Tecnología "Stealth" (furtividad)

Furtividad: un concepto complejo

Como ya explicamos, el concepto de la furtividad aérea incluye a más elementos que la detección por radar, aunque tal vez esta sea la más importante y la que más ha costado. Es por eso que podemos dividir el concepto de furtividad en varias áreas.

 

Forma del avión

Sin duda alguna esta es la parte principal del concepto de la furtividd, particularmente al radar, y la que más desarrollo y esfuerzo técnico ha costado. La principal función de la forma en un avión furtivo es lograr que la señal del radar no regrese al aparato emisor, sino que se disperse hacia otra parte, impidiendo que el emisor reciba el eco.

El bombardero pesado inglés Vulcan, prácticamente un ala voladora, resultó ser accidentalmente furtivo al radar. Solamente lo traicionaba su cola vertical y sus materiales tradicionales, pero eso no impedía que a veces se perdiera su localización en el radar. De haberse continuado con la idea original que no incluía una cola, se podría haber logrado una mayor furtividad; sin embargo no existía en la época de su diseño un sistema computarizado lo suficientemente complejo como para hacer volar un aparato de este tipo.

Indirectamente hay que remontarse al siglo XIX, antes de que existieran siquiera los aviones. En ese entonces, el físico escocés James Maxwell desarrolló una serie de fórmulas matemáticas para predecir cómo la radiación electromagnética rebotaba y se desperdigaba al golpear una figura geométrica de ciertas características.

Con el tiempo, estas fórmulas fueron mejoradas y refinadas por un científico alemán, Arnold Johannes Sommerfield. Sin embargo, todos se topaban con problemas. Calcular las reflexiones electromagnéticas en figuras sencillas era relativamente fácil, al menos teniendo algo de tiempo. Sin embargo, el cálculo para objetos complejos resultaba prácticamente imposible sin tener computadoras; incluso si fuera técnicamente posible llevaría demasiado tiempo.

En ese tiempo llegó el radar, la Segunda Guerra Mundial y luego la Guerra Fría. Eventualmente en EEUU surgió la idea de reducir la firma radar, el RCS, de los aviones de reconocimiento como el U-2 y el SR-71, hacia finales de los 50s. Sin embargo, no existía la base científica suficientemente desarrollada como para calcular qué forma era mejor.

Este problema se solucionó indirectamente, de manera bastante irónica, con ayuda soviética. Durante la década de 1960, un científico ruso llamado Pyotr Ufimtsev comenzó a desarrollar ecuaciones tendientes a predecir el reflejo de las ondas electromagnéticas en formas en dos dimensiones. Era normal que incluso en la Guerra Fría hubiera un cierto contacto e intercambio entre científicos rusos y estadounidenses, siempre que sus trabajos no tuvieran que ver con proyectos militares o posiblemente peligrosos para la seguridad nacional. Fue así que, sin que las autoridades soviéticas se dieran cuenta, los trabajos de este científico fueron regularmente traducidos al inglés y recopilados en publicaciones científicas de EEUU.

Una década después, un grupo pequeño de científicos, matemáticos y diseñadores de aeronaves comenzaron a ver las posibilidades que se abrían al combinar sus conocimientos. Podían diseñar aviones que tuvieran una RCS menor, sin hacerlos necesariamente más pequeños. Fue así que se probaron algunas ideas en el SR-71, diseñado por la Lockheed.

Se dice que tomando los trabajos de Ufimtsev, un matemático estadounidense llamado Bill Schroeder, trabajando para la Lockheed, desarrolló un programa de computadora que hacía posible predecir la RCS de un avión. De allí a lo que venía, había poco camino. Luego de un tiempo de estudio, Schroeder diseñó un avión cuya forma exterior estuviera formada por polígonos facetados, que funcionaron como espejos pero reflejando las ondas del radar lejos del aparato emisor. Esto llevó directamente al F-117

No hay que olvidar, sin embargo, que la posibilidad de reducir la firma radar ya estaba en la teoría apenas se creó el radar, y que de hecho se fue acumulando mucha información de manera más o menos fortuita. De uno y otro lado, cada tanto surgían aviones que demostraban aciertos o errores (generalmente insospechados) en cuestiones de furtividad. Y los diseñadores y científicos notaban esto, para bien o para mal de sus siguientes diseños.

Se puede mencionar así al bombardero pesado inglés Vulcan, el cual fuera diseñado primordialmente como un ala voladora. El proyecto final, más conservador, incluyó una gran cola vertical, pero eso no impedía que fuera difícil de detectar, teniendo una baja RCS para su tamaño gracias a sus enormes alas casi curvas y a su estilizado diseño. No eran pocas las veces en las que, en determinadas condiciones, desaparecía del radar completamente.

En el otro lado del espectro, aviones como el Tu-95 soviético, apodado Bear por la OTAN, era como una antorcha en la oscuridad en términos de radar. No solamente por su tamaño enorme, sino porque sus cuatro pares de hélices contrarrotatorias (de 5,6 metros de diámetro) eran como espejos, reflejando y posiblemente amplificando la señal del radar.

De estos dos casos se aprendieron grandes lecciones sobre el diseño de aeronaves furtivas al radar, y de muchas otras experiencias más o menos positivas.

El YF-23 Black Widow, contendiente del Raptor, es un clarísimo ejemplo de la combinación de elementos furtivos. Su forma de diamante volador, combinando numerosas formas triangulares, particularmente en la cola, con las sutiles curvas de la nariz y los motores empotrados por encima del fuselaje. Incluso la forma de las alas son triángulos con la punta recortada; no se puede encontrar ningún ángulo particularmente agudo. La cola, dividida en dos superficies de control inclinadas hacia afuera, completa el efecto.

En primer lugar, se descubrió que la cola de los aviones era la principal fuente de reflejo en casi todos los casos. Esto se debe a que las figuras que mejor devuelven el radar son las formadas muy sobresalientes y los ángulos agudos, lo cual sucede especialmente en la cola, donde se insertan las superficies de control. La gran mayoría de los aviones de esa época tenían una sola gran superficie vertical de control, y en los bombarderos por su tamaño esta debía ser mayor; no es de extrañar entonces que fueran muy visibles en el radar.

Esto hizo que muchos aviones tuvieran colas muy diferentes. Por ejemplo, ya el SR-71 no tiene una sola cola, sino más bien dos aletas, montadas sobre los motores, ligeramente inclinadas hacia adentro. El F-117 y su famosa cola de mariposa es similar, solo que las dos aletas están inclinadas afuera y en un ángulo mucho mayor. El B-2, al igual que el diseño original del Vulcan, sencillamente no tiene cola.

Esta característica se aprecia también desde hace tiempo en aviones no pensados para ser furtivos, como el F-18, con doble deriva inclinada. Incluso se ha llegado al rediseño de aviones ya existentes, como la versión iraní del F-5, copiada sin licencia, que tiene una cola doble con planos inclinados hacia afuera.

En el caso de la cola y todas las superficies que pudieran tener ángulos agudos, el rediseño es importante para lograr la furtividad. Esto hace que se abandonen a veces ciertos diseños de superficies de control no solamente en la cola: los canards permiten ganar en maniobrabilidad pero también aumentan, según se dice, el RCS.

Como en el caso del Bear, se descubrió que las hélices, al rotar rápidamente, reflejan particularmente bien las ondas del radar. Esto se aplica no solamente a los aviones de pistón, sino también a los reactores, que incluyen hélices dentro del mecanismo. La solución más directa es empotrar los motores dentro del fuselaje del avión, protegiendo las entradas de aire de varias maneras. El F-117 usa una serie de rejillas que filtran las ondas y las absorven; otros modelos tienen vértices o bordes especiales que impiden que la señal entre o salga.

Finalmente, una parte más sutil, menos visible pero igualmente importante del diseño furtivo es la alineación de las superficies. Esto es, que la mayoría de las superficies tengan orientaciones y ángulos similares, paralelos, en lugar de ángulos diferenciados. El ejemplo más claro es el del F-22, cuyas superficies de control en las alas y la cola mantienen el mismo ángulo, en planos paralelos. Esta parte del diseño está allí para lograr un efecto particular: hacer que la onda del radar se aleje en una sola dirección en lugar de desperdigarse hacia diferentes lugares, pudiendo alertar a otros radares.

El uso de triángulos es bastante característico de los aviones furtivos. En la mayoría de los diseños, se utilizan bordes serrados en lugares críticos como las entradas de aire de los motores, las alas, las puertas de las bahías de carga, etc. Esto es más que visible en cualquier fotografía de los aviones mencionados previamente. Estos triángulos, más o menos pequeños, están hechos de manera que la onda, al ingresar, sea dirigida hacia el interior, de manera de rebotar en sus lados y salir, disminuida, hacia otra parte en lugar de volver al aparato emisor.

La curiosa forma del F-117 está pensada para dispersar las ondas de radar en diferentes direcciones.

Con respecto al F-117, tal vez el avión que más utiliza este recurso, se dice que esto se debe a que en la época de su diseño las computadoras y sistemas matemáticos no podían calcular formas furtivas curvas. De manera que los diseñadores fueron ensamblando modelos matemáticos lineales, lo cual dio como resultado la forma tan extraña del aparato. En el B-2, más avanzado y diseñado con otra tecnología, sobran las curvas, dando lugar a un diseño mucho más aerodinámico. Las curvas aparecen, combinadas con los triángulos, en otros aparatos como el F-22 o el YF-23.

Este es, sin duda, el principal problema de crear aviones furtivos muy especializados: la falta de aerodinamia. No por nada lo llamaron "el diamante sin esperanza": el F-117 tiene un pobre desempeño y su forma está lejos de ser práctica para el vuelo. De no ser por su costoso sistema de navegación por computadoras, el aparato no levantaría vuelo, y en el aire caería rápidamente. A diferencia de otros aviones, que pueden planear un poco o mantenerse en el aire con falta de potencia o incluso sin motores, esto es mucho más difícil para estos diseños. El eliminar la cola en el caso del B-2 es otro ejemplo claro: sin computadoras, las primeras alas voladoras tenían graves problemas de estabilidad, y fue así que el Vulcan consiguió su cola.

Obviamente, las computadoras de control están duplicadas o triplicadas por razones de seguridad, pero esto agrega costo y peso a los aparatos furtivos.

 



 

Estructura

Algo muy relacionado con la forma del avión, pero que incluye aspectos diferentes, es la estructura general del diseño. Particularmente, cómo y donde se van a almacenar las armas.

De podo serviría diseñar un avión furtivo con mucho cuidado, si luego se colgaran de sus alas todo tipo de armamento no furtivo, hecho de metales y con formas que reflejarían las ondas del radar. Es por eso que todos los aviones furtivos especializados, y también muchos de los no tan especializados, tienen una bahía interna de bombas.

Esto es particularmente visible en el el F-117 y el B-2, para los cuales es imposible cargar armamento, sensores o cualquier otra cosa debajo o en la punta de las alas. Otros diseños furtivos no especializados, como el F-22 y el F-35, tienen una bahía de carga interna, pero pueden cargar opcionalmente ciertos tipos de armamentos bajo las alas, si fuera estrictamente necesario. Sin embargo se trataría de casos muy especiales.

El F-22, como otros aviones de reciente diseño, poseen bahías de carga interna para su armamento, y no pueden llevar cargas externas normalmente. En esta fotografía podemos ver el lanzamiento de un misil desde su interior.

Indirectamente esto puede traer algunos problemas menores. Por ejemplo, se hace difícil llevar tanques de combustible desechables sin reducir la carga de armas. También puede suceder que el tamaño de la bahía de carga sea amplio pero no lo suficiente; es posible que el avión pueda cargar una cantidad menor de armamento y accesorios de la que teóricamente podría llevar bajo sus alas y el fuselaje. Sin embargo estos problemas son relativamente fáciles de solucionar: el abastecimiento en vuelo es la respuesta al primero. Con respecto a la falta de espacio, ya se están diseñando sistemas de armas más pequeños para el caso del F-22, o cual incrementa la capacidad del aparato.

Otro factor importante es la creación de una estructura interna que capture las ondas, haciendo que reboten de manera interna, sin amplificarse, sino justamente debilitándose. Esto se logra creando triángulos de cierto tipo, como en un juego de espejos. Si uno ve el SR-71, le sorprenden sus formas redondeadas, las cuales no solamente son por cuestiones aerodinámicas sino también furtivas; sin embargo, por dentro la estructura es básicamente triangular.

 

Materiales

Muchos materiales se utilizaron la historia aeronáutica, y siempre existió la idea de hacer poco visible a los aparatos. Hechos de madera, tela y alambre, los primeros eran lentos y grandes; no es de extrañar que algunos hayan pensado en pasarse a materiales exóticos para la época, como el papel celofán. Lamentablemente, la idea de este ignoto diseñador de la época no funcionó, ya que el celofán, aunque sea transparente, es muy brillante y la luz del sol lo hacía particularmente visible a largas distancias.

Sin embargo, la creación del radar llevó a pensar en materiales invisibles para otros tipos de ondas: las electromagnéticas. En este sentido, el aparato más interesante y furtivo de la época fue el bimotor Mosquito, de origen inglés, cuyo fuselaje estaba totalmente hecho de madera. A excepción de los motores y otros elementos de metal, como las hélices, este material reflejaba menos las ondas del radar, y absorvía o dejaba pasar el resto. Esto lo hacía menos visible en las pantallas del radar, mientras su velocidad y maniobrabilidad hacían el resto.

Una de las formas primordiales de evitar el reflejo del radar era encontrar materiales que ni los reflejaran, pero que tampoco los dejaran seguir su camino. Los metales por su naturaleza eran particularmente buenos reflejando las ondas de radio. Muchos materiales sintéticos como el kevlar y la fibra de vidrio eran en cambio como cristales: dejaban pasar las ondas del radar sin alterar su naturaleza. Sin embargo, esto no llevaba a ninguna parte: un avión recubierto de estos materiales o con su fuselaje hecho a partir de materiales plásticos seguiría necesitando grandes piezas de metales en su interior (motores, controles, computadoras, etc.). De manera que eso tenía poca utilidad.

El caso del Mosquito fue el primer uso de la tecnología de materiales absorventes del radar, aunque era solamente un tibio comienzo. Con el tiempo, los aviones fueron incluyendo aleaciones de metal que eran más ligeras, resistentes y que también tenían menor incidencia sobre el radar. Luego los materiales plásticos fueron tomando la posta; sin embargo, hacía falta un material especializado, que es el que se usa actualmente.

El RAM (Radar Absorving Material, o Material Absorvente del Radar) fue la respuesta. En forma de pintura negra, se comenzó a estudiar y aplicar en el SR-71. A partir de entonces los militares estadounidenses continuaron desarrollando más y mejores materiales de este tipo. Desarrollado en total secreto, este material fue y es una de las incógnitas mejor guardadas de la tecnología aérea estadounidense.

Las primeras versiones del F-117 estaban cubiertas con lozas de un material similar al neoprene, que tenían granos minúsculos de ferrita incrustados en la matriz del polímero. Sin embargo, los más avanzados materiales absorventes del radar son aplicados como si fuera pintura, particularmente en los bordes de las superficies de metal. Este tipo de pintura debe ser manipulada por robots, ya que se descubrió que era altamente tóxica; además debe ser aplicada con una precisión muy alta, que se asegura al ser utilizado un aparato mecánico fácilmente calibrable. Particularmente importante es el ancho de la capa de pintura, cuyo grado de error debe ser mínimo. Al igual que con los chaff, esto es así porque esta distancia está relacionada con la frecuencia de radar que se desea evitar.

Un tipo de RAM utilizado ya por SR-71 el se llama pintura de bolas de hierro, debido a que contiene pequeñísimas esferas de ferrita, un mineral de hierro. Por las leyes de la termodinámica, ninguna energía puede desaparecer: las ondas de radio son una forma de energía. Lo que hace este tipo de material es absorver estas ondas, las cuales al chocar con la estructura altamente magnética de ferrita, se convierte en calor. Más que absorver solamente, lo que hace el RAM es convertir las ondas del radar en algo diferente; esta pequeña cantidad de calor se pierde en el aire.

El RAM, que suele ser negro, puede aplicarse en todas las superficies externas del avión, excepto en la cabina. En este caso, el proceso es similar: el cristal es recubierto de una fínísima capa transparente de un material conductor, que puede ser oro o algún óxido especial. Esta capa es tan delgada que no tiene ningún efecto sobre la visión del piloto, y se aplica utilizando avanzados sistemas de vaporización.

Los cristales de la cabina deben hacerse absorventes del radar por una simple cuestión: si las ondas de radar entraran a la cabina, rebotarían de maneras imprevicible en las superficies metálicas del interior. Esto daría una posibilidad de que el radar pudiera detectar el avón; incluso aunque esa posibilidad sea remota, debe reducirse lo más posible.

El RAM es caro; no es curioso que los materiales plásticos haya sido y sigan siendo los principales materiales para evitar el radar. En la década de 1950, el U-2 y el SR-71 inauguraron la era de aviones que empleaban paneles de plástico en forma de colmenas en el interior de las alas, para hacerlas más livianas y no reflejar el radar. En la actualidad, muchos aviones no furtivos como el Typhoon europeo emplean materiales compuestos en la cola, los canards o las alas, principales lugares donde, de otra manera, rebotaría el radar. Esto ayuda a reducir la RCS notablemente.

 

Obsérvese la cuidada disposición de los planos de control traseros en el Raptor: las aletas que conforman la cola tienen formas poligonales con ángulos obtusos, y no hay ninguna punta que sobresalga. Puede observarse también el esquema de camuflaje con dos tonos de grises.

Emisiones

Los aviones tienen dos grandes tipos de emisiones: de calor, por parte de sus motores, y de emisiones de radio, de parte de sus sistemas de comunicaciones y sus propios radares activos. De manera que también es importante reducirlas para mejorar su furtividad.

Las emisiones de calor han sido enmascaradas desde que se han inventado los sistemas infrarrojos, hacia mediados del siglo XX. Es por eso que se conocen muchas formas de reducir la denominada firma infrarroja, fácilmente visible con los adecuados sensores. Muchas de estas opciones pueden y son utilizadas simultáneamente en ciertos aviones, desde hace un tiempo, pero los furtivos son los que más las utilizan.

Estos sistemas inyectan aire frío directamente en el escape, antes de que salga del avión, para reducir previamente la temperatura de los gases de la combustión. Otra opción es montar los motores y las toberas encima de las alas, como sucede en el B-2: visto desde abajo, ningún sistema infrarrojo o visual podrá detectar los gases salir de la tobera caliente. También es posible hacer correr algun tipo de enfriador, principalmente combustible, dentro de los conductos del sistema.

Una forma, relativamente nueva y poco utilizada anteriormente, es utilizar toberas no circulares, con forma rectangular. Esto maximiza la mezcla rápida entre los gases calientes y el aire frío. Además, está indirectamente relacionado con el uso de toberas en 2D, que se están usando en aparatos muy novedosos como el F-22. Sin embargo, como puede verse, este sistema se usa en otros aparatos furtivos.

Un dato a tener en cuenta es que los gases de la combustión, al estar ionizados, pueden llegar a silbar en el espectro electromagnético. Un caso particularmente curioso es el del SR-71, con una enorme cola de gases supercalentados, que cantaba su posición incluso en radares pasivos. Un truco más complicado para contrarrestar esto es lograr que los gases se calienten hasta cierto punto, llegando a una temperatura en la cual la ionización cree ondas electromagnéticas fácilmente absorvibles por el dióxido de carbono y el vapor de agua, presentes en el aire.

En cuanto a las emisiones electromagnéticas, los aviones furtivos tienen sistemas de detección principalmente pasivos, que no emiten nada, sino que "escuchan" los radares enemigos. Los sistemas laser y de visión infraroja son vitales para el éxito de la misión con los B-2 y los F-117, al igual que los sistemas de televisión de baja luminosidad.

Con respecto a las emisiones sonoras, no son un gran problema. Los aviones furtivos especializados, por cuestiones aerodinámicas generalmente, no tienen capacidad supersónica, de manera que no pueden crear un boom sónico al cruzar la barrera del sonido. De todas maneras es un apartado que se tiene en cuenta en el diseño.

 

Visibilidad

Para evitar su detección visual, los aparatos furtivos al radar usan el camuflaje óptico más antiguo de mundo: la oscuridad. Pintados uniformemente de negro, como hacían antes los cazas nocturnos de la Segunda Guerra Mundial, atacan solamente de noche, cuando el cielo está tan oscuro como ellos. Es esa la razón por la cual nunca llevan camuflaje de otros colores, ni insignias fácilmente visibles.

Este truco ya estaba presente en el SR-71. Se identificaba a estos aparatos con la oscuridad y es cierto que estaban diseñados específicamente para los ataques nocturnos. Sin embargo, con el tiempo, la necesidad de seguir ampliando el uso de la furtividad a otros aparatos hizo que se desarrollaran otras opciones.

El interés de la USAF en tener aviones furtivos diurnos, como el Raptor, llevó al desarrollo de esquemas disruptivos de pintura, algo que no sucedía ya que desde hace tiempo los aviones estadounidenses vuelan totalmente pintados de un solo tono de gris (o como mucho, dos tonos muy similares).

A pesar de la pintura negra, de noche es posible detectar visualmente a un avión: con buena luz de luna o con cierto tipo de nubes, éste se hace visible. Una experiencia reveladora tuvo lugar en este sentido durante la primera noche de la Guerra del Golfo de 1991: un Mirage F1 iraquí estuvo a punto de descubrir a un F-117 (si es que no lo hizo) cuando el avión «invisible» apareció sobre una capa de nubes claras. El piloto estadounidense, sin embargo, logró evadirse rápidamente sin llamar demasiado la atención.

Esta experiencia en combate recolectada tanto por el B-2 como por el F-117 ha demostrado la importancia de planear las misiones teniendo en cuenta las altitudes en las cuales pueden formarse nubes claras que puedan develar la silueta de estos aviones.

 

 

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