Detectar sin ser detectado... esa es la clave

Cuando cursé mis estudios militares de especialización, elegí los relacionados con el armamento. Era lo que por aquel entonces se conocía con el nombre genérico de armero-artificiero. En otras épocas el título que ofrecía el Ejercito del Aire era muy rimbombante: Armero artificiero, ametrallador-bombardero, químico-polvorista y con ciertos conocimientos de relojería (...por aquello de las espoletas).

Aunque era muy sugestivo, lo que yo quería no era estudiar las pólvoras y explosivos, sino la guerra electrónica y los sistemas de disparo de los modernos misiles y sus contramedidas. Era un tema que desde siempre llamó mi atención, no solo por lo intrincado de la técnica que subyace sino porque en mi opinión, en aquella época (1981) ya pensaba que sería un tema con mucho recorrido. Cuando llegó el momento y una vez aprobada la parte general dejé lo de las bombas y explosivos y me subespecialicé en radar, visores y misiles, que era lo que realmente me encantaba.

Empezamos estudiando cosas básicas (obsoletas) como los visores ópticos o retículas de disparo del F-86 y del Phantom, pero ahí estaban la base para poder entender los más modernos sistemas radaricos y de control de fuego que hoy existen en la actualidad. Aunque hace ya muchos años que dejé el ejército para pasarme a la vida civil, no he dejado de leer y ponerme al día sobre el tema. Una de las cosas que más ha avanzado es la obtención de una baja visibilidad radárica o concepto stealth (sigilo). Hoy en día las técnicas stealth o de baja observabilidad son una de las grandes bazas que tienen los modernos aviones militares para no ser derribados. La clave en la guerra aérea moderna está en combinar armamento BVR + buen radar con capacidad stealth.

El concepto stealth es mucho más amplio de lo que la gente suele pensar. El "palabro" anglosajón engloba tanto técnicas electrónicas, como visuales y de firma acústica e infrarroja. Recuerdo que a finales de los 90 los pilotos de F-18 del Ala 15 solían entrenar haciendo ejercicios de intercepción con los Mirage 2000 franceses. En estos vuelos los pilotos del F-18 buscaban visualmente al "enemigo", que, aunque volara un avión menos capaz en términos generales de maniobrabilidad en combate cerrado, lo hacía de una forma (táctica) que los convertía en temibles. Los Mirage 2000 solían volar en pareja, muy altos (41.000 pies o más) y muy rápidos (supersónico), lo que confería al binomio avión-misil una alta energía potencial y cinética (que podía ser transferida a sus misiles Matra-Magic en el momento de ser lanzados). Este avión que no poseía tecnología stealth electrónica, era realmente difícil de ver, precisamente por su pintura azulada que lo hacía mimetizarse con el cielo estratosférico y su silueta (ala en delta y tamaño muy reducido comparado con los cazas de fabricación norteamericana). Para cuando se detectaban en muchas ocasiones era ya demasiado tarde. Uno de sus misiles estaba a punto de impactarnos.

El propósito de la aeronave

Este es el principio del diseño de cualquier avión. La pregunta clave que va a influir más en el diseño del avión es ¿a qué se va a dedicar la aeronave? este es en realidad un paso muy importante. Los aviones comerciales de transporte se dedican precisamente a llevar pasajeros y mercancías por ello adoptan las formas y las configuraciones que nos son tan familiares. Los aviones militares en cambio deben de ser cuidadosamente estudiados pues las tácticas y estrategias ofensivas/defensivas pueden cambiar mucho en un periodo de tiempo relativamente corto. Por ello su diseño y posterior desarrollo pueden llevar muchos años al ir introduciendo en él nuevas técnicas y contramedidas.

En los diseños militares modernos se utilizan tecnologías para reducir otros patrones de emisiones como la infrarroja, ruido, amortiguación de los armónicos de los motores, etc. Los aviones furtivos han de volar a velocidades subsónicas para evitar el estampido sónico que se produce al superar la barrera del sonido, y también deben reducir su patrón de emisiones térmicas. Esto se resuelve generalmente usando toberas de escape no circulares y mezclando los gases de salida con el ambiente. Como consecuencia, las prestaciones relacionadas con la potencia resultan reducidas.

Otro de los puntos esenciales de un diseño militar stealth es la elección de los sensores pasivos. Cualquier emisión realizada en el campo de batalla delata al emisor ante numerosos sistemas del enemigo. Por ello, el F-117 Nighthawk usa sistemas infrarrojos pasivos para la navegación y el F-22 Raptor utiliza un sistema de radar llamado Low Probability of Interception LPI (Baja Probabilidad de Interceptación) que puede iluminar aviones con pocas probabilidades ser detectado. A cambio, las capacidades de detección del aparato sufren una importante pérdida, sólo compensada por la coordinación con unidades de reconocimiento (aviones AWACS, satélites, etc.).

El F35 como avión stealth.

Una de las cosas que más llama la atención de los expertos comentaristas de temas relacionados con la política de defensa internacional es la venta a países extranjeros del F-35. La cuestión no es menor, pues este avión de combate de fabricación norteamericana será para estos países la primera experiencia en operaciones de baja observabilidad o realmente stealth.

A pesar de que el F-35 es un avión que ha tenido muchos problemas de desarrollo, no cabe duda que este avión será un referente de la aviación militar del siglo XXI como ya lo es el F-22. El F-35 se empezó a desarrollar hace 15 años y desde entonces las técnicas stealth han cambiado mucho, al igual que lo han hecho las técnicas radáricas de detección. El F-35 es el primer avión de exportación norteamericano que ofrece unas características de combate sobresaliente junto con una capacidad de supervivencia en combate mejorada por sus técnicas stealth de baja observabilidad.

Vistos de frente, el F-35 y el F-22 poseen una RCS muy baja. Ambos pueden llegar a lanzar sus armas contra otros adversarios o contra estaciones SAM antes de que puedan ser detectados, aunque el F-22 puede acercarse todavía más al tener mayores características stealth. La gran diferencia aparece cuando el radar enemigo cambia el modo de operación. El F-22 está construido a base de pequeños paneles casi todos planos. En el F-35 se han tenido que hacer más concesiones y se pueden apreciar partes redondeadas y contracurvadas, las cuales reflejan las ondas de radar más que las plaquetas planas. Los expertos piensan también que la salida de gases de los motores en este avión es menos "stealthy (sigilosa). Los mismos expertos advierten de que el F-35 ejecutando algunas maniobras expone su fuselaje al radar de forma que su RCS es mayor que cuando se le detecta frontalmente. Esto hace que los F-35 puedan ser detectados antes que al F-22.

La ciencia stealth

Se entiende por tal la ciencia que se dedica a reducir la señal radárica o detectabilidad de un objeto. El fin último es el de tratar de minimizar el eco o energía electromagnética que el objeto en cuestión es capaz de reflejar cuando este es iluminado por un haz de energía radárica. Como la invisibilidad total al radar es prácticamente imposible (los radares son mejorados a la par que las técnicas stealth), de lo que se trata es de intentar que la señal reflejada sea mínima y que esta pueda llegar a ser confundida con el ruido de fondo debido al equipo de detección o a otros ecos del ambiente. Hay que tener en cuenta que los radares que tratan de detectar los aviones evolucionan también a pasos agigantados. Estos sistemas utilizan algoritmos matemáticos con filtros de inferencia bayesiana y otros provenientes de la teoría de detección de señales que se usan para procesar los datos recibidos por el radar. Todo esto junto con la mejora de los propios radares y sensores han hecho que en algunos casos un avión furtivo que fue diseñado tan solo unos años atrás ya se haya quedado obsoleto.

La métrica o forma de medir la detectabilidad se llama en inglés RCS o "radar cross section". Esta es la forma de normalizar la reflectividad de diversos objetos comparándolos con esferas de metal que actúan como patrón. Por poner un ejemplo, un ser humano posee un RCS de aproximadamente 1 m cuadrado, o lo que es lo mismo, los humanos reflejamos la energía equivalente a la de una esfera de metal con una sección geométrica transversal de 1 m cuadrado. Dado que la RCS varía en ordenes de magnitud, los expertos suelen emplear la escala logarítmica conocida como dBsm o decibelios por metro cuadrado, que hace más flexible la utilización de esta escala. Por ejemplo, 100 metros cuadrados en esta escala son 20 dBsm y 0,1 metros cuadrados son -10 dBsm.

La RCS varía mucho según el ángulo en el que se ilumina un objeto y la energía o frecuencia del haz radárico. El ángulo más interesante es el de +-45º en azimut y +-15º en elevación, mientras que la banda de frecuencias más utilizada es la "X" (8-12 GHz), donde operan los radares de tiro avanzados más utilizados en la actualidad. Los aviones como el F-35 ofrecen un aspecto stealth total, el cual minimiza la detectabilidad desde cualquier ángulo y uso de banda. Esto es lo que se conoce en inglés como "All aspect stealth" y "broadband stealth". Cada una de estas características es muy difícil de conseguir, pero aunar ambas en un solo avión es un hito solo alcanzable por pocos países en el mundo. Son características que se consiguen generalmente con un derroche de ingeniería y medios extraordinarios, lo que conlleva, como el lector puede imaginar, una inversión desorbitada de dinero.

La tecnología stealth reduce la RCS por medio de darle unas formas características al avión para que el reflejo electromagnético se desvíe en direcciones que no puedan ser captadas por el radar que lo ilumina. Como elemento adicional esta tecnología crea también capas de pintura y materiales especiales que son capaces de absorber las ondas de radio que son recibidas. Esto es lo que se conoce en inglés como RAM o Radar-absorbent materials. Estos modernísimos materiales captan las ondas electromagnéticas y en vez de radiar la energía al exterior son capaces de transformarla en calor. Tradicionalmente las formas angulosas del avión eran las responsables del 90% de la capacidad stealth para la reducción de la RCS y el 10% restante recaía en el uso de materiales y recubrimientos.

La característica forma angulosa de los aviones stealth se centra en crear lo que se conoce como "specular scattering" en inglés o "dispersión especular" en español. Se trata de que las ondas reflejadas por la estructura del avión se esparzan en direcciones múltiples como bolas de billar. Las partes planas de un avión reflejan gran cantidad de energía con un ángulo igual al de incidencia de la onda. Estas son las partes en las que más trabajan los ingenieros para poder minimizar los ecos del radar.

Las tomas de aire o difusores de entrada de los motores, las cabinas de pilotaje, los ángulos a 90º y cualquier otra parte estructural que pudiera ser susceptible de reflejar la energía de un haz radárico, se estudian concienzudamente para minimizar sus efectos. Se trata de evitar completamente los ángulos rectos. Las cúpulas de las cabinas de pilotaje se "metalizan" con unos nanometros de materiales como el oro o el óxido de indio para que reflejen la energía radar. Los álabes de los rotores del motor se tratan para evitar que la energía sea reflejada. En muchos casos se les dota a las entradas o difusores de rejillas especiales que dejan pasar el aire, pero que bloquean las ondas reflejadas, tal es el caso del F-117 y del RQ-170. Los bloqueadores internos e utilizan el F/A-18E/F y los serpentines o tomas con formas de serpentín se utilizan en los B-2, F-22 y F-35. Todos estos materiales incorporan las técnicas RAM.

De nada sirve que el avión se encuentre elaborado con las más sofisticadas técnicas stealth si los elementos que se le añaden no lo están. Las armas y otros puntos de anclaje para cargas, que tradicionalmente son sub-alares, se escamotean ahora para poder llevarlas en bodegas internas. Está claro que los misiles, bombas y tanques de combustible (por muy aerodinámicos que sean) junto con sus pilones incrementan enormemente el RCS. Otros elementos que intentan ocultarse son las formas redondeadas o cruciformes, los sensores, las aperturas, antenas y otros elementos protuberantes. Todas estas cosas pueden crear rebotes geométricos con la superficie del avión que por muy débiles que parezcan son susceptibles de ser detectados por los sistemas avanzados de los radares modernos.

Una de las cosas que más se estudian son los bordes, ya que estos difractan la energía con un patrón que recuerda al de un estrecho conjunto de aspas. Por muy pequeña que sea, esta difracción lo hace a unos ángulos que pueden ser iguales al de la onda que nos ilumina. De la misma manera las puntas de plano y la cola difractan las ondas en todas direcciones. Todos estos elementos se tienden a mantener lo más pequeños posible y de la mejor forma posible para hacer que la onda rebote en dirección contraria al radar que nos ilumina y así minimizar la RCS. Paneles, superficies de control, bordes de ataque y de salida, juntas y espacios entre paneles deben de reflejar las ondas con el menor número de ángulos posibles. Una vez que se ha conseguido un fuselaje óptimo en términos de emisión o reflectividad, se cubre la superficie del avión con elementos RAM especialmente tratados para las puntas y los bordes de ataque.

Cuando las ondas electromagnéticas procedentes de un radar tocan la superficie del avión en un ángulo de detección, estas inducen unas corrientes que se propagan hasta que dan con una discontinuidad. En ese momento la onda que se propaga por el fuselaje del avión vuelve a radiar, como si esa parte del avión actuara como una antena. Es evidente que la radiación que se emite de esta forma es mucho menor que la recibida y también es cierto que cuanto más viaja la onda absorbida por el fuselaje del avión más se debilita y cuando llega a un borde emite mucha menos energía. Si la energía que así se propaga, lo hace por materiales RAM y al final no encuentra ninguna discontinuidad (ángulo agresivo, distinto material, brecha o panel puntiagudo), entonces la emisión resultante es casi nula.

Las brechas o espacios entre paneles y tapas de acceso o servicio deben de ser recubiertas con cinta especial de material conductivo para evitar discontinuidades electromagnéticas y que la onda salga por el final de un panel. Los paneles y portezuelas que se abren y cierran en vuelo, como las del tren de aterrizaje y las bahías de armamento, poseen unos bordes con unos ángulos específicos (como en dientes de sierra) para radiar posible electromagnetismo en direcciones que no puedan volver al radar emisor.

Calculando la RCS

Existen fórmulas matemáticas para estimar la RCS de elementos sencillos. También se emplean programas especializados de software que calculan las estimaciones de reflectividad de estructuras más complejas. La realidad es que existen numerosas interacciones entre elementos complejos, material RAM y estructuras con reflectividad no especular, por lo que al final lo que resulta más efectivo es realizar pruebas verdaderas de reflectividad para así estimar cual es la verdadera RCS de un avión. Es algo parecido a lo que ocurre en los túneles de viento, donde se comprueba que la aerodinámica calculada sobre el papel verdaderamente ocurre en condiciones reales. La experiencia en este campo indica que aquellos aviones de forma geométrica similar y de tamaño parecido, tienden a tener una RCS parecida. Por poner algunos ejemplos, un Boeing F-15 tiene un RCS frontal de 10 m cuadrados. El Sukhoi Su-27 que puede ser algo similar al anterior tiene también un RCS de unos 10-15 m cuadrados. De la misma forma, un Panavia Tornado estaría dentro de parámetros muy parecidos. Este valor de la RCS tiende a aumentar con la adición de elementos externos, como cargas, pilones, armamento y tanques de combustible. El RCS que se había calculado inicialmente para los Boeing F/A-18C/D, se situaba en el orden de los 10 m cuadrados, pero con la evolución de estos aparatos desde 1989, ahora incorporan elementos RAM que reduce considerablemente este valor inicial de RCS.

l más pequeño y maniobrero Lockheed Martin F-16 tiene una RCS muy baja, se cree que es del orden de 1 a 3 metros cuadrados solamente. De hecho, el modelo C es incluso un poco más sigiloso (stealth) que los modelos A gracias a la aplicación de elementos RAM que se introdujeron en el programa "Have Glass". La siguiente generación de cazas (la llamada generación 4.5 por estar a caballo entre la cuarta y quinta) empezó utilizando desde el principio elementos RAM, cono por ejemplo el Eurofighter Typhoon. Recuerdo que esta era una característica que ya se buscaba cuando yo trabajaba en la Agencia NETMA de la OTAN en Múnich en 1999. El resultado fue que en este avión se consiguió una RCS cuatro veces más pequeña que la de su "primo" el Tornado. Por su parte, el fabricante del Sukhoi Su-35 asegura que la RCS de este aparato es unas 5 o 6 veces menor que la del Su-27. De ser cierto, esto pondría al Su-35 en el rango de los 1-3 m cuadrados, como la de los galos Dassault Rafale. En el Boeing F/A-18E/F se ha utilizado la mayor tecnología posible de reducción RCS de aquellos aviones considerados como no-stealth. La cifra que Boeing asegura se encontraría en el rango de los 0,66-1,26 metros cuadrados.

La baja observabilidad es un parámetro de espectro continuo y no un valor o cualidad binaria (digital), por lo que un avión stealth usualmente implica estar hablando de una RCS del orden de menos de 1 m cuadrado. El nuevo avión ruso T-50 PAK FA se especula que posee una RCS de solamente entre 0,1 a 1 metro cuadrado. Un misil de crucero tendría entre 0,1 y 0,2 m cuadrados. Del F-117 se dijo en su día que poseía una RCS igual que la de un pequeño pájaro (0,01 a 0,001). La RCS de unSu-35 sería comparable a la que posee una pelota de golf y la de un F-22 podría ser la de una canica, esto es, una RCS de entre 0,0013 m cuadrados y 0,0002 metros cuadrados respectivamente.

Detectabilidad Vs Radar

¿Cómo afecta la detectabilidad a la supervivencia del avión? Las ondas de radio que emite el radar se expanden de forma esférica cuando viajan hacia y desde el objetivo. La distancia a la que un avión puede ser detectado es proporcional a la raíz cuarta de su RCS. Cualquier décima en la reducción del RCS disminuye la distancia (probabilidad) de ser detectado en un 44%.

Los radares rusos de control de tiro más avanzados que se encuentran actualmente en servicio son los Irbis-E, que se montan en los Su-35 y en las bases terrestres de detección 92N6E Gravestone, que guían los formidables misiles S-400. Estos radares, según sus operadores, pueden detectar cualquiera de los aviones stealth del enemigo, pero la realidad parece ser que no cuadra con estas declaraciones tan optimistas. El mismo fabricante Sukhoi declara que es capaz de detectar un objetivo de 3m cuadrados a 400 km (unas 250 millas). Eso es una buena distancia para un caza F-16 o un Typhoon, pero eso quiere decir que un Flanker no podría detectar a un F-35 hasta que este estuviera a unas 36 millas (...o incluso unas 22 millas para un F-22). Esto significa que los cazas occidentales podrían lanzar sus misiles de alcance medio AIM-120 AMRAAM desde una distancia de unas 60 millas sin haber sido todavía detectados. Por otra parte, esa distancia de detección es calculada con una potencia máxima de emisión radárica y un haz de búsqueda concentrado y extremadamente estrecho. Con un modo de búsqueda más convencional la distancia de detección se reduciría incluso a la mitad.

Los misiles S-400 de Almaz-Antey son realmente temidos por muchas razones. Entre ellas se encuentran su gran alcance, unos 380 km, pero por otra parte estos misiles no pueden ser disparados hasta que el radar Gravestone haya adquirido un blanco. De acuerdo con los datos ofrecidos por el fabricante del Gravestone, es posible detectar un objetivo de unos 4 m cuadrados a unos 250 km o 155 millas. Una vez más, esto es un valor muy a tener en cuenta para cazas occidentales con reducida RCS, pero contra cazas como el F-35, la detección no ocurriría hasta las 21 millas y esta cifra llegaría a reducirse a las 13 millas en el caso del F-22. Las pequeñas bombas de reducido diámetro que llevan estos caza-bombarderos en sus bodegas internas pueden ser lanzadas a unas 40 millas de distancia del blanco, con lo que la efectividad de estas armas queda una vez más en entredicho.

Se ha generado un gran debate entre los medios especializados y los fabricantes de radares a cuenta de los valores RCS y otros factores stealth. Sobre todo, se habla de los radares que operan en la banda de frecuencias más baja. En estos radares parece ser que existe cierta capacidad de detección optimizada en la banda-X a una mayor distancia. Pero estos radares en realidad son radares de búsqueda que carecen de la resolución necesaria para poder adquirir datos de tiro precisos. El radar de búsqueda 91N6E "Big Bird" del S-400 puede detectar objetivos de 1m cuadrado a 338 km o 210 millas, esto es casi el doble de la capacidad del Gravestone, pero sus baterías no pueden lanzar los misiles hasta que el control de disparo del Gravestone haya adquirido el blanco.

Estos números son solo estimaciones, pero están basadas en las fórmulas establecidas para el cálculo del RCS además de los valores y datos públicos que ofrecen los propios fabricantes e ingenieros especializados. Los números nos llevan a pensar que todavía existe una cierta ventaja en la capacidad stealth de los cazas contra sus defensas, que los capacitan para poder aproximarse a sus objetivos sin ser detectados, o para serlo cuando ya es demasiado tarde para su oponente.