La sofisticada avionica del F-22 (II): Los modos del radar (LPI) AN/APG-77

 El Common Integrated Processor (CIP)

El Procesador Integrado Común (CIP) construido por Hughes funciona como el "cerebro" del sistema de aviónica totalmente integrado del F-22. Los CIP son las computadoras centrales en red que permiten la integración de datos de radar, guerra electrónica y sensores de identificación, así como datos de comunicación, navegación, armas y estado de sistemas en información coherente y fusionada para la comunicación al piloto a través de pantallas multifunción. En lugar de que el radar, el sistema de guerra electrónica y otros sistemas electrónicos tengan procesadores individuales, el CIP admite todo el procesamiento de señales y datos para todos los sensores y la aviónica de la misión.

Primer plano del procesador integrado común (CIP), desarrollado para el avión de combate F-22 y que equivale a dos supercomputadoras Cray. El CIP es un poco más grande que un televisor de 20 pulgadas. Es el sistema informático de alta velocidad más avanzado del mundo para su uso a bordo de un avión de combate.

Posición del CIP en el F-22. En azul se ven los distintos componentes de la aviónica.

La sofisticada aviónica del F-22

Los módulos CIP tienen la capacidad de emular cualquiera de las funciones electrónicas a través de la reprogramación automática. Por ejemplo, si el módulo CIP que actúa como radio falla, uno de los otros módulos recargaría automáticamente el programa de radio y asumiría la función de radio. Este enfoque de la aviónica hace que el equipo sea extremadamente tolerante a los daños de combate, así como flexible desde el punto de vista de la actualización del diseño.

Hay dos CIP en cada F-22, con 66 ranuras para módulos por CIP. Los CIP son bastidores de aviónica refrigerados por líquido que contienen módulos de procesamiento de señales y de datos insertados en una placa base común. Tienen placas base idénticas, y todos los requisitos de procesamiento del F-22 pueden ser manejados por solo siete tipos diferentes de procesadores. Hay 33 procesadores de señales y 43 procesadores de datos interconectados a través de una red tolerante a fallos. Cada elemento de procesamiento se fabrica y empaqueta como un módulo reemplazable en línea (LRM) de aproximadamente 6x7x3/8 de pulgada para facilitar el mantenimiento en línea.

Cada módulo está limitado por diseño a solo el 75 por ciento de su capacidad, por lo que el F-22 tiene una capacidad de crecimiento del 30 por ciento sin cambios en el equipo existente. Actualmente, 19 de las 66 ranuras en CIP 1 y 22 de las 66 ranuras en CIP 2 no están ocupadas y están disponibles para el crecimiento y desarrollo de nuevas funcionalidades. El avión cuenta con espacio, energía y refrigeración para un tercer CIP, por lo que se puede cumplir fácilmente el requisito de una capacidad de crecimiento del 200 por ciento de la aviónica en el F-22. Existe un plan coordinado para el crecimiento tecnológico que ayudaría a mantener el CIP en niveles de vanguardia. A medida que la electrónica siga haciéndose más pequeña y más potente, es concebible que pueda haber un aumento del 300 por ciento en la capacidad de aviónica.

La explosión y crecimiento exponencial de la tecnología informática en los últimos años ha permitido al equipo del F-22 alterar radicalmente todos los aspectos del programa, desde el diseño detallado hasta la fabricación, la comunicación y la propia cabina. Un ejemplo del efecto de los avances en la tecnología informática es una comparación entre las computadoras utilizadas en el Módulo Lunar y las utilizadas en el F-22. Las computadoras del Módulo Lunar funcionaban a 100.000 operaciones por segundo y tenían 37 kilobytes de memoria. En la actualidad, los ordenadores de misión principal del F-22, el procesador integrado común, funcionan a 10.500 millones de instrucciones por segundo y tienen 300 megabytes de memoria. Estas cifras representan 100.000 veces la velocidad de procesamiento y 8.000 veces la memoria del módulo de aterrizaje lunar Apolo.

El radar del F-22

El F-22 es el primer caza estadounidense que cuenta con un radar LPI de matriz activa de barrido electrónico (ASEA), el APG-77, desarrollado conjuntamente por Northrop Grumman y Raytheon. La antena de este radar se puede ver en la foto que abre el artículo. El radar opera en la banda de frecuencias X. Tiene una potencia pico de 20 kW y puede alcanzar una distancia de 460 km.

En lugar de una antena plana accionada mecánicamente, el radar tiene una matriz de unos 2.000 módulos de transmisión/recepción. Estos se escanean electrónicamente para crear y dirigir haces ágiles, lo que permite intercalar los modos de búsqueda y seguimiento de modo que el piloto del F-22 mantenga la conciencia de la situación mientras el radar proporciona información sobre el objetivo, todo ello con una baja probabilidad de que las emisiones del APG-77 sean interceptadas por sensores enemigos. Ver imagen debajo.

¿Qué es un radar LPI?

El radar LPI (Low Probability of Intercept, baja probabilidad de intercepción) es una clase de sistemas de radar que poseen ciertas características de rendimiento que los hacen casi indetectables para los receptores de intercepción actuales. Una característica de baja probabilidad de intercepción evita que el radar active los sistemas de alarma o el equipo de detección de radar pasivo en un objetivo. Estas características incluyen:

• utilizar una antena con un haz estrecho y lóbulos laterales bajos que son difíciles de detectar desde fuera de su eje de puntería;
• transmitir pulsos de radar solo cuando sea necesario;
• reducir la potencia de pulso transmitida;
• distribuir los pulsos de radar en una banda ancha de modo que solo haya una señal muy pequeña en cualquier banda; o
• variar los parámetros de transmisión como
• forma de pulso, frecuencia o
• frecuencia de repetición de pulso (PRF),
• saltar de manera impredecible, no permanecer en un lugar el tiempo suficiente para ser detectado,
• utilizar una modulación intrapulso con una forma de onda discreta (por ejemplo, un patrón de bits pseudoaleatorio).

La función de un radar LPI es impedir su intercepción por parte de un receptor de soporte electrónico. Este objetivo se consigue generalmente mediante el uso de una forma de onda de radar que no coincide con las formas de onda para las que está sintonizado un receptor de soporte electrónico. En consecuencia, un receptor de soporte electrónico convencional sólo puede detectar un radar LPI a distancias muy cortas.

Características básicas

Compuesto por 1956 módulos de transmisión/recepción, cada uno del tamaño de una tira de chicle, puede realizar una dirección de haz casi instantánea (en el orden de decenas de nanosegundos). El APG-77 proporciona un campo de visión de 120° en acimut y elevación. 

El APG-77 tiene un alcance operativo de 100 mi (160 km), mientras que fuentes no confirmadas sugieren un alcance operativo de 125-150 mi (201-241 km), contra un objetivo de 1 m2. Se cree que es posible un alcance de 400 km o más, con el APG-77v1 con módulos GaAs más nuevos, al mismo tiempo que se utilizan haces más estrechos. 

Northrop Grumman ha producido hasta la fecha más de 100 radares AESA APG-77, y gran parte de la tecnología desarrollada para el APG-77 se ha utilizando en el radar APG-81 del F-35 Lightning II. El sistema AN/APG-77 presenta una sección transversal de radar muy baja, lo que facilita el diseño furtivo del F-22. 

El APG-77v1 se instaló en los F-22 Raptors a partir del lote 5. Esto proporcionó una funcionalidad aire-tierra completa (mapeo de radar de apertura sintética de alta resolución, indicación y seguimiento de objetivos en movimiento terrestre (GMTI/GMTT), señalización y reconocimiento automáticos, identificación de combate y muchas otras funciones avanzadas).

La fiabilidad del sistema, totalmente de estado sólido, es sustancialmente mejor que la del ya altamente fiable radar del F-16, con un MTBF (tiempo entre averías) de más de 450 horas.

Instalación en el F-22

En el F-22 era necesario un radar de matriz activa para poder integrarlo con el fuselaje furtivo del caza. La eliminación del gran volumen de barrido necesario para acomodar una antena de barrido mecánico permitió instalar el potente radar en un fuselaje delantero diseñado para una sección transversal de radar baja (compárese el tamaño del radomo con el del Boeing F-15). Dentro del radomo de gran ancho de banda del F-22, el conjunto activo del APG-77 está atornillado a un mamparo que está inclinado hacia atrás para desviar los retornos del radar. Esto también tiene el efecto de aumentar la capacidad de búsqueda del radar.

El AN/APG-77 es un radar multifunción de largo alcance y escaneo rápido con baja probabilidad de intercepción instalado en el avión de combate F-22 Raptor de Lockheed Martin/USAF. El sistema AN/APG-77 presenta una sección transversal de radar muy baja, lo que respalda el diseño furtivo del F-22. 

El radomo de material compuesto de baja observabilidad que cubre el conjunto de antenas en fase del APG-77 es uno de los componentes más sensibles -y costosos- del fuselaje delantero. El propio APG-77, con unos 1.500 módulos TR de estado sólido activos en banda X, es el radar más potente y sofisticado jamás instalado en un avión de combate, y ofrece modos de armamento convencionales, modos LPI y una capacidad ISAR para obtener imágenes de la forma de un avión objetivo para facilitar su reconocimiento temprano en combate. 

El fuselaje delantero incluye disposiciones estructurales para el crecimiento del radar mediante conjuntos de antenas en fase con vista lateral emparejados. El procesamiento del APG-77 del F-22A de referencia se realizó en un paquete de hasta tres conjuntos de procesadores integrados comunes, construidos en torno al chip i960 de Intel y conjuntos VHSIC. Los aviones de producción utilizan procesadores de tecnología COTS, lo que refleja la obsolescencia creada por los retrasos de producción ordenados políticamente.

El radar multimodo APG-77 del F-22A es el más potente que existe actualmente, ya que combina la tecnología AESA con modos de baja probabilidad de intercepción y una potencia de salida inigualable. Los primeros aviones de producción a plena capacidad recibieron un procesador de radar de tecnología COTS mejorado y módulos TR de menor costo, que utilizan tecnología común al F-35 y modos de mapeo de radar de apertura sintética de alta resolución.

A diferencia de los radares de combate anteriores, el procesamiento de señales y datos se realiza en procesadores integrados comunes (CIP) que manejan las mismas funciones para los sistemas de comunicación/navegación/identificación y guerra electrónica. La electrónica de apoyo en cada sensor envía formas de onda digitalizadas a través de un bus de datos de fibra óptica a los CIP desarrollados por Raytheon, donde los datos se fusionan para crear pistas coherentes para mostrar al piloto.

Una parte importante del esfuerzo de desarrollo del APG-77 se ha dedicado a reducir el tamaño y el coste de los módulos de transmisión/recepción de estado sólido. Ese esfuerzo ha hecho posible considerar la actualización de los radares de combate existentes con conjuntos activos. Las razones para tal actualización incluyen una mayor capacidad y una mayor fiabilidad: los haces ágiles, dirigidos electrónicamente, permiten una operación multimodo casi simultánea; mientras que el rendimiento del radar se degrada gradualmente con el fallo de los módulos de transmisión/recepción individuales en el conjunto.

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Los modos del radar AN/APG-77

Modos aire-aire avanzados

a) RANGE-WHILE-SEARCH (RWS). El procesamiento del modo RWS permite la detección de objetivos aire-aire en todos los aspectos, incluso en situaciones de interferencias. El radar muestra un vídeo sintético en un visor sin interferencias cuando se presentan objetivos aéreos, incluso aquellos que vuelan cerca del suelo. Los objetivos que se mueven en tierra se eliminan mediante filtrado selectivo y lógica. Hay un modo Spotlight para escanear un pequeño volumen seleccionado por el piloto para facilitar la detección de un objetivo deseado lo antes posible.

b) VELOCITY SEARCH WHILE RANGING (VSR). Este modo ofrece el máximo rendimiento de alcance de detección contra objetivos cercanos y orientados hacia el morro hasta 160 millas náuticas en situaciones de observación hacia arriba y hacia abajo. A través del procesamiento avanzado dentro del Programa del Sistema de Pilotaje Avanzado, se activa un innovador modo Alert/Confirm para lograr una baja tasa de falsas alarmas, al tiempo que se extiende la capacidad de alcance del radar más allá del modo RWS.

c) TRACK-WHILE-SCAN. Este modo fue diseñado para ayudar al piloto a hacer frente a fuerzas numéricamente superiores. Para maximizar la conciencia situacional y la potencia de fuego, el TWS puede rastrear hasta 10 objetivos. Los rastros de los objetivos se muestran hasta 13 segundos después de una detección fallida antes de que finalice el archivo de seguimiento. Este modo ha demostrado ser eficaz en situaciones de objetivos múltiples.

d) SEGUIMIENTO DE OBJETIVO ÚNICO (STT). Se puede seleccionar este modo desde cualquiera de los modos de búsqueda aire-aire utilizando el controlador de palanca lateral y la empuñadura del mando de gases. Proporciona un seguimiento fiable y preciso, que muestra los parámetros del objetivo y la geometría de combate táctico. El submodo STT proporciona datos de seguimiento para respaldar la señalización de disparos de misiles aire-aire de corto alcance y más allá del alcance visual. También proporciona soluciones de disparo en la mira del cañón dentro de la envolvente de disparo para corto alcance.

e) SITUATIONAL AWARENESS MODE (SAM). Proporciona al piloto una capacidad de búsqueda y seguimiento intercalados. SAM proporciona seguimiento de alta calidad en uno o dos objetivos mientras busca otros objetivos en un volumen de escaneo independiente seleccionado por el piloto. La precisión de seguimiento hace que este modo sea ideal para la señalización precisa de misiles aire-aire y todos los ataques a objetivos fuera del alcance visual (BVR).

f) TRACK RETENTION THROUGH THE NOTCH (TRTN). Esta función se activa automáticamente en la fase de seguimiento para STT y SAM. Permite el seguimiento activo cuando el objetivo está maniobrando en el mismo filtro Doppler que el eco del haz principal y cuando la amplitud del objetivo es tal que el radar ya no puede distinguir el objetivo del eco. El radar se "desplazará" automáticamente durante unos segundos, hasta que el objetivo emerja de la región de eco.

Modos de ataque avanzados

a) MAPA DE TERRENO CON HAZ MEJORADO (GM). Este modo genera un mapa para la navegación y la detección de objetivos hasta 80 millas náuticas. Se mejoró con una técnica de mapeo monopulso que agudiza las características del mapa para objetivos tanto fuera del eje de mira como en el morro. Es posible disparar armas tanto de forma directa como descentrada. Una opción de congelación detiene las emisiones de radar y permite que la aeronave se acerque al objetivo sin que el radar lo detecte. Un modo de mapa extendido proporciona una mejora de la resolución de 4:1 y una expansión del mapa.

b) AGUDIFICACIÓN DEL HAZ DOPPLER (DBS). Cuando se muestra un objetivo de interés en el mapa de tierra a una escala de 10, 20 o 40 millas náuticas, el modo DBS1 proporciona un mapa preciso de un área seleccionada con una mejora de la resolución de acimut de 8:1. Con el modo DBS2 es posible lograr una resolución de 64:1. Este modo proporciona a las armas fuera del eje de mira la resolución mejorada necesaria para obtener datos de lanzamiento precisos. La opción de congelación también está disponible.

c) MAR. Este modo detectará objetivos en alta mar en condiciones de mar medio y bajo. Es similar al modo GM, pero el procesador de radar integra más muestras de radar para producir un mapa mejor adaptado a la vigilancia marítima. Las velocidades de escaneo más lentas y las muestras adicionales aumentan el rendimiento de detección de objetivos en alta mar. La opción Congelar está disponible.

d) SEGUIMIENTO DE OBJETIVO FIJO (FTT). Este modo puede mantener automáticamente un seguimiento preciso de un objetivo estacionario para la toma de decisiones y el lanzamiento de armas. Se puede acceder a FTT desde los modos GM, GM EXP, SEA, SEA EXP y DBS. Los objetivos de movimiento lento se pueden adquirir desde los modos GM o SEA utilizando el modo FTT.

e) INDICACIÓN DE OBJETIVO EN MOVIMIENTO TERRESTRE (GMTI). Detecta objetivos en movimiento como automóviles, camiones, tanques, otros vehículos militares, barcos y aeronaves en rodaje en tierra o mar hasta 40 millas náuticas. El modo GMTI también se puede utilizar para detectar objetivos de superficie en movimiento en alta mar. La opción Congelar está disponible.

f) SEGUIMIENTO DE OBJETIVO MÓVIL TERRESTRE (GMTT). Este modo mantiene automáticamente un seguimiento preciso de un vehículo en movimiento (terrestre o marítimo) para el lanzamiento de armas. Está disponible únicamente en el modo GMTI. Los objetivos móviles detectados en GMTI pueden adquirirse y rastrearse utilizando GMTT.

g) BEACON (BCN). En este modo, el radar detecta un transpondedor de baliza para la toma de posición y el desplazamiento del lanzamiento de armas aire-tierra. También se puede utilizar para el encuentro de buques cisterna. La opción de congelamiento está disponible.