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 banda 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 meio de detectar uma aeronave voando 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 servem para acompanhar pois não dá indicação de velocidade, direção e distancia.

Os sistemas IR operam entre 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.

stealth
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.

stealth flare
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 o exaustor é útil mas diminui a eficiência motor por desviar energia no processo. Isto é usado em helicópteros. Direcionar 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 escondia 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.

stealth infrared
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. Potencia não é importante para aeronave de ataque e bombardeiro. A forma também ajuda a esconder o reflexo de radar.

stealth
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.

stealth yf-23
O YF-23 usava bocal bidimensional e mascaramento da parte inferior do escape. 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.

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 bainha do motor. Uma cooperação intensa entre os construtores de motor e estrutura nos estágios iniciais do projeto é bastante importante. Resfriar a cobertura do motor ou isolar 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 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 é a 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 normais. 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/A-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.

stealth asraam
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.

B-2 IRST
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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