tem grande
dependência exponencial.
Como a assinatura
térmica de um flare e uma aeronave real se parecem
num visor térmico. Esconder de visores de imagens térmica
é mais difícil que
evadir o radar pois a camuflagem tem que ter o mesmo padrão de
temperatura do
ambiente ao redor.
Calor
do Motor
Aeronaves
de combate precisam de agilidade e
velocidade o que resulta em um motor potente que produz muito calor. A
assinatura IR do centro do motor com o da exaustão do motor
é a maior de todas
e é diminuída pelo uso controlado do
pós-combustor, bypass e escapes
bidimensionais.
Evitar
o uso do pós-combustor (PC) é o
primeiro passo para diminuir a assinatura IR. O PC aumenta a
emissão em até 50
vezes. O calor do jato equivale a 10% da emissão IR, ou menos
com uso de um
turbofan. A primeira geração de aeronaves furtivas como
F-117 e B-2 não tinha
pós-combustor.
Refrigerar
os gases do motor é uma técnica, mas vai precisar gastar uma parte da potência
do motor. Os helicópteros costumam usar supressores de calor aponto dos gases
ficarem a uma temperatura que possibilita colocar a mão sem se queimar.
Direcionar o calor irá
esconder os jatos quentes, mas irá aquecer o metal e competir
pela energia para
refrigerar.
Outro
método de diminuir a assinatura IR é
o mascaramento. O jato do motor tem 1000 graus C no turbojato e 1300
graus
C nos centro do turbofan, mas apenas quando vistos diretamente por
trás. O calor
interno do motor é visto em um cone estreito por trás e
pode ser escondido
pela fuselagem ou cauda. Fora deste cone são mais
difíceis de ver. O PC
aumenta a temperatura do jato para 1.800 graus C e é facilmente
visível em quase todas as direções.
O
mascaramento é fácil de aplicar quando a
maior parte da potência é dissipada pela turbina, como em
um turboélice ou
helicóptero, em relação a um jato que dá a
propulsão básica. O F-117 e B-2 usam
o mascaramento para evitar que partes quentes sejam visíveis no
hemisfério
inferior.
Cancelar
a radiação diretamente com
estrutura é pesado e custoso. O A-10
Thunderbolt II usa está técnica com cauda e
estabilizadores escondendo o
exaustor que só fica visível por trás e
não por baixo e pelos lados. Isto
dificulta a detecção e ataque por sensores IR.
O ideal é
projetar escapes bidimensionais que
criam um exaustor plano com perímetro maior que um exaustor
circular para
facilitar a mistura do ar quente com o ar frio da atmosfera.
Porém isto tem um
preço. A tubeira chata do F-117 faz perder até 15% da
potência em
relação as tubeiras arredondadas, mas a potência não
é importante para uma aeronave de
ataque ou bombardeiro. A forma achatada também facilita esconder o reflexo
de radar do escape.
Um escape de gases
plano é mais
eficiente para misturar rapidamente o ar quente que escapa dos motores
com o ar
frio devido a área de contato maior entre os dois e fornece uma
forma menos
visível para os sensores térmicos. O bocal de saída
da turbina
também pode ser projetado para ajudar na redução
IR. Os escapes do F-117 tem
uma grelha na saída que direciona o fluxo na forma de um leque
horizontal, este
fluxo “horizontalizado” se mistura com o ar turbulento a bordo de fuga
da
asa trocando calor rapidamente com este ar exterior frio.
O YF-23 usava bocal
bidimensional e mascaramento da parte
inferior do escape. O formato permite mascarar a maior parte do motor quando
visto por trás e por baixo de modo que só será detectado por um sensor IR no
solo quando já estiver bem fora do alcance. A técnica funciona até para caças na
mesma altura se a aeronave mergulhar. O F/A-22 usa bocal bidimensional, mas o vetoramento
do
empuxo impediu o uso do mascaramento. O resultado foi uma aeronave mais
ágil.
Uma
boa maneira de diminuir a assinatura IR é manter o fluxo de
saída o mais frio
possível e isto é feito com um bypass de ar na turbina
onde o ar frio
bombeado pelo fan forma um duto imaginário no qual o ar quente
da turbina passa
pelo meio, a troca por convecção e acaba por esfriar o ar
quente do centro do
duto imaginário de escoamento na saída da turbina. Um problema é que uma razão
de bypass (BPR) maior
que 0,4 entra em conflito com requerimento de supercruzeiro o que
é problema
para aeronaves de caça, mas não para aeronaves de ataque
e bombardeiros.
Evitar voar muito rápido é uma técnica para
diminuir o atrito com o ar e evitar que a temperatura da fuselagem aqueça. Voar
muito alto coloca a aeronave em contato com ar muito frio e ajuda a refrigerar.
Proteção térmica nas partes que aquecem é outro recurso para diminuir a
assinatura térmica, mas gera peso extra. Suspeitasse que o F-22 bombeia
combustível refrigerado pelas bordas de ataque para diminuir a assinatura.
Pequenos Detalhes
Depois
de proteger o calor do motor é
necessário trabalhar nos pequenos detalhes. O calor emitido
pelos
aviônicos deve ser resfriado assim como a baia do motor. Uma
cooperação
intensa entre os construtores de motor e estrutura nos estágios
iniciais do
projeto é muito importante. Resfriar a cobertura do motor ou
isolamento térmico para
reduzir a temperatura da cobertura da fuselagem pode ser feita com
cobertura de
camada eletrocromica e termocromica diminuindo em 75% as
emissões IR nas bandas
de 3-5 e 8-12 microns.
O
comportamento
da atmosfera
também pode ser usado para encobrir uma emissão IR pois
existem janelas nas
quais a radiação IR é absorvida mais ou menos
facilmente. Por exemplo, em
temperaturas de 27 a 540 graus a atmosfera é muito transparente
para
comprimentos de onda IR gerados por corpos nesta temperatura, assim os
sensores
dos mísseis IR são otimizados para a faixa de 540 graus. As técnicas se concentram nestas
bandas e a redução
chega a até 10 vezes.
O
projetista de um
avião furtivo vai tomar todas as medidas para que a
emissão IR não seja
próximas as janelas de transparência e o mais
próxima possível da janela de
absorção. Para isto a turbina vai ser projetada para
queimar o combustível
em uma temperatura que gere uma emissão mais fácil de se
absorvida, e isto
é obtido mudando parâmetros como composição
do combustível e taxa de
compressão.
Como último recurso para diminuir a
emissão IR é a
mistura no último estágio da turbina de
soluções de sais ao fluxo. Estes
sais, ao tomarem contato com o fluxo quente, se evapora e este vapor
com estes
materiais tem propriedades absorventes de IR.
A emissão IR também
influência na assinatura de radar na medida
que gases quentes tem uma parcela de plasma (gás ionizado) que
é altamente
refletor, formando uma capa
refletiva na
freqüência de 5-30MHz.
Coberturas IR na fuselagem reduzem a emissão em uma
fração de 10 sem adicionar muito
peso ou atrapalhar a efetividade do RAM. Elas reduzem as
emissões do alvo (em
watts/cm2) na mesma proporção. O problema é que as
partes mais quentes de uma
aeronave, na parte traseira do motor, também são as que
mais tendem a
concentrar carbono/fuligem, que cobrem a estrutura e atrapalham o
efeito
da cobertura IR. O carbono
impregnado nos escape do motor
é um bom refletor IR.
Outra forma é diminuir a
temperatura das partes
expostas usando ar resfriado e mascarando os componentes que são
obscurecidos.
Por voar alto, o F-117 tem um lado muito frio (de baixo) e outro muito
quente (de cima).
O resto da
assinatura IR são o reflexo solar e emissões da
fricção do ar. O
próprio corpo da aeronave tem sua própria
radiação, altamente dependente da altitude e velocidade e
o jato da
turbina pode ser o fator mais significativo, particularmente em
operações com
pós-combustor. Deve-se
limitar as velocidades supersônicas para reduzir assinatura IR
devido ao calor
cinético.
Pintura
absorvente
de radiação IR são semelhante às tintas
comuns. Usam Sulfito de
zinco de baixa refletividade e protegem
toda a fuselagem. O calor de
fricção não pode ser absorvido, mas coberturas
foram
desenvolvidas para mudar a emissão de superfície, ou
seja, mudam o comprimento
de onda para uma que dissipa mais rápido na atmosfera e é
mais difícil de
detectar. Desviar
combustível para
resfriar estrutura, como o calor causado pela
fricção, já foi usado pelo o SR-71 e está
em uso no F-22.
Táticas também podem ajudar a diminuir a assinatura IR.
Um caça voando baixo e
rápido gera muita assinatura IR. A velocidade máxima deve
ser limitada. Voar
alto diminui a assinatura IR pois o ar frio resfria melhora a
superfície e os
gases do motor, além de permitir ficar fora do alcance de sensores em terra.
A fuselagem é
uma fonte calor que pode ser detectada pelos sensores dos
mísseis. Sensores de imagem modernos como o do ASRAAM vêem o calor do
motor, aviônicos e atrito com ar. A
área ao redor do motor tem que ser coberto com protetor
térmico, titânio ou
outro material resistente ao calor. Estudos mostram que entre 1975 a
1985, 90%
das aeronaves derrubadas foram por mísseis IR, ar-ar ou
superfície-ar.
Um B-2 foi rastreado
por uma bateria de mísseis SAM Rapier durante um sobrevôo
de uma feira
aérea. Obviamente era esperado e estava voando bem abaixo da
altitude
operacional.
Próxima parte:
Assinatura Visual
Atualizado
em 19
de Outubro de 2005
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