Assinatura e Furtividade no Espectro Infravermelho

Um dos princípios básico da furtividade é o balanceamento de assinatura. Uma plataforma deve ser detectada na mesma distância em todo os espectros, seja radar, infravermelho, visual ou acústico. Depois da assinatura radar, a próxima assinatura mais significativa para qualquer avião a jato é o infravermelho (IR), gerado principalmente pelo calor dos motores a jato.

Por: Ricardo N. Barbosa

O advento de aeronaves furtivas levou as nações a buscarem várias tecnologias de contrafurtividade. Uma das abordagem tem sido atuar mais baixo no espectro eletromagnético (EM) do que as frequências de radar (RF) normalmente utilizadas, buscando assim as bandas de radar com propriedades contrafurtivas: L, UHF, VHF e até HF.

Outra abordagem promissora é ir para as frequências mais altas, até a banda do infravermelho (IR), onde os sensores passivos podem detectar a radiação térmica emitida por todos os objetos, particularmente os quentes, como os motores das aeronaves, a pluma de exaustão e a fuselagem aquecida pela fricção. Com Sistemas de Busca e Rastreamento por Infravermelho (IRST) e mísseis guiados por infravermelho cada vez mais capazes, no futuro a baixa observabilidade exigirá uma furtividade mais efetiva não apenas nas bandas de radar mais baixas, mas também no IR.

Introdução à assinatura IR

A faixa IR se estende tecnicamente desde o topo da banda da radiofrequência extremamente alta (EHF) a 300GHz, até a base da faixa visível (430THz), uma faixa com comprimento de onda entre 1mm e 0,77µm (micrômetro). O espectro utilizável, no entanto, está atualmente limitado a 0,77-14µm, que é posteriormente dividido em três sub-bandas:

  • Infravermelho próximo (NIR): 0,77-1,5µm
  • Infravermelho de onda média (MWIR): 1,5-6µm
  • Infravermelho de onda longa (LWIR): 6-14µm

Os limites exatos variam e podem incluir uma região de infravermelho de onda curta (SWIR) na faixa de 0,77-3,0µm que pega o NIR e  parte do MWIR:

  • Infravermelho de onda curta (SWIR): 0,77-3µm
  • Infravermelho de onda média (MWIR): 3-6µm
  • Infravermelho de onda longa (LWIR): 6-14µm

IRSTs funcionam tanto em MWIR como em LWIR. Antigos mísseis antiaéreos operavam em NIR, mas agora quase todos operam em MWIR, e os comprimentos de onda utilizados continuam a subir.

213695
IRST OLS-35 à frente da cabine de um caça Su-35S.

O alcance de detecção dos sensores IR está melhorando com a utilização de comprimentos de ondas mais eficazes e sensores mais avançados. As assinaturas de infravermelho variam com a forma, material, ângulo de visão, velocidade, ambiente de fundo, altitude e comprimento de onda do sensor.

SOSV-3_FLIR
Imagem IR no MWIR de dois F/A-18 em baixa altitude.

Os principais componentes da assinatura IR incluem as partes quentes do motor, a pluma de exaustão, a fuselagem e os reflexos da luz do sol, do céu e do solo. As aeronaves furtivas dos Estados Unidos suprimem a assinatura IR mascarando as partes quentes do motor, resfriando o bocal de exaustão do motor, encolhendo a pluma de exaustão e empregando revestimentos de superfície de baixa emissividade

Existem vários tipos diferentes de sensores IR que usam materiais sensíveis à radiação em diferentes comprimentos de onda. Os detectores de sulfeto de chumbo (PbS) não refrigerados operam a 2-3µm (SWIR). Os detectores PbS refrigerados ou seleneto de chumbo (PbSe) não refrigerado operam a 3-4µm (MWIR). Sensores mais novos com detectores PbSe, índio-antimônio (InSb) ou telureto de mercúrio-cádmio (HgCdTe) resfrigerados podem operar a 4-5µm (MWIR). O HgCdTe também pode operar em LWIR junto com microbolômetros e fotodetectores IR de poço quântico. Além disso, os intervalos de detecção foram beneficiados pela integração de matrizes de plano focal com números crescentes de detectores para maior resolução.

SOSV_chart_response2
Sensores IR podem utilizar diferentes tipos de detectores.

Todos os objetos com temperatura acima do zero absoluto emitem radiação na banda IR. À medida que as temperaturas aumentam, as emissões IR “TOTAIS” aumentam com a quarta potência (Et=T4), um objeto que dobra a temperatura multiplica por 16 as emissões totais, mas elas são espalhadas em vários comprimentos de onda IR, a cada aumento de temperatura a curva de emissões muda para comprimentos de onda mais curtos e próximo do NIR. Um objeto a 20°C irradia principalmente a 9,9µm, enquanto um a 1.000°C irradia a 2,3µm. A lógica para a diminuição da temperatura é a mesma. 

SOSV_chart_blackbody2
A mudança de temperatura afeta a curva de emissão.

A diminuição de temperatura provoca uma mudança na curva de emissão com diminuição maior no pico de emissão do que nas emissões totais. Como o sensor IR detecta o pico de emissão em uma banda estreita (2-3µm ou 3-4µm e etc) e não as emissões totais, a diminuição de temperatura leva a uma diminuição  superior a quarta potência nas emissões detectadas pelo sensor (Ed>T4), ou seja, uma redução de 50% na temperatura leva a uma redução superior a 93,75% na radiação IR que chega ao sensor IR, algumas estimativas apontam que as emissões detectadas por um sensor IR chegam a serem afetadas pela oitava potência da temperatura do objetivo (Ed=T8). Uma pequena redução de temperatura afeta fortemente a quantidade de radiação IR que chega ao sensor. Essa lógica revela que para um caça stealth suprimir de forma efetiva sua assinatura IR basta uma pequena redução da temperatura de seus componentes.

As emissões também dependem dos materiais. Uma métrica chamada “emissividade” expressa a razão entre a radiação de um material em uma determinada temperatura e a de um emissor teoricamente perfeito chamado de “corpo negro” com uma emissividade tabelada em 1, quanto mais próximo de 1, mais esse material emite e quanto mais próximo de 0, menos ele emite.

O “corpo negro” usado como referência é um absorverdor e emissor teoricamente perfeito com emissividade 1, toda energia IR é absorvida e re-irradiada. E “corpo cinza” (que também não tem a ver com a cor do material) são todos os demais materiais reais com emissividade menor que 1. 

Os materiais podem ser projetados de maneira que a emissividade seja maior ou menor em determinados comprimentos de onda (radiador seletivo), isso é importante pois algumas bandas IR são fortemente absorvidas pela atmosfera, um material furtivo IR, por exemplo, pode aumentar sua emissividade nessa banda e diminuir nas demais. 

Screenshot_20180524-0731212
Um radiador seletivo ajuda na furtividade IR.

A temperatura e a emissividade determinam a “radiância” de um material ou as emissões por unidade de área. No entanto, a “intensidade” de um objeto – força da assinatura em relação a um sensor – depende de sua área projetada no sensor porque um detector responde à “irradiância” ou à concentração de emissões que o atinge. Portanto, a intensidade de IR de um objeto depende do ângulo de visão e, como o sensor está olhando para fora do centro de uma esfera, a irradiância sempre diminui com o quadrado da distância.

Além de emitir radiação térmica, as aeronaves podem refletir as emissões do sol, céu e solo, conhecidas como brilho do sol, céu e solo, respectivamente. O controle da assinatura de infravermelho exige a consideração da radiação emitida e refletida. Devido à lei de conservação de energia, toda radiação incidente deve ser absorvida, transmitida ou refletida. Normalmente, se a emissividade diminui, a refletividade deve aumentar.

Mas a radiação deve chegar a um sensor a ser detectado. A atmosfera transmite alguns comprimentos de onda menos do que outros devido à absorção molecular e dispersão especular, principalmente por vapor d’água e dióxido de carbono. Ambos se tornam mais densos com a pressão, e quanto mais denso o gás, mais profunda e larga é a “faixa de absorção”. A densidade do vapor de água também varia com a temperatura, mas é tão fina acima de 30.000 pés que se torna insignificante. Na prática, essa absorção limita a detecção em MWIR e LWIR às “janelas atmosféricas” de 2-5 e 8-14µm e significa que o alcance de detecção são sempre piores em altitudes mais baixas ou olhando para baixo. 

SOSV_chart_transmission (1)3
A atmosfera é opaca ao IR em algumas janelas.

O absorvente dominante na região de 3 a 5µm é o dióxido de carbono. Na região de 8 a 12µm o vapor de agua é o absorvedor dominante. O vapor de agua afeta principalmente a região LWIR, à medida que o vapor de água aumenta, a transmitância diminui. Por esse motivo, pode-se inferir que um sistema MWIR pode ser melhor para uso em altitudes mais baixas, regiões marítimas ou tropicais.

Finalmente, os alvos devem ser distinguidos de qualquer radiação de fundo ou “radiância no caminho” entre o alvo e o sensor. A radiância do solo depende da vegetação e da temperatura e pode ter maior intensidade do que os alvos. O brilho do céu aumenta em direção ao horizonte e varia com a época do ano e a latitude. Um céu claro pode ser um cenário difícil contra o qual se detecta uma aeronave, mas as nuvens podem bloquear a radiação infravermelha e refletir a luz solar com intensidade maior que os alvos. Abaixo de 3µm, a fonte dominante de radiação na trajetória é a luz solar dispersa por aerossóis e, acima de 3µm, as emissões térmicas do ar aumentam até o final da banda de MWIR.

Assinatura IR de uma aeronave de caça

O nível total da assinatura IR de um alvo (IR Signature Level ou IRSL), algo próximo do que seria o RCS para o radar, é a soma das assinaturas de todos os seus componentes. A assinatura de cada componente é determinada pela resposta do sensor à “intensidade do contraste” desse componente em um determinado comprimento de onda IR. A “intensidade do contraste” é forma por: contraste entre sua radiância e  a radiância do plano de fundo e do caminho; sua área projetada no sensor; atenuação atmosférica nos comprimentos de onda emitidos. Portanto, os principais contribuintes para o IRSL de uma aeronave dependem do seu ângulo de visão e da sub-banda IR de interesse. 

Obs: como a área do componente é relevante para a “intensidade do contraste”, não é correto supor que o tubo de pitot sozinho é capaz de prejudicar todo o controle de assinatura IR da aeronave stealth. MITO.

No MWIR, o IRSL de uma aeronave é maior por trás e menor pela frente. Na traseira, a assinatura é dominada pelas “partes quentes” do motor – o corpo central do bocal de exaustão, as paredes internas e a face traseira da turbina de baixa pressão. As temperaturas desses componentes estão na faixa de 450-700°C, assim como as do bocal e pluma de exaustão. É por isso que quase todos os mísseis antiaéreos guiados por IR operam em MWIR.

Screenshot_20180524-1208583
Assinatura IR vs Ângulo do Aspecto.

Em um aspecto traseiro mais amplo, as partes quentes ainda contribuem. O mesmo acontece com a pluma de exaustão, mas não é tão visível como se poderia imaginar. Diferentemente dos sólidos, as moléculas de gás oscilam livremente, o que faz com que elas emitam e absorvam energia em “linhas espectrais” específicas. Como os principais produtos da combustão de hidrocarbonetos (vapor de água e dióxido de carbono) também estão na atmosfera, as emissões da pluma são absorvidas mais do que a dos outros componentes. No entanto, a alta pressão e temperatura dos gases de escape ampliam suas emissões em torno da linha de absorção do dióxido de carbono a 4,2µm, criando picos de intensidade de contraste em 4,15µm e 4,45µm. Mas a atmosfera ainda atenua isso, particularmente em altitudes mais baixas, muito mais rápido do que um pico menor em 2,2µm.

De lado, a intensidade da pluma de exaustão está no máximo. Ela pode se estender por mais de 15 metros atrás da aeronave, mas sua radiância é concentrada nos primeiros 1,5 metros. Lateralmente, a estrutura da aeronave também se torna uma grande contribuinte IR à medida que a área projetada no sensor aumenta. De frente, as bordas de ataque das asas e duto de admissão do motor são importantes contribuintes de assinatura e a pluma ainda é visível porque se estende radialmente a partir do eixo do bocal, embora com temperatura rapidamente decrescentes.

No LWIR, a maior preocupação é a fuselagem, que pode atingir temperaturas de 30-230°C devido ao aquecimento aerodinâmico na frente e ao aquecimento do motor na traseira. Embora menos radiante que o bocal de escape, a área projetada pela fuselagem traseira é 10 vezes maior. O brilho do céu e do solo refletidos na aeronave também são significativos no LWIR, particularmente para superfícies de baixa emissividade e para aeronaves vistas de cima ou de baixo, com a contribuição do brilho do solo crescendo com a diminuição da altitude. No NIR, a luz solar refletida é o principal impulsionador do IRSL na maioria dos ângulos. A pluma contribui pouco em LWIR ou NIR.

Screenshot_20180524-0733132.jpg
Comprimento de onda IR de um caça.

O IRSL varia muito com a velocidade. Com o motor em potência militar, o bocal de escape e a fuselagem traseira normalmente têm assinaturas maiores do que a pluma. Quando em pós-combustão, a mesma expande muito a pluma de exaustão, eleva a temperatura do bocal de exaustão e aumenta a temperatura da fuselagem traseira em cerca de 70°C. Estes efeitos podem aumentar o IRSL quase 10 vezes.

A estrutura da aeronave, particularmente suas bordas de ataque, também se aquece em velocidades mais altas. A 30.000 pés e Mach 0,8 a temperatura da fuselagem pode estar 11% acima da temperatura ambiente, mas a Mach 1,6 pode estar 44% acima da temperatura ambiente, o que pode mais do que dobrar o alcance de detecção, e quando uma aeronave torna-se supersônica, ela cria um “cone Mach” de ar comprimido e aquecido que pode aumentar a área em contraste com o fundo em uma ordem de grandeza, ou seja, 10 vezes maior, e mais do que duplica o alcance de detecção.

Não há dados publicamente disponíveis para o IRSL de aeronaves de combate modernas e, com todos os fatores, não há uma métrica simples de detectabilidade como o RCS em relação ao radar. Para fins de comparação, a Sukhoi afirma que o IRST MWIR OLS-35 em seu caça Su-35S pode detectar um alvo do tamanho do Su-30 a 90km por trás e a 35km de frente. Mas o Su-30 é uma aeronave grande, bimotora, sem supressão significativa de assinatura de infravermelho. Textos teóricos também afirmam que mísseis superfície-ar guiados por IR adquirem alvos a cerca de 10km de distância.

Supressão IR

A supressão IR em uma aeronave geralmente começa com o motor. Em projetos furtivos do passado, esse problema foi abordado colocando as entradas e o escape do motor na parte superior da aeronave e “enterrando” o motor o mais dentro possível da estrutura da aeronave (mascaramento). Esta posição do motor evita que sensores infravermelhos baseados em solo tenham uma visão clara do motor ou do seu escape que cria um isolamento térmico com a fuselagem da aeronave. Esta configuração é um design desafiador, mas que foi superado e adotado em muitas plataformas (F-117, B-2, B-21, UAVs,  UCAVs …). 

GwyhR
Motor enterrado na fuselagem e rampa de exaustão.

Após o motor, a próxima etapa da supressão IR é tratar a pluma de exaustão. A pluma é encolhida principalmente pelo aumento da mistura do ar de exaustão com o ar ambiente para reduzir a temperatura e a pressão mais rapidamente. Técnicas comuns incluem um escape de gases bidimensionais para misturar rapidamente o ar quente do escape dos motores com o ar frio devido a área de contato maior entre os dois; aumentar a taxa de desvio do motor (by-pass) e injetar ar mais frio, vapor de água ou partículas de carbono na exaustão também ajuda a diminuir a assinatura IR. Outro método é aumentar os bocais com serrilhamentos (chevrons), vieiras ou ondulações para promover o espalhamento radial da pluma e mistura com o ar ambiente. O serrilhamento ao longo da borda do bocal de exaustão também criam vórtices, que aceleram a mistura. Esses aprimoramentos também reduzem as emissões sonoras, motivo pelo qual os novos motores de avião são equipados com bocais de escape serrilhados. As patentes registradas nesses bocais citam “redução substancial de ruído e assinatura de infravermelho”.

Screenshot_20180428-0923222
Bocais bidimensionais e mascaramento pela fuselagem ajudam a suprimir a assinatura IR dos gases de exaustão.

As emissões da fuselagem podem ser reduzidas usando materiais de baixa emissividade. Estudos teóricos sugeriram que a redução da emissividade da fuselagem pode reduzir pela metade o alcance da detecção. Materiais em camadas com diferentes índices de refração podem fazer superfícies refletivas em certos comprimentos de onda IR e emissivas em outros. É claro que revestimentos de superfície em aeronaves furtivas também devem considerar seus efeitos no radar.

Supressão IR do A-12 ao B-2

A supressão de IR tem sido parte das iniciativas norte-americanas de baixa observabilidade há mais de meio século, muitas vezes integrada com esforços para reduzir o RCS traseiro. O A-12 da CIA, a primeira aeronave projetada com um controle de assinaturas como um dos principais critérios, foi a primeira aeronave dos EUA a suprimir o RCS traseiro e a reduzir sua vulnerabilidade a mísseis guiados por infravermelho. As assinaturas radar e infravermelho traseira inata da aeronave eram grandes, devido aos bocais redondos de titânio e aço e plumas de exaustão enormes. A Lockheed compensou acrescentando “Panther Piss” (mais tarde revelado em documentos desclassificados da CIA como césio) ao combustível. Isso ionizou a pluma de exaustão, reduzindo o RCS do quadrante traseiro, ao mesmo tempo em que confundia os mísseis guiados por infravermelho da época, possivelmente por irradiar tão intensamente em NIR e MWIR que saturava os sensores.

Com o F-117, a primeira aeronave a usar baixa observabilidade como principal meio de sobrevivência, a Lockheed tornou a supressão IR inerente à construção. A fuselagem do F-117 inclinava-se para trás à partir de um ápice acima do cockpit até um formato amplo e plano na traseira, característica apelidada de “ornitorrinco”.

F-117-NIGHTHAWK-pic4
O ornitorrinco no F-117 esconde as partes quentes da exaustão atrás a seção frontal do cockpit.

A exaustão de cada motor achatava-se em fendas estreitas de 10 a 15cm de profundidade e 1,5m de largura, divididas horizontalmente em uma dúzia de canais. A fuselagem inferior terminava em duas rampas que se estendiam por 20cm além da exaustão em um ângulo ligeiramente para cima. Essas rampas foram cobertas por telhas “refletivas de calor”, semelhantes às usadas nos ônibus espaciais, que eram resfriadas pelo fluxo de ar dos motores.

8491278584_fa0a96f19b_k
Bocal achatado e rampa de exaustão do F-117 (maquete).

O ornitorrinco protegia as partes metálicas quentes enquanto a pluma achatada reduziu a intensidade da radiação infravermelha de lado e acelerava a mistura com o ar ambiente. As rampas estendidas mascaravam a fenda de exaustão e os primeiros 20cm de pluma vista por baixo, enquanto as telhas de baixa emissividade limitavam a absorção e emissão IR.

Com o F-117, os engenheiros também foram apresentados à dificuldade de balancear a supressão de assinaturas de radar e infravermelho com as demandas de extrema tolerância a calor e pressão. O ornitorrinco foi declaradamente a parte mais difícil do design. O calor contínuo fazia a estrutura deformar-se e perder sua forma exterior facetada. Por fim, um especialista em estruturas projetou um conjunto de painéis “shingled” que deslizavam uns sobre os outros para acomodar a expansão térmica.

O bombardeiro stealth B-2 da Northrop manteve muitas das técnicas de supressão IR do F-117. Enterrados profundamente dentro de uma estrutura de asa voadora, os motores do B-2 são impedidos de aquecer a superfície externa. Os gases de exaustão são resfriados pelo ar frio do by-pass, inclusive a partir de entradas de ar secundárias, o duto de exaustão é achatado antes de sair pela rampa de exaustão construída em titânio e coberta com telhas cerâmicas de baixa emissividade. Provavelmente contendo material absorvente de radar magnético (RAM), a rampa estende-se por vários metros atrás dos bocais de exaustão, bloqueando o núcleo da pluma de exaustão por baixo e dos lados. Além disso, a carenagem do motor e a rampa terminam em grandes estruturas chevron, que introduzem vórtices para acelerar a mistura com o ar ambiente.

2_SOS5Gallery_B2_Tim-Felce
Escapamento achatado e motor enterrado na fuselagem ajudam a suprimir a assinatura IR do B-2.

A rampa provou ser um dos maiores impulsionadores de custo e tempo de manutenção do B-2. No final da década de 1990, as aeronaves estavam experimentando bolhas na rampa de exaustão e uma erosão do RAM magnético mais rápido do que o previsto. Novas telhas foram desenvolvidas e novos revestimentos foram adicionados, mas a degradação acentuada na rampa continuou. Em meados dos anos 2000, todos os 21 B-2 sofreram com isso. Correções provisórias foram colocadas em campo, incluindo capas termicamente protetoras para as telhas, enquanto uma correção de longo prazo era desenvolvida, que é em 2010 foi chamada de Convés Traseiro de Terceira Geração.

Screenshot_20180325-132209
Rampa de exaustão do B-2, é possível observar a capa térmica sobre a cerâmica.

Supressão IR nos Caças de Quinta Geração

Para os Lockheed’s F-22 e F-35, a necessidade de motores com pós-combustão, voo supersônico e agilidade, bem como o desejo de menos manutenção, exigiriam algumas novas abordagens. Esses dois caças furtivos dos EUA usam técnicas de supressão IR semelhantes para as peças internas do motor, estruturas da cauda e revestimentos da fuselagem. Eles divergem mais visivelmente no design do bocal de exaustão.

As caudas horizontais de ambas as aeronaves se estendem bem além dos bocais, restringindo a visão do escapamento e do núcleo da pluma no plano azimutal lateral. Os motores de ambos também possuem aumentadores furtivos para pós-combustão. A parte traseira do motor possui palhetas curvas e grossas que bloqueiam qualquer visão direta dos componentes quentes da turbina em rotação. Os injetores de combustível da pós-combustão são integrados nessas palhetas, substituindo as barras de pulverização e os porta-chamas de pós-combustão tradicionais. As palhetas mascaram a turbina e contêm pequenos furos que introduzem ar frio.

f35-f16-luke-news__main
No F-22 e F-35, no plano lateral, a fuselagem esconde as partes quentes do bocal de exaustão.

Uma das soluções para redução de temperatura de exaustão é usar motores com elevada relação de desvio (by-pass), o by-pass desvia parte do ar frio de admissão que mistura-se com os gases quente da exaustão. O motor F135 do F-35 possui a maior relação de by-pass (BPR) dentre as aeronaves de caça da atualidade, BPR de 0,56 (0,56 partes de ar frio passam por fora do núcleo do motor para cada 1 parte que passa por dentro), enquanto isso o motor F100 do F-16, por exemplo, possui BPR de 0,36. O aspecto negativo dessa opção de design é que a aeronave não será capaz de voar muito alto ou muito rápido.

Ambas as aeronaves, F-35 e F-22, apresentam revestimentos de fuselagem supressores de infravermelho. O acréscimo final ao tratamento baixo observável do F-22 é um “revestimento supressor IR” à base de poliuretano, precisamente pulverizado por robôs. Esses acabamentos finais de infravermelho também foram incluídos no programa de redução de assinaturas Have Glass do F-16.

Assim como o F-22 o F-35 também pode usar combustível para resfriar seus bordos de ataque. No F-35 um coletor de ar na parte superior da fuselagem faz a troca de calor com o combustível que é usado para resfriar os bordos de ataque. Dois coletores na base das asas fazem o isolamento térmico em volta do motor.

R6p8Bqi
Coletores de ar para supressão IR no F-35.

Apesar das esteiras de fibra RAM na fuselagem do F-35, a Lockheed ainda finaliza a aeronave com uma pintura RAM à base de poliuretano aplicada por um novo sistema robótico. Funcionários do programa afirmaram que essa camada externa possui propriedades anti-fricção, imagens no MWIR do F-35 também sugerem baixa emissividade. Ambos os revestimentos da aeronave ainda exibem baixa resistência ao desgaste e à temperatura e necessitam de recobrimentos demorados com mais frequência do que o desejado. Em 2015, a Força Aérea dos EUA anunciou que estava testando um novo revestimento para o F-35 com melhor resistência à abrasão e temperatura.

A composição exata dos revestimentos é desconhecida, mas o poliuretano é frequentemente usado como material de matriz devido à sua durabilidade relativamente alta, adesão e resistência a produtos químicos e intempéries. Ele tem uma emissividade natural de 0,9, ou seja, próximo de um emissor perfeito que possui emissividade 1, mas muitos enchimentos demonstraram reduzir a emissividade quando usados em materiais compostos. Níveis tão baixos quanto 0,07 foram alcançados com o bronze, embora à custa de maior condutividade e, portanto, da refletividade do radar. Microesferas de vidro multicamadas de 5-500µm difundidas a 50-70% do peso podem atingir baixa emissividade em comprimentos de onda selecionados e provavelmente seriam neutras em relação ao radar. O ferro não oxidado também possui emissividade na faixa de 0,16-0,28 , e seus compostos de matriz de poliuretano mostraram emissividade abaixo de 0,5. 

Os bocais com empuxo vetorado 2D do F-22 possuem superfícies superior e inferior terminando em cunhas angulares. Esses bocais dão um formato retangular ao escapamento e geram vórtices em virtude de sua borda angular, ambas as soluções contribuem para diminuir o tamanho da pluma de exaustão.

Parked for the night
Exaustão com formato retangular.

Furos minúsculos são evidentes em suas superfícies internas, provavelmente fornecendo um fluxo de ar para resfriamento ou a geração de vórtices que irão misturar mais rapidamente os gases de exaustão com o ar frio atmosférico. Os furos podem ser observados nas laterais e na base do bocal de cunha.

f-22a_raptor_20_of_812
Bocal do motor F119 do F-22 em formato de cunha angular  e com os furos para resfriamento.

No final de 1996, enquanto a concorrência para o JSF ainda estava em andamento, os dois motores competidores testaram bocais de exaustão axissimétricos com bordas serrilhadas, o objetivo era rivalizar com a assinatura RF e IR do bocal em cunha do F-22, ao mesmo tempo em que diminuíam os custos. A Pratt & Whitney testou o Bocal Assimétrico Baixo Observável (LOAN ou Low-Observable Asymmetric Nozzle) em um F-16C, que demonstrou reduções significativas em assinatura radar e IR. O LOAN era conhecido por incorporar forma, revestimentos internos e externos especiais e “um avançado sistema de resfriamento” que era esperado que mais do que dobrasse a vida útil do bocal de exaustão. 

lockheed_F-16_LOAN_ejector_nozzle
Bocal de exaustão LOAN sendo testado em um F-16C.

No início de 1997, a GE testou um sistema de escapamento Axissimétrico Baixo Observável (LO Axi) semelhante em um F-16C, alcançando suas metas em assinatura RF e IR. A GE declarou que o LO Axi incluía formas de diamante sobrepostos, revestimentos e ejetores de fenda dentro do bocal para fornecer ar de resfriamento. A fabricante de motores disse que as melhorias no design e na tecnologia de materiais baixo observáveis permitiram que os bocais com simetria axial alcançassem as assinaturas RF e IR dos escapamentos 2D do F-22 enquanto pesavam a metade e custavam 60% menos.

O bocal do Pratt F135 que alimenta o F-35 descende dessas abordagens. Ele compreende dois conjuntos sobrepostos de 15 abas, organizadas de forma que as abas externas estejam centralizadas nos espaços entre as abas internas. As abas internas são finas e terminam em um “V” invertido. As abas externas, que a Pratt chama de “penas de cauda”, são mais grossas e cobertas de telhas facetadas. Elas terminam em bordas angulares pontiagudas que se sobrepõem às extremidades das abas internas formando um bocal com bordas serrilhadas. Em direção à fuselagem, cada aba externa terminam em quatro dentes de serra e são cobertas por telhas adicionais que terminam, na frente e atrás, em dentes de serra que são engatadas em telhas adjacentes que também possuem formato de dente de serra.

28444551985_492487763c_b
Bocal do motor F135 adotou várias soluções do projeto LOAN, como as bordas serrilhadas.

O bocal do F135 provavelmente suprime a assinatura de infravermelho por meio de vários métodos. O serrilhamento da borda traseira criam vórtices de ar, encurtando a pluma de exaustão, enquanto o ângulo axial mais inclinado provavelmente direciona o ar ambiente mais frio para o caminho do fluxo de exaustão. As superfícies internas de ambos os conjuntos de abas são brancas e incorporam pequenos orifícios semelhantes aos do F119, que podem fornecer ar de refrigeração. Alguns relatórios sugerem a presença de ejetores entre as “penas da cauda” e os dentes serrilhados para fornecer ainda mais ar de resfriamento que também atua como isolante térmico. As superfícies dos ladrilhos e abas internas provavelmente possuem baixa emissividade e possuem RAM cerâmica. O bordo de fuga da fuselagem central que se conecta ao bocal de exaustão também termina em pequenos serrilhamentos, possivelmente aumentando ainda mais o vorticidade do fluxo de ar.

mnmn
O F-35 possui ejetores com ar frio entre a parte interna e externa das “penas da cauda”.

É difícil quantificar o sucesso desses esforços de supressão IR. Periodicamente as câmeras IR registram aeronaves furtivas voando em shows aéreos, mas em intervalos tão próximos que as imagens desmentem os efeitos supressores da absorção atmosférica.

A aeronave NT-43A da USAF é um 737-200 altamente modificado que vai muito além dos testes de assinaturas radar e infravermelho baseados em solo, ela opera no céu, no ambiente operacional natural da aeronave alvo a fim de realizar a validação das medidas de supressão radar e IR. Seus radomes dianteiras e traseiras, que dão ao jato uma aparência deselegante, permitem coletar dados de radar e infravermelho (os sensores infravermelhos ficam no topo dos radomes) de todos os ângulos da aeronave em voo.

9e70a32f526bc937d5016293d6571dec
Aeronave de validação de tecnologia stealth NT-43A.

Após o início dos testes de assinatura IR do F-22 em 2000, oficiais da Força Aérea afirmaram que o Raptor exibiria uma “assinatura IR de baixo aspecto sob condições supersônicas sustentadas”. Algumas imagens do F-35 capturadas por uma fabricante de sensores infravermelhos, no Farnborough Airshow em 2016, sugerem a efetiva supressão do aquecimento da fuselagem do motor e das emissões do bocal de exaustão. Sem dúvidas os sensores infravermelhos estão avançando, mas também estão sendo combatidos com iniciativas para suprimir ainda mais a assinatura de infravermelho.

Sensores térmicos modernos

Alguns analistas especulam que o surgimento da próxima geração de sensores IRST – Sistemas de Busca e Rastreio Infravermelho (Infrared Search and Track) – com infravermelho de ondas longas (LW-IRST) permitirá a detecção passiva de longo alcance e o rastreamento – e potencialmente o engajamento passivo (sem emitir sinais) – contra aeronaves furtivas americanas modernas. A realidade é que os avançados LW-IRST não proliferaram-se nos potenciais sistemas aéreos adversários como originalmente previsto. Enquanto os LW-IRST avançados foram desenvolvidos e colocados em número limitado em alguns caças da OTAN (Typhoon, Rafale), a China e a Rússia não fizeram progressos significativos na implantação desses sensores em seus sistemas aéreos, Su-30/35 e J-11/15/16 usam sistemas IRSTs de geração anterior e com infravermelho de ondas médias. Além disso, esses sensores são extremamente caros para fabricar e manter.

pirate-eurofighter
IRST PIRATE do Eurofighter Typhoon.

Fundamentalmente, a física do IRST limita a seu alcance efetivo, eficácia operacional e campo de visão (e, portanto, a capacidade de busca) na presença de condições ambientais adversas. O sistema PIRATE do Typhoon usa IR de ondas longas para aumentar o alcance e tentar compensar as condições ambientais e o IR de ondas médias para fornecer a resolução necessária para identificar e engajar um adversário.

Os sensores IR ainda estão em uma classe diferente do radar moderno. Em condições climáticas adversas, o desempenho dos sistemas IRSTs degrada-se rapidamente enquanto o desempenho do radar permanece relativamente inalterado. Devido às limitações de busca inerente ao campo de visão estreito (equivalente a vasculhar o céu através do buraco de um canudo), os sistemas IRST geralmente precisam ser direcionados para adquirir alvos que já estão dentro de sua faixa de detecção operacional. Embora seu papel possa expandir-se no futuro, a física fundamental indica que as limitações de custo e capacidade reduzem a atratividade dos sistemas LW-IRST como uma solução a curto prazo para combater a furtividade.

Enquanto o alcance máximo do PIRATE é estipulado em até 90km contra um caça subsônico não furtivo de frente, na prática, a escala de detecção em condições operacionais cotidianas está na faixa dos 50km. Para alcançar a escala máxima de detecção o IRST deve atuar com um campo de visão estreito (normalmente entre 50-100 graus²) e em condições climáticas ideias. Como aeronaves furtivas também trabalham com o gerenciamento da assinatura IR, é presumível que sistemas como o PIRATE tenham o alcance ainda mais degradado ante aeronaves furtivas como o F-22 e F-35, uma escala prática inferior a 50km é perfeitamente possível.

20180521_1901292

O gerenciamento da assinatura IR é uma tarefa complexa,  mas nada indica que os EUA alcançaram o limiar na obtenção de soluções para o controle do IR de ondas longas. Da mesma forma que o gerenciamento de assinatura de RF avançou ao longo dos anos com melhorias nas tecnologias de baixa observabilidade e na guerra eletrônica, novas soluções contra sensores infravermelhos serão desenvolvidas na medida em que a ameaça da detecção IR seja alavancada.

Em geral, as capacidades de detecção de sistemas infravermelhos têm intervalos maiores do que a detecção visual, mas não tão distante quanto o radar moderno. Semelhante à detecção visual, a detecção infravermelha também é degradada por condições atmosféricas adversas (como chuva e nuvens). Além disso, o hardware do sensor IR é caro e difícil de manter. Todos esses fatores limitam a utilidade geral dos sensores infravermelhos e resultaram em uma proliferação e emprego limitado até o momento. Se os sistemas infravermelhos devem superar essas deficiências e proliferarem-se no futuro, no entanto, meios de camuflar e gerenciar ativamente a assinatura IR de uma aeronave podem ser alavancados para minimizar a ameaça.

Resumo

Ao contrário da crendice popular, a assinatura IR não foi ignorada nas aeronaves furtivas. Diversas técnicas para supressão IR foram desenvolvidas e aplicadas ao longo dos anos. À medida que novas ameaças como sensores LWIR despontam no horizonte, a tecnologia stealth procura acompanhar essas novas ameaças. A tendência é a utilização do espectro IR para aumentar a consciência situacional contra alvos furtivos, mas sem entregar a mesma eficiência dos radares diretores de tiro contra alvos não furtivos.

Assinando: Ricardo N. Barbosa



Rede Social

Facebook:https://www.facebook.com/tecnomilitar2/

You Tube: Canal Arte da Guerra  https://www.youtube.com/channel/UCNlCllCWYAtU7TzBNKwaMHw

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s