Sigilo de plasma - Plasma stealth
El sigilo de plasma es un proceso propuesto para utilizar gas ionizado ( plasma ) para reducir la sección transversal del radar (RCS) de una aeronave . Las interacciones entre la radiación electromagnética y el gas ionizado se han estudiado ampliamente para muchos propósitos, incluido el ocultamiento de aeronaves del radar como tecnología sigilosa . Es posible que varios métodos puedan formar una capa o nube de plasma alrededor de un vehículo para desviar o absorber el radar, desde descargas electrostáticas o de radiofrecuencia más simples hasta descargas láser más complejas. En teoría, es posible reducir el RCS de esta manera, pero puede ser muy difícil hacerlo en la práctica. Se ha informado que algunos sistemas rusos, como el misil 3M22 Zircon (SS-N-33), utilizan el sigilo de plasma.
Primeras reclamaciones
En 1956, Arnold Eldredge, de General Electric, presentó una solicitud de patente para un "Método y aparato de camuflaje de objetos", que proponía usar un acelerador de partículas en un avión para crear una nube de ionización que "... refractara o absorbiera el radar incidente vigas ". No está claro quién financió este trabajo o si fue prototipo y probado. La patente estadounidense 3.127.608 se concedió en 1964.
Durante el Proyecto OXCART, la operación del avión de reconocimiento Lockheed A-12 , la CIA financió un intento de reducir el RCS de los conos de entrada del A-12 . Conocido como Proyecto KEMPSTER, este utilizó un generador de haz de electrones para crear una nube de ionización frente a cada entrada. El sistema fue probado en vuelo, pero nunca se implementó en A-12 o SR-71 operativos . El A-12 también tenía la capacidad de usar un aditivo de combustible a base de cesio llamado "A-50" para ionizar los gases de escape, bloqueando así las ondas de radar para que no se reflejen en el cuadrante de popa y los tubos de escape del motor. Se utilizó cesio porque los gases de escape calientes lo ionizaban fácilmente. El físico de radar Ed Lovick Jr. afirmó que este aditivo salvó el programa A-12.
En 1992, el Laboratorio de Investigación Hughes llevó a cabo un proyecto de investigación para estudiar la propagación de ondas electromagnéticas en plasma no magnetizado. Se utilizaron una serie de descargadores de chispas de alto voltaje para generar radiación UV, que crea plasma a través de la fotoionización en una guía de ondas. Se probaron radomos de misiles llenos de plasma en una cámara anecoica para atenuar la reflexión. Aproximadamente al mismo tiempo, RJ Vidmar estudió el uso de plasma a presión atmosférica como reflectores y absorbentes electromagnéticos. Otros investigadores también estudiaron el caso de una placa de plasma magnetizada no uniforme.
A pesar de la aparente dificultad técnica de diseñar un dispositivo de sigilo de plasma para aviones de combate, hay afirmaciones de que Rusia ofreció un sistema para la exportación en 1999. En enero de 1999, la agencia de noticias rusa ITAR-TASS publicó una entrevista con el doctor Anatoliy Koroteyev , el director del Keldysh Research Center (FKA Scientific Research Institute for Thermal Processes), quien habló sobre el dispositivo de sigilo de plasma desarrollado por su organización. La afirmación fue particularmente interesante a la luz de la sólida reputación científica del Dr. Koroteyev y del Instituto de Procesos Térmicos, que es una de las principales organizaciones de investigación científica del mundo en el campo de la física fundamental.
El Journal of Electronic Defense informó que "la tecnología de generación de nubes de plasma para aplicaciones furtivas" desarrollada en Rusia reduce el RCS de un avión en un factor de 100 (20 dB). Según este artículo de junio de 2002, el dispositivo ruso de sigilo de plasma ha sido probado a bordo de un cazabombardero Sukhoi Su-27 IB. El Journal también informó que Accurate Automation Corporation ( Chattanooga, Tennessee ) y Old Dominion University (Norfolk, Virginia) en los EE. UU. Están llevando a cabo una investigación similar sobre aplicaciones de plasma para la reducción de RCS ; y Dassault Aviation (Saint-Cloud, Francia) y Thales (París, Francia).
Plasma y sus propiedades
Un plasma es una mezcla casi neutra ( la carga eléctrica total es cercana a cero) de iones ( átomos que han sido ionizados y, por lo tanto, poseen una carga neta positiva), electrones y partículas neutras (átomos o moléculas no ionizados). La mayoría de los plasmas están ionizados solo parcialmente; de hecho, el grado de ionización de los dispositivos de plasma comunes, como la lámpara fluorescente, es bastante bajo (menos del 1%). Casi toda la materia del universo es plasma de muy baja densidad: los sólidos, líquidos y gases son poco comunes fuera de los cuerpos planetarios. Los plasmas tienen muchas aplicaciones tecnológicas, desde la iluminación fluorescente hasta el procesamiento de plasma para la fabricación de semiconductores.
Los plasmas pueden interactuar fuertemente con la radiación electromagnética: esta es la razón por la que los plasmas podrían usarse de manera plausible para modificar la firma del radar de un objeto. La interacción entre el plasma y la radiación electromagnética depende en gran medida de las propiedades físicas y los parámetros del plasma, sobre todo la temperatura de los electrones y la densidad del plasma.
- Frecuencia característica del plasma de electrones , la frecuencia con la que oscilan los electrones ( oscilación del plasma ):
Los plasmas pueden tener una amplia gama de valores tanto en temperatura como en densidad; Las temperaturas del plasma oscilan entre casi el cero absoluto y mucho más allá de los 109 kelvin (en comparación, el tungsteno se funde a 3700 kelvin), y el plasma puede contener menos de una partícula por metro cúbico. La temperatura de los electrones generalmente se expresa como electronvoltio (eV), y 1 eV equivale a 11.604 K. La temperatura y densidad de los plasmas comunes en los tubos de luz fluorescente y los procesos de fabricación de semiconductores están alrededor de varios eV y 10 9-12 por cm 3 . Para una amplia gama de parámetros y frecuencias, el plasma es eléctricamente conductor y su respuesta a las ondas electromagnéticas de baja frecuencia es similar a la de un metal: un plasma simplemente refleja la radiación incidente de baja frecuencia. Baja frecuencia significa que es más baja que la frecuencia característica del plasma de electrones . El uso de plasmas para controlar la radiación electromagnética reflejada de un objeto (Plasma stealth) es factible a una frecuencia adecuada donde la conductividad del plasma le permite interactuar fuertemente con la onda de radio entrante, y la onda puede ser absorbida y convertida en térmica. energía, o reflejada, o transmitida dependiendo de la relación entre la frecuencia de la onda de radio y la frecuencia característica del plasma. Si la frecuencia de la onda de radio es menor que la frecuencia del plasma, se refleja. si es mayor, se transmite. Si estos dos son iguales, entonces se produce una resonancia. También hay otro mecanismo por el que se puede reducir la reflexión. Si la onda electromagnética pasa a través del plasma y es reflejada por el metal, y la onda reflejada y la onda entrante son aproximadamente iguales en potencia, entonces pueden formar dos fasores. Cuando estos dos fasores son de fase opuesta, pueden anularse entre sí. Para obtener una atenuación sustancial de la señal de radar, la placa de plasma necesita un espesor y una densidad adecuados.
Los plasmas soportan una amplia gama de ondas, pero para los plasmas no magnetizados, las más relevantes son las ondas de Langmuir , correspondientes a una compresión dinámica de los electrones. Para los plasmas magnetizados, se pueden excitar muchos modos de onda diferentes que podrían interactuar con la radiación en las frecuencias de radar.
Plasmas en superficies aerodinámicas
Las capas de plasma alrededor de la aeronave se han considerado para fines distintos al sigilo. Hay muchos trabajos de investigación sobre el uso de plasma para reducir la resistencia aerodinámica . En particular, el acoplamiento electrohidrodinámico se puede utilizar para acelerar el flujo de aire cerca de una superficie aerodinámica. Un artículo considera el uso de un panel de plasma para el control de la capa límite en un ala en un túnel de viento de baja velocidad . Esto demuestra que es posible producir plasma en la piel de un avión. El veneno nuclear de xenón radiactivo o los isótopos de polonio cuando se suspenden con éxito en las capas de plasma generadas o se dopan en los cascos de los vehículos, pueden utilizarse para reducir la sección transversal del radar generando una capa de plasma en la superficie. Si se puede sintonizar, esto podría proteger contra el armamento HMP / EMP y HERF o actuar como actuadores de presión de radiación óptica.
Boeing presentó una serie de patentes relacionadas con el concepto de sigilo de plasma. En el documento US 7.744.039 B2, junio de 2010, se describe un sistema para controlar el flujo de aire con pulsos eléctricos. En US 7,988,101 B2, agosto de 2011, se usa un dispositivo generador de plasma para crear un flujo de plasma en el borde de salida, que puede cambiar su RCS. En US 8.016.246 B2 de septiembre de 2011, se utiliza un sistema de actuador de plasma para camuflar el compartimento de armas de un caza cuando está abierto. En el documento US 8.016.247 B2, se describe en detalle el sistema accionador de plasma, que es básicamente un dispositivo de descarga de barrera dieléctrica. En el documento US 8.157.528 B1 de abril de 2012, se describe una matriz en cascada de actuación de plasma para su uso en una pala de rotor. En US 8.220.753 B2 de julio de 2012, se describe un sistema para controlar el flujo de aire en la superficie del ala con descarga pulsada.
Absorción de radiación EM
Cuando las ondas electromagnéticas , como las señales de radar, se propagan a un plasma conductor, los iones y electrones se desplazan como resultado de los campos eléctricos y magnéticos que varían con el tiempo. El campo de ondas da energía a las partículas. Las partículas generalmente devuelven una fracción de la energía que han ganado a la onda, pero parte de la energía puede ser absorbida permanentemente como calor por procesos como la dispersión o la aceleración resonante, o transferida a otros tipos de ondas por conversión de modo o efectos no lineales. Un plasma puede, al menos en principio, absorber toda la energía en una onda entrante, y esta es la clave para el sigilo del plasma. Sin embargo, el sigilo de plasma implica una reducción sustancial del RCS de un avión , lo que lo hace más difícil (pero no necesariamente imposible) de detectar. El mero hecho de la detección de un avión por un radar no garantiza una solución de orientación precisa necesaria para interceptar el avión o atacarlo con misiles. Una reducción en RCS también da como resultado una reducción proporcional en el rango de detección, lo que permite que una aeronave se acerque al radar antes de ser detectada.
El problema central aquí es la frecuencia de la señal entrante. Un plasma simplemente reflejará ondas de radio por debajo de una cierta frecuencia (frecuencia característica del plasma de electrones). Este es el principio básico de las radios de onda corta y las comunicaciones de largo alcance, porque las señales de radio de baja frecuencia rebotan entre la Tierra y la ionosfera y, por lo tanto, pueden viajar largas distancias. Los radares de alerta temprana sobre el horizonte utilizan tales ondas de radio de baja frecuencia (generalmente inferiores a 50 MHz). Sin embargo, la mayoría de los radares militares aerotransportados y de defensa aérea operan en VHF, UHF y bandas de microondas, que tienen frecuencias más altas que la frecuencia de plasma característica de la ionosfera, por lo tanto, las microondas pueden penetrar la ionosfera y la comunicación entre la tierra y los satélites de comunicación demuestra que es posible. ( Algunas frecuencias pueden penetrar en la ionosfera).
El plasma que rodea una aeronave podría absorber la radiación entrante y, por lo tanto, reduce la reflexión de la señal de las partes metálicas de la aeronave: la aeronave sería efectivamente invisible para el radar a larga distancia debido a las señales débiles recibidas. También se podría usar un plasma para modificar las ondas reflejadas para confundir el sistema de radar del oponente: por ejemplo, el cambio de frecuencia de la radiación reflejada frustraría el filtrado Doppler y podría hacer que la radiación reflejada sea más difícil de distinguir del ruido.
El control de las propiedades del plasma, como la densidad y la temperatura, es importante para el funcionamiento de un dispositivo de sigilo de plasma, y puede ser necesario ajustar dinámicamente la densidad del plasma, la temperatura o las combinaciones, o el campo magnético, con el fin de derrotar eficazmente los diferentes tipos de sistemas de radar. La gran ventaja que posee Plasma Stealth sobre las técnicas tradicionales de sigilo de radiofrecuencia, como la transformación de formas en la geometría LO y el uso de materiales absorbentes de radar, es que el plasma es sintonizable y de banda ancha. Cuando se enfrenta a un radar de salto de frecuencia, es posible, al menos en principio, cambiar la temperatura y la densidad del plasma para hacer frente a la situación. El mayor desafío es generar una gran área o volumen de plasma con una buena eficiencia energética.
La tecnología de sigilo de plasma también se enfrenta a varios problemas técnicos. Por ejemplo, el plasma mismo emite radiación EM, aunque suele ser débil y de espectro similar al ruido. Además, la atmósfera tarda algún tiempo en volver a absorber el plasma y se crearía un rastro de aire ionizado detrás de la aeronave en movimiento, pero en la actualidad no existe ningún método para detectar este tipo de rastro de plasma a larga distancia. En tercer lugar, los plasmas (como descargas luminosas o luces fluorescentes) tienden a emitir un brillo visible: esto no es compatible con el concepto general de baja observabilidad. Sin embargo, los dispositivos de detección óptica actuales como FLIR tienen un alcance más corto que el radar, por lo que Plasma Stealth todavía tiene un espacio de alcance operativo. Por último, pero no menos importante, es extremadamente difícil producir un plasma absorbente de radar alrededor de un avión completo que viaja a alta velocidad, la energía eléctrica necesaria es tremenda. Sin embargo, aún se puede lograr una reducción sustancial del RCS de una aeronave generando plasma absorbente de radar alrededor de las superficies más reflectantes de la aeronave, como las aspas del ventilador del motor turborreactor, las tomas de aire del motor, los estabilizadores verticales y la antena de radar aerotransportada.
Se han realizado varios estudios computacionales sobre la técnica de reducción de la sección transversal de radar basada en plasma utilizando simulaciones tridimensionales en el dominio del tiempo de diferencias finitas. Chaudhury y col. estudiaron la atenuación de ondas electromagnéticas de un plasma de perfil de Epstein utilizando este método. Chung estudió el cambio cruzado de radar de un cono de metal cuando está cubierto de plasma, un fenómeno que ocurre durante la reentrada a la atmósfera. Chung simuló la sección transversal del radar de un satélite genérico, y también la sección transversal del radar cuando está cubierta con conos de plasma generados artificialmente.
Trabajo teórico con Sputnik
Debido a las obvias aplicaciones militares del tema, hay pocos estudios experimentales disponibles sobre el efecto del plasma en la sección transversal del radar (RCS) de las aeronaves, pero la interacción del plasma con las microondas es un área bien explorada de la física general del plasma. Los textos de referencia de física de plasma estándar son un buen punto de partida y, por lo general, dedican algún tiempo a discutir la propagación de ondas en plasmas.
Uno de los artículos más interesantes relacionado con el efecto del plasma en el RCS de las aeronaves fue publicado en 1963 por el IEEE . El artículo se titula " Secciones transversales de radar de esferas conductoras y cilindros circulares recubiertos de plasma o dieléctricos " (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, septiembre de 1963, págs. 558–569). Seis años antes, en 1957, los soviéticos habían lanzado el primer satélite artificial. Al intentar rastrear el Sputnik , se notó que sus propiedades de dispersión electromagnética eran diferentes de las que se esperaban para una esfera conductora. Esto se debió a que el satélite viajaba dentro de una capa de plasma: la ionosfera .
La forma simple del Sputnik sirve como una ilustración ideal del efecto del plasma en el RCS de un avión. Naturalmente, una aeronave tendría una forma mucho más elaborada y estaría hecha de una mayor variedad de materiales, pero el efecto básico debería seguir siendo el mismo. En el caso del Sputnik volando a través de la ionosfera a alta velocidad y rodeado por una capa de plasma natural, hay dos reflejos de radar separados: el primero de la superficie conductora del satélite y el segundo de la capa de plasma dieléctrico.
Los autores del artículo encontraron que una capa dieléctrica (plasma) puede disminuir o aumentar el área de eco del objeto. Si cualquiera de los dos reflejos es considerablemente mayor, el reflejo más débil no contribuirá mucho al efecto general. Los autores también afirmaron que la señal EM que penetra en la capa de plasma y se refleja en la superficie del objeto disminuirá en intensidad mientras viaja a través del plasma, como se explicó en la sección anterior.
El efecto más interesante se observa cuando las dos reflexiones son del mismo orden de magnitud. En esta situación, los dos componentes (las dos reflexiones) se agregarán como fasores y el campo resultante determinará el RCS general. Cuando estos dos componentes están desfasados entre sí, se produce la cancelación. Esto significa que, en tales circunstancias, el RCS se vuelve nulo y el objeto es completamente invisible para el radar.
Es evidente de inmediato que sería difícil realizar aproximaciones numéricas similares para la forma compleja de una aeronave. Esto requeriría una gran cantidad de datos experimentales para el fuselaje específico, propiedades del plasma, aspectos aerodinámicos, radiación incidente, etc. En contraste, los cálculos originales discutidos en este documento fueron realizados por un puñado de personas en una computadora IBM 704 fabricada en 1956, y en ese momento, este era un tema novedoso con muy poca experiencia en investigación. Tanto ha cambiado en la ciencia y la ingeniería desde 1963, que las diferencias entre una esfera de metal y un avión de combate moderno palidecen en comparación.
Una aplicación simple del sigilo de plasma es el uso de plasma como antena: los mástiles de antena de metal a menudo tienen grandes secciones transversales de radar, pero un tubo de vidrio hueco lleno de plasma de baja presión también se puede usar como antena, y es completamente transparente para el radar cuando no esta en uso.