La localización por infrarrojos es un sistema pasivo de guía de armas que utiliza la emisión de luz infrarroja (IR) de un objetivo para rastrearlo y seguirlo sin problemas. Los misiles que utilizan la búsqueda por infrarrojos a menudo se denominan "buscadores de calor", ya que los cuerpos calientes irradian fuertemente el infrarrojo. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aviones, generan y emiten calor, por lo que son especialmente visibles en las longitudes de onda de luz infrarroja en comparación con los objetos del fondo.
Los buscadores de infrarrojos son dispositivos pasivos que, a diferencia del radar , no proporcionan ninguna indicación de que están siguiendo un objetivo. Eso los hace adecuados para ataques furtivos durante encuentros visuales o en rangos más largos cuando se usan con un sistema de señales infrarrojo o similar. Los buscadores de calor son extremadamente eficaces: el 90% de todas las pérdidas en combate aéreo de Estados Unidos entre 1984 y 2009 fueron causadas por misiles guiados por infrarrojos. [1] Sin embargo, están sujetos a una serie de contramedidas simples, en particular arrojar bengalas detrás del objetivo para proporcionar falsas fuentes de calor. Eso sólo funciona si el piloto es consciente del misil y despliega las contramedidas a tiempo. La sofisticación de los buscadores modernos ha hecho que estas contramedidas sean cada vez más ineficaces.
Los primeros dispositivos de infrarrojos se experimentaron durante la Segunda Guerra Mundial . Durante la guerra, los ingenieros alemanes estaban trabajando en misiles buscadores de calor y espoletas de proximidad , pero no tuvieron tiempo de completar el desarrollo antes de que terminara la guerra. Los diseños verdaderamente prácticos no fueron posibles hasta la introducción del escaneo cónico y los tubos de vacío miniaturizados durante la guerra. Los sistemas antiaéreos por infrarrojos comenzaron a funcionar a finales de la década de 1940, pero la electrónica y todo el campo de los cohetes eran tan nuevos que requirieron un desarrollo considerable antes de que los primeros ejemplos entraran en servicio a mediados de la década de 1950. Los primeros ejemplos tenían limitaciones significativas y lograron tasas de éxito muy bajas en combate durante la década de 1960. Una nueva generación desarrollada en los años 1970 y 1980 logró grandes avances y mejoró significativamente su letalidad. Los últimos ejemplos de la década de 1990 en adelante tienen la capacidad de atacar objetivos fuera de su campo de visión (FOV) detrás de ellos e incluso detectar vehículos en tierra.
Los buscadores de infrarrojos también son la base de muchas armas semiautomáticas de comando a línea de visión (SACLOS). En este uso, el buscador se monta en una plataforma entrenable en el lanzador y el operador lo mantiene apuntando en la dirección general del objetivo manualmente, a menudo usando un pequeño telescopio. El buscador no rastrea el objetivo, sino el misil, a menudo ayudado por bengalas para proporcionar una señal clara. Las mismas señales de guía se generan y envían al misil a través de cables delgados o señales de radio, guiando el misil hacia el centro del telescopio del operador. Los sistemas SACLOS de este tipo se han utilizado tanto para misiles antitanque como para misiles tierra-aire , así como para otras funciones.
El paquete de sensores infrarrojos en la punta o cabeza de un misil buscador de calor se conoce como cabeza buscadora . El código de brevedad de la OTAN para el lanzamiento de un misil aire-aire guiado por infrarrojos es Fox Two . [2]
La capacidad de ciertas sustancias para emitir electrones cuando son impactadas por luz infrarroja fue descubierta por el famoso erudito indio Jagadish Chandra Bose en 1901, quien vio el efecto en la galena, hoy conocida como sulfuro de plomo, PbS. Hubo pocas solicitudes en ese momento y dejó que caducara su patente de 1904. [3] En 1917, Theodore Case , como parte de su trabajo en lo que se convirtió en el sistema de sonido Movietone , descubrió que una mezcla de talio y azufre era mucho más sensible, pero era muy inestable eléctricamente y demostró ser de poca utilidad como método práctico. detector. [4] Sin embargo, fue utilizado durante algún tiempo por la Marina de los EE. UU . como sistema de comunicaciones seguro. [5]
En 1930, la introducción del fotomultiplicador Ag-O-Cs ( plata - oxígeno - cesio ) proporcionó la primera solución práctica para la detección de IR, combinándolo con una capa de galena como fotocátodo . Al amplificar la señal emitida por la galena, el fotomultiplicador produjo una salida útil que podría usarse para la detección de objetos calientes a largas distancias. [4] Esto provocó avances en varias naciones, en particular el Reino Unido y Alemania, donde se vio como una solución potencial al problema de la detección de bombarderos nocturnos .
En el Reino Unido, la investigación avanzaba con dificultad, e incluso el equipo principal de investigación de Cavendish Labs expresó su deseo de trabajar en otros proyectos, especialmente después de que quedó claro que el radar iba a ser una mejor solución. Sin embargo, Frederick Lindemann , el favorito de Winston Churchill en el Comité Tizard , siguió comprometido con las RI y se volvió cada vez más obstruccionista del trabajo del Comité que, de otro modo, presionaba para el desarrollo del radar. Finalmente disolvieron el Comité y lo reformaron, dejando a Lindemann fuera de la lista, [6] y ocupando su puesto con el conocido experto en radio Edward Victor Appleton . [7]
En Alemania, la investigación sobre radares no recibió el mismo nivel de apoyo que en el Reino Unido y compitió con el desarrollo de IR durante la década de 1930. La investigación de RI fue dirigida principalmente por Edgar Kutzscher en la Universidad de Berlín [8] en colaboración con AEG . [4] En 1940 habían desarrollado con éxito una solución; el Spanner Anlage (más o menos "sistema Peeping Tom") que consiste en un detector fotomultiplicador colocado frente al piloto y un reflector grande equipado con un filtro para limitar la salida al rango de infrarrojos. Esto proporcionó suficiente luz para ver el objetivo a corta distancia, y Spanner Anlage se instaló en un pequeño número de cazas nocturnos Messerschmitt Bf 110 y Dornier Do 17 . Estos resultaron en gran medida inútiles en la práctica y los pilotos se quejaron de que el objetivo a menudo sólo se hacía visible a 200 metros (660 pies), momento en el que lo habrían visto de todos modos. [9] Sólo se construyeron 15 y se eliminaron a medida que los sistemas de radar aerotransportados alemanes mejoraron en 1942. [10]
AEG había estado trabajando con los mismos sistemas para su uso en tanques y desplegó varios modelos durante la guerra, con una producción limitada del FG 1250 a partir de 1943. [4] Este trabajo culminó con el visor Zielgerät 1229 Vampir que se usó con el rifle de asalto StG 44 para uso nocturno. [11]
Los dispositivos mencionados anteriormente eran todos detectores, no buscadores. Producen una señal que indica la dirección general del objetivo o, en el caso de dispositivos posteriores, una imagen. La guía fue completamente manual por parte de un operador mirando la imagen. Durante la guerra, Alemania realizó varios esfuerzos para producir un verdadero sistema de búsqueda automática, tanto para uso antiaéreo como contra barcos. Estos dispositivos todavía estaban en desarrollo cuando terminó la guerra; aunque algunos estaban listos para su uso, no se había trabajado para integrarlos con una estructura de avión de misiles y aún quedaba un esfuerzo considerable antes de que un arma real estuviera lista para su uso. Sin embargo, un informe del verano de 1944 al Ministerio del Aire alemán afirmaba que estos dispositivos estaban mucho mejor desarrollados que los sistemas competidores basados en radar o métodos acústicos. [12]
Consciente de las ventajas de la localización pasiva por infrarrojos, el programa de investigación comenzó con una serie de estudios teóricos considerando las emisiones de los objetivos. Esto llevó al descubrimiento práctico de que la gran mayoría de la salida de infrarrojos de un avión con motor de pistón estaba entre 3 y 4,5 micrómetros. El escape también era un emisor fuerte, pero se enfriaba rápidamente en el aire para no presentar un objetivo de seguimiento falso. [13] También se realizaron estudios sobre la atenuación atmosférica, que demostraron que el aire es generalmente más transparente al IR que la luz visible, aunque la presencia de vapor de agua y dióxido de carbono produjo varias caídas bruscas en la transitividad. [14] Finalmente, también consideraron la cuestión de las fuentes de fondo de IR, incluidos los reflejos de las nubes y efectos similares, y concluyeron que se trataba de un problema debido a la forma en que cambiaba muy fuertemente en el cielo. [15] Esta investigación sugirió que un buscador de infrarrojos podría apuntar a un bombardero trimotor a 5 kilómetros (3,1 millas) con una precisión de aproximadamente 1 ⁄ 10 grados, [16] lo que convierte a un buscador de infrarrojos en un dispositivo muy deseable.
El equipo de Kutzscher desarrolló un sistema con la Compañía Eletroacústica de Kiel, conocida como Hamburgo , que se estaba preparando para su instalación en la bomba planeadora Blohm & Voss BV 143 para producir un misil antibuque automatizado de disparo y olvido. Una versión más avanzada permitía que el bombardero dirigiera al buscador fuera del eje para fijar un objetivo a los lados, sin volar directamente hacia él. Sin embargo, esto presentó el problema de que cuando la bomba fue lanzada por primera vez, viajaba demasiado lentamente para que las superficies aerodinámicas pudieran controlarla fácilmente, y el objetivo a veces se escapaba de la vista del buscador. Se estaba desarrollando una plataforma estabilizada para abordar este problema. La compañía también desarrolló un fusible de proximidad IR que funciona colocando detectores adicionales apuntando radialmente hacia afuera desde la línea central del misil. que se activó cuando la intensidad de la señal comenzó a disminuir, lo que hizo cuando el misil pasó el objetivo. Se trabajó en el uso de un solo sensor para ambas tareas en lugar de dos separados. [17]
Otras empresas también retomaron el trabajo de Eletroacustic y diseñaron sus propios métodos de escaneo. AEG y Kepka de Viena utilizaron sistemas con dos placas móviles que escaneaban continuamente horizontal o verticalmente y determinaban la ubicación del objetivo midiendo el momento en que la imagen desaparecía (AEG) o reaparecía (Kepka). El sistema Kepka Madrid tenía un campo de visión instantáneo (IFOV) de aproximadamente 1,8 grados y escaneaba un patrón completo de 20 grados. Combinado con el movimiento de todo el buscador dentro del misil, podría rastrear en ángulos de hasta 100 grados. Rheinmetall-Borsig y otro equipo de AEG produjeron diferentes variaciones del sistema de disco giratorio. [18]
En la posguerra, a medida que los avances alemanes se hacían más conocidos, comenzaron una serie de proyectos de investigación para desarrollar buscadores basados en el sensor PbS. Estos se combinaron con técnicas desarrolladas durante la guerra para mejorar la precisión de sistemas de radar que de otro modo serían inherentemente inexactos, especialmente el sistema de escaneo cónico . Uno de estos sistemas desarrollado por la Fuerza Aérea del Ejército de EE. UU. (USAAF), conocido como "Sun Tracker", se estaba desarrollando como posible sistema de guía para un misil balístico intercontinental . Las pruebas de este sistema provocaron el accidente del Boeing B-29 en el lago Mead en 1948 . [19]
El proyecto MX-798 de la USAAF fue adjudicado a Hughes Aircraft en 1946 para un misil de seguimiento por infrarrojos. El diseño utilizó un buscador de retícula simple y un sistema activo para controlar el balanceo durante el vuelo. Este fue reemplazado al año siguiente por el MX-904, requiriendo una versión supersónica. En esta etapa, el concepto era el de un arma defensiva disparada hacia atrás desde un tubo largo en la parte trasera de los aviones bombarderos . En abril de 1949, el proyecto del misil Firebird fue cancelado y el MX-904 fue redirigido para convertirse en un arma de combate de avance. [20] Los primeros disparos de prueba comenzaron en 1949, cuando se le dio la designación AAM-A-2 (Misil aire-aire, Fuerza Aérea, modelo 2) y el nombre Falcon. Las versiones IR y de radar semiactivo (SARH) entraron en servicio en 1956 y se conocieron como AIM-4 Falcon después de 1962. El Falcon era un sistema complejo que ofrecía un rendimiento limitado, especialmente debido a su falta de un fusible de proximidad, y Logró sólo una tasa de muertes del 9% en 54 disparos durante la Operación Rolling Thunder en la Guerra de Vietnam . [21] Sin embargo, esta tasa de éxito relativamente baja debe apreciarse en el contexto de todas estas muertes que representan impactos directos, algo que no fue cierto para todas las muertes realizadas por otros AAM estadounidenses.
En el mismo año que el MX-798, 1946, William B. McLean inició estudios de un concepto similar en la Estación de Pruebas de Artillería Naval, hoy conocida como Estación de Armas Aéreas Navales de China Lake . Pasó tres años simplemente considerando varios diseños, lo que llevó a un diseño considerablemente menos complicado que el Falcon. Cuando su equipo tuvo un diseño que creían que sería viable, comenzaron a intentar adaptarlo al cohete Zuni de 5 pulgadas recién presentado . Lo presentaron en 1951 y se convirtió en proyecto oficial al año siguiente. Wally Schirra recuerda haber visitado el laboratorio y haber visto al buscador seguir su cigarrillo. [22] El misil recibió el nombre de Sidewinder en honor a una serpiente local; El nombre tenía un segundo significado, ya que el sidewinder es una víbora que caza por calor y se mueve en un patrón ondulado similar al misil. [23] El Sidewinder entró en servicio en 1957 y fue ampliamente utilizado durante la guerra de Vietnam. Resultó ser un arma mejor que el Falcon: los modelos B lograron una tasa de muerte del 14%, mientras que los modelos D de mucho mayor alcance lograron un 19%. Su rendimiento y menor costo llevaron a la Fuerza Aérea a adoptarlo también. [21] [24]
El primer buscador de calor construido fuera de EE. UU. fue el De Havilland Firestreak del Reino Unido . El desarrollo comenzó como OR.1056 Red Hawk , pero se consideró demasiado avanzado, y en 1951 se lanzó un concepto modificado como OR.1117 y se le dio el nombre clave Blue Jay . Diseñado como arma antibombarderos, el Blue Jay era más grande, mucho más pesado y volaba más rápido que sus homólogos estadounidenses, pero tenía aproximadamente el mismo alcance. Tenía un buscador más avanzado, que usaba PbTe y se enfriaba a -180 °C (-292,0 °F) con amoníaco anhidro para mejorar su rendimiento. Una característica distintiva fue su cono de nariz facetado, que fue seleccionado después de que se descubrió que el hielo se acumularía en una cúpula hemisférica más convencional. La primera prueba de disparo tuvo lugar en 1955 y entró en servicio con la Royal Air Force en agosto de 1958. [25]
El proyecto francés R.510 comenzó más tarde que Firestreak y entró en servicio experimental en 1957, pero fue rápidamente reemplazado por una versión de radar, el R.511. Ninguno de los dos era muy efectivo y tenía un alcance corto del orden de 3 km. Ambos fueron reemplazados por el primer diseño francés efectivo, el R.530 , en 1962. [26]
Los soviéticos introdujeron su primer misil guiado por infrarrojos, el Vympel K-13 en 1961, después de aplicar ingeniería inversa a un Sidewinder que se atascó en el ala de un MiG-17 chino en 1958 durante la Segunda Crisis del Estrecho de Taiwán . El K-13 se exportó ampliamente y se enfrentó a su primo en Vietnam durante toda la guerra. Resultó incluso menos fiable que el AIM-9B en el que se basaba, y el sistema de guía y la mecha sufrían fallos continuos. [21]
Cuando Vietnam reveló el terrible desempeño de los diseños de misiles existentes, comenzaron una serie de esfuerzos para abordarlos. En los EE. UU., se llevaron a cabo mejoras menores al Sidewinder lo antes posible, pero en términos más generales, a los pilotos se les enseñaron técnicas de combate adecuadas para que no dispararan tan pronto como escucharan el tono del misil y, en cambio, se movieran a una posición donde el misil. Podría continuar rastreando incluso después del lanzamiento. Este problema también llevó a esfuerzos para fabricar nuevos misiles que alcanzaran sus objetivos incluso si se lanzaran desde estas posiciones menos que ideales. En el Reino Unido esto dio lugar al proyecto SRAAM , que finalmente fue víctima de requisitos en constante cambio. [27] Dos programas estadounidenses, AIM-82 y AIM-95 Agile , corrieron suerte similar. [28]
Durante la década de 1970 comenzaron a aparecer nuevos diseños de buscadores que dieron lugar a una serie de misiles más avanzados. Comenzó una mejora importante en el Sidewinder, proporcionándole un buscador que era lo suficientemente sensible como para rastrear desde cualquier ángulo, dándole al misil capacidad en todos los aspectos por primera vez. Esto se combinó con un nuevo patrón de escaneo que ayudó a rechazar fuentes confusas (como el sol reflejándose en las nubes) y mejorar la orientación hacia el objetivo. Un pequeño número de los modelos L resultantes fueron llevados rápidamente al Reino Unido justo antes de su participación en la Guerra de las Malvinas , donde lograron una tasa de muertes del 82%, y los fallos se debieron generalmente a que el avión objetivo volaba fuera de alcance. [22] Los aviones argentinos, equipados con Sidewinder B y R.550 Magic , sólo podían disparar desde atrás, lo que los pilotos británicos simplemente evitaban volando siempre directamente hacia ellos. El L fue tan efectivo que los aviones se apresuraron a agregar contramedidas a las bengalas, lo que llevó a otra mejora menor del modelo M para rechazar mejor las bengalas. Los modelos L y M pasarían a ser la columna vertebral de las fuerzas aéreas occidentales hasta el final de la era de la Guerra Fría .
Los soviéticos dieron un paso aún mayor con su R-73 , que reemplazó al K-13 y otros con un diseño dramáticamente mejorado. Este misil introdujo la capacidad de dispararse contra objetivos completamente fuera de la vista del buscador; Después de disparar, el misil se orientaría en la dirección indicada por el lanzador y luego intentaría fijarlo. Cuando se combina con una mira montada en el casco , el misil podría recibir indicaciones y apuntar sin que el avión de lanzamiento tenga que apuntar primero al objetivo. Esto demostró ofrecer importantes ventajas en combate y causó gran preocupación entre las fuerzas occidentales. [29]
La solución al problema del R-73 inicialmente iba a ser el ASRAAM , un diseño paneuropeo que combinaba el rendimiento del R-73 con un buscador de imágenes. En un acuerdo de amplio alcance, Estados Unidos acordó adoptar ASRAAM para su nuevo misil de corto alcance, mientras que los europeos adoptarían AMRAAM como su arma de mediano alcance. Sin embargo, ASRAAM pronto sufrió retrasos irresolubles cuando cada uno de los países miembros decidió que una métrica de desempeño diferente era más importante. Estados Unidos finalmente se retiró del programa y, en su lugar, adaptó los nuevos buscadores desarrollados para ASRAAM en otra versión del Sidewinder, el AIM-9X. Esto prolonga tanto su vida útil que habrá estado en servicio durante casi un siglo cuando el avión actual deje de funcionar. ASRAAM finalmente entregó un misil que ha sido adoptado por varias fuerzas europeas y muchas de las mismas tecnologías han aparecido en el PL-10 chino y el Python-5 israelí .
Basado en los mismos principios generales que el Sidewinder original, en 1955 Convair inició estudios sobre un pequeño misil portátil ( MANPADS ) que surgiría como el FIM-43 Redeye . Al comenzar las pruebas en 1961, el diseño preliminar demostró tener un rendimiento deficiente y a ello le siguieron una serie de mejoras importantes. No fue hasta 1968 que se puso en producción la versión Block III. [30]
Los soviéticos comenzaron a desarrollar dos armas casi idénticas en 1964, Strela-1 y Strela-2. El desarrollo de estos avanzó mucho mejor, ya que el 9K32 Strela-2 entró en servicio en 1968 después de menos años de desarrollo que el Redeye. [31] Originalmente un diseño competitivo, el 9K31 Strela-1 aumentó considerablemente de tamaño para aplicaciones de vehículos y entró en servicio aproximadamente al mismo tiempo. El Reino Unido comenzó a desarrollar su cerbatana en 1975, pero colocó el buscador en el lanzador en lugar del propio misil. El buscador detectó tanto el objetivo como el misil y envió correcciones al misil a través de un enlace de radio. Estas primeras armas resultaron ineficaces, ya que la cerbatana fallaba en casi todos los usos de combate, [32] mientras que al Redeye le fue algo mejor. El Strela-2 obtuvo mejores resultados y consiguió varias victorias en Oriente Medio y Vietnam. [33]
En 1967 se inició un importante programa de mejora para el Redeye, con el nombre de Redeye II. Las pruebas no comenzaron hasta 1975 y las primeras entregas del ahora renombrado FIM-92 Stinger comenzaron en 1978. En 1983 se añadió un buscador de roseta mejorado al modelo B, y le siguieron varias actualizaciones adicionales. Enviados a la guerra afgana-soviética , afirmaron una tasa de éxito del 79% contra helicópteros soviéticos, [34] aunque esto es objeto de debate. [35] Los soviéticos también mejoraron sus propias versiones, introduciendo el 9K34 Strela-3 en 1974, y el 9K38 Igla de doble frecuencia muy mejorado en 1983, y el Igla-S en 2004. [36]
Los tres materiales principales utilizados en el sensor de infrarrojos son el sulfuro de plomo (II) (PbS), el antimonuro de indio (InSb) y el telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe). Los sensores más antiguos tienden a usar PbS, los sensores más nuevos tienden a usar InSb o HgCdTe. Todos funcionan mejor cuando están fríos, ya que son más sensibles y capaces de detectar objetos más fríos.
Los primeros buscadores de infrarrojos eran más eficaces para detectar radiación infrarroja con longitudes de onda más cortas, como las emisiones de 4,2 micrómetros del flujo de salida de dióxido de carbono de un motor a reacción . Esto los hizo útiles principalmente en escenarios de persecución de cola, donde el escape era visible y la aproximación del misil también lo llevaba hacia el avión. En combate, estos resultaron extremadamente ineficaces ya que los pilotos intentaban disparar tan pronto como el buscador veía el objetivo, lanzándolos en ángulos donde los motores del objetivo quedaban rápidamente oscurecidos o salían del campo de visión del misil. Estos buscadores, que son más sensibles en el rango de 3 a 5 micrómetros, ahora se denominan buscadores de un solo color . Esto llevó a nuevos buscadores sensibles tanto al escape como al rango de longitud de onda más largo de 8 a 13 micrómetros , que es menos absorbido por la atmósfera y, por lo tanto, permite detectar fuentes más tenues como el propio fuselaje. Estos diseños se conocen como misiles "todo aspecto". Los buscadores modernos combinan varios detectores y se denominan sistemas de dos colores .
Los buscadores de todos los aspectos también tienden a requerir enfriamiento para darles el alto grado de sensibilidad requerido para captar las señales de nivel inferior provenientes del frente y los costados de una aeronave. El calor de fondo desde el interior del sensor, o la ventana del sensor calentada aerodinámicamente, puede dominar la señal débil que ingresa al sensor desde el objetivo. (Los CCD de las cámaras tienen problemas similares; tienen mucho más "ruido" a temperaturas más altas). Los misiles modernos de todos los aspectos, como el AIM-9M Sidewinder y el Stinger, utilizan gas comprimido como el argón para enfriar sus sensores y fijar el objetivo en alcances más largos y todos los aspectos. (Algunos como el AIM-9J y el modelo anterior R-60 usaban un refrigerador termoeléctrico Peltier ).
El detector de los primeros buscadores era apenas direccional y aceptaba luz desde un campo de visión (FOV) muy amplio, quizás de 100 grados de ancho o más. Un objetivo ubicado en cualquier lugar dentro de ese FOV produce la misma señal de salida. Dado que el objetivo del buscador es llevar el objetivo dentro del radio letal de su ojiva, el detector debe estar equipado con algún sistema para reducir el campo de visión a un ángulo menor. Esto normalmente se logra colocando el detector en el punto focal de algún tipo de telescopio .
Esto conduce a un problema de requisitos de desempeño contradictorios. A medida que se reduce el campo de visión, el buscador se vuelve más preciso y esto también ayuda a eliminar las fuentes de fondo, lo que ayuda a mejorar el seguimiento. Sin embargo, limitarlo demasiado permite que el objetivo se salga del campo de visión y el buscador lo pierda. Para que sea eficaz como guía hacia el radio letal, los ángulos de seguimiento de quizás un grado son ideales, pero para poder seguir continuamente al objetivo de forma segura, se desean campos de visión del orden de 10 grados o más. [ cita necesaria ]
Esta situación lleva al uso de una serie de diseños que utilizan un campo de visión relativamente amplio para permitir un seguimiento fácil y luego procesan la señal recibida de alguna manera para obtener precisión adicional como guía. Generalmente, todo el conjunto del buscador está montado en un sistema de cardán que le permite rastrear el objetivo a través de ángulos amplios, y el ángulo entre el buscador y el misil se utiliza para producir correcciones de guía.
Esto da lugar a los conceptos de campo de visión instantáneo (IFOV), que es el ángulo que ve el detector, y el campo de visión general, también conocido como ángulo de virada o capacidad de desvío , que incluye el movimiento de todo el conjunto del buscador. Dado que el conjunto no puede moverse instantáneamente, un objetivo que se mueve rápidamente a través de la línea de vuelo del misil puede perderse del IFOV, lo que da lugar al concepto de velocidad de seguimiento , normalmente expresada en grados por segundo.
Algunos de los primeros buscadores alemanes utilizaron una solución de escaneo lineal, donde se movían ranuras verticales y horizontales hacia adelante y hacia atrás frente al detector, o en el caso de Madrid , se inclinaban dos paletas metálicas para bloquear más o menos la señal. . Comparando el momento en que se recibió el flash con la ubicación del escáner en ese momento, se puede determinar el ángulo vertical y horizontal. [18] Sin embargo, estos buscadores también tienen la gran desventaja de que su campo de visión está determinado por el tamaño físico de la rendija (o barra opaca). Si se configura demasiado pequeño, la imagen del objetivo será demasiado pequeña para crear una señal útil, mientras que si se configura demasiado grande, la imagen será inexacta. Por este motivo, los escáneres lineales tienen limitaciones de precisión inherentes. Además, el movimiento alternativo dual es complejo y mecánicamente poco fiable y, por lo general, es necesario utilizar dos detectores separados.
La mayoría de los primeros buscadores utilizaban los llamados buscadores de giro , helicóptero o retícula . Estos consistían en una placa transparente con una secuencia de segmentos opacos pintados que se colocaba delante del detector de infrarrojos. La placa gira a una velocidad fija, lo que hace que la imagen del objetivo se interrumpa o corte periódicamente . [37]
El sistema de Hamburgo desarrollado durante la guerra es el más simple y el más fácil de entender. Su helicóptero estaba pintado de negro en una mitad y la otra mitad se dejó transparente. [38]
Para esta descripción consideramos que el disco gira en el sentido de las agujas del reloj visto desde el sensor; Llamaremos al punto de la rotación cuando la línea entre las mitades oscura y clara sea horizontal y el lado transparente esté en la parte superior como la posición de las 12 en punto. Detrás del disco hay una fotocélula en la posición de las 12 en punto. [38]
Un objetivo se encuentra justo encima del misil. El sensor comienza a ver el objetivo cuando el disco está a las 9 en punto, ya que la parte transparente del helicóptero está alineada verticalmente hacia el objetivo a las 12 en punto y se vuelve visible. El sensor continúa viendo el objetivo hasta que el helicóptero llega a las 3 en punto. [38]
Un generador de señales produce una forma de onda de CA que tiene la misma frecuencia que la velocidad de rotación del disco. Está cronometrado para que la forma de onda alcance su máximo punto de voltaje positivo posible en la posición de las 12 en punto. Por lo tanto, durante el período en que el objetivo es visible para el sensor, la forma de onda de CA está en el período de voltaje positivo, variando de cero a su máximo y de regreso a cero. [38]
Cuando el objetivo desaparece, el sensor activa un interruptor que invierte la salida de la señal de CA. Por ejemplo, cuando el disco alcanza la posición de las 3 en punto y el objetivo desaparece, se activa el interruptor. Este es el mismo instante en que la forma de onda de CA original comienza la porción de voltaje negativo de su forma de onda, por lo que el interruptor la invierte nuevamente a positiva. Cuando el disco alcanza la posición de las 9 en punto, la celda vuelve a conmutar, sin invertir más la señal, que ahora vuelve a entrar en su fase positiva. La salida resultante de esta celda es una serie de ondas semisinusoidales, siempre positivas. Luego, esta señal se suaviza para producir una salida de CC, que se envía al sistema de control y ordena al misil que se eleve. [38]
Una segunda celda situada en la posición de las 3 horas completa el sistema. En este caso, el cambio no se produce en las posiciones de las 9 y las 3, sino en las 12 y las 6. Considerando el mismo objetivo, en este caso, la forma de onda acaba de alcanzar su punto máximo positivo a las 12 en punto cuando cambia a negativo. Seguir este proceso alrededor de la rotación provoca una serie de ondas sinusoidales positivas y negativas cortadas. Cuando esto pasa a través del mismo sistema de suavizado, la salida es cero. Esto significa que el misil no tiene que girar hacia la izquierda o hacia la derecha. Si el objetivo se moviera hacia la derecha, por ejemplo, la señal sería cada vez más positiva desde el punto más suave, lo que indicaría correcciones crecientes hacia la derecha. En la práctica, no se requiere una segunda fotocélula; en cambio, ambas señales se pueden extraer de una sola fotocélula con el uso de retardos eléctricos o una segunda señal de referencia desfasada 90 grados con respecto a la primera. [38]
Este sistema produce una señal que es sensible al ángulo alrededor de la esfera del reloj, el rumbo , pero no al ángulo entre el objetivo y la línea central del misil, el ángulo de desviación (o error de ángulo ). Esto no era necesario para los misiles antibuque en los que el objetivo se mueve muy lentamente en relación con el misil y el misil se alinea rápidamente con el objetivo. No era apropiado para uso aire-aire donde las velocidades eran mayores y se deseaba un movimiento de control más suave. En este caso, el sistema se cambió sólo ligeramente, por lo que el disco modulador tenía un patrón cardioide que anulaba la señal durante más o menos tiempo dependiendo de qué tan lejos de la línea central estaba. Otros sistemas utilizaron un segundo disco de escaneo con ranuras radiales para proporcionar el mismo resultado pero desde un segundo circuito de salida. [39]
AEG desarrolló un sistema mucho más avanzado durante la guerra, y esto formó la base de la mayoría de los experimentos de posguerra. En este caso, el disco tenía una serie de regiones opacas, a menudo en una serie de franjas radiales que formaban un patrón de rebanada de pizza. Al igual que el Hamburgo , se generó una señal de CA que coincidía con la frecuencia de rotación del disco. Sin embargo, en este caso la señal no se enciende y apaga según el ángulo, sino que se activa constantemente y muy rápidamente. Esto crea una serie de pulsos que se suavizan para producir una segunda señal de CA a la misma frecuencia que la señal de prueba, pero cuya fase está controlada por la posición real del objetivo con respecto al disco. Comparando la fase de las dos señales, se puede determinar tanto la corrección vertical como la horizontal a partir de una única señal. Se realizó una gran mejora como parte del programa Sidewinder, alimentando la salida a los auriculares del piloto donde crea una especie de gruñido conocido como tono de misil que indica que el objetivo es visible para el buscador. [40]
En los primeros sistemas, esta señal se enviaba directamente a las superficies de control, lo que provocaba movimientos rápidos para volver a alinear el misil, un sistema de control conocido como "bang-bang". Los controles bang-bang son extremadamente ineficientes aerodinámicamente, especialmente cuando el objetivo se acerca a la línea central y los controles se mueven continuamente hacia adelante y hacia atrás sin ningún efecto real. Esto lleva al deseo de suavizar estas salidas o de medir el ángulo de salida e introducirlo también en los controles. Esto se puede lograr con el mismo disco y algo de trabajo en la disposición física de la óptica. Dado que la distancia física entre las barras radiales es mayor en la posición exterior del disco, la imagen del objetivo en la fotocélula también es mayor y, por tanto, tiene una mayor salida. Al disponer la óptica de manera que la señal se corte cada vez más cerca del centro del disco, la señal de salida resultante varía en amplitud con el ángulo de salida. Sin embargo, también variará en amplitud a medida que el misil se acerca al objetivo, por lo que no es un sistema completo en sí mismo y a menudo se desea alguna forma de control automático de ganancia . [40]
Los sistemas de escaneo giratorio pueden eliminar la señal de fuentes extendidas, como la luz solar reflejada en las nubes o la arena caliente del desierto. Para ello, se modifica la retícula haciendo que la mitad de la placa quede cubierta no con rayas sino con un 50% de color de transmisión. La salida de dicho sistema es una onda sinusoidal durante la mitad de la rotación y una señal constante durante la otra mitad. La salida fija varía con la iluminación general del cielo. Un objetivo extendido que abarque varios segmentos, como una nube, también provocará una señal fija, y cualquier señal que se aproxime a la señal fija se filtra. [40] [37]
Un problema importante con el sistema de escaneo de giro es que la señal cuando el objetivo está cerca del centro cae a cero. Esto se debe a que incluso su imagen pequeña cubre varios segmentos a medida que se estrechan en el centro, produciendo una señal lo suficientemente similar a una fuente extendida como para filtrarla. Esto hace que estos buscadores sean extremadamente sensibles a las bengalas, que se alejan del avión y, por lo tanto, producen una señal cada vez mayor mientras que el avión proporciona poca o ninguna. Además, a medida que el misil se acerca al objetivo, cambios más pequeños en el ángulo relativo son suficientes para sacarlo de esta área central nula y comenzar a generar entradas de control nuevamente. Con un controlador bang-bang, tales diseños tienden a comenzar a reaccionar exageradamente durante los últimos momentos de la aproximación, provocando grandes distancias de error y exigiendo ojivas grandes. [37]
Una gran mejora con respecto al concepto básico de escaneo giratorio es el escáner cónico o con-scan . En esta disposición, se coloca una retícula fija frente al detector y ambas se ubican en el punto de enfoque de un pequeño telescopio reflector Cassegrain . El espejo secundario del telescopio apunta ligeramente fuera del eje y gira. Esto hace que la imagen del objetivo gire alrededor de la retícula , en lugar de que la propia retícula gire. [41]
Considere un sistema de ejemplo en el que el espejo del buscador está inclinado 5 grados y el misil sigue un objetivo que actualmente está centrado frente al misil. A medida que el espejo gira, hace que la imagen del objetivo se refleje en la dirección opuesta, por lo que en este caso la imagen se mueve en un círculo a 5 grados de la línea central de la retícula. Eso significa que incluso un objetivo centrado crea una señal variable cuando pasa sobre las marcas de la retícula. En este mismo instante, un sistema de escaneo de espín estaría produciendo una salida constante en su centro nulo. El buscador de escaneo seguirá viendo las bengalas y causarán confusión, pero ya no abrumarán la señal del objetivo como ocurre en el caso del escaneo de giro cuando la bengala abandona el punto nulo. [41]
La extracción del rumbo del objetivo se realiza de la misma manera que el sistema de escaneo de giro, comparando la señal de salida con una señal de referencia generada por los motores que hacen girar el espejo. Sin embargo, extraer el ángulo es algo más complejo. En el sistema de escaneo de giro, es el período de tiempo entre pulsos lo que codifica el ángulo, al aumentar o disminuir la intensidad de la señal de salida. Esto no ocurre en el sistema con-scan, donde la imagen está aproximadamente centrada en la retícula en todo momento. En cambio, es la forma en que los pulsos cambian a lo largo del tiempo de un ciclo de exploración lo que revela el ángulo. [42]
Considere un objetivo ubicado a 10 grados a la izquierda de la línea central. Cuando el espejo apunta hacia la izquierda, el objetivo parece estar cerca del centro del espejo y, por lo tanto, proyecta una imagen 5 grados a la izquierda de la línea central de la retícula. Cuando gira para apuntar hacia arriba, el ángulo relativo del objetivo es cero, por lo que la imagen aparece 5 grados hacia abajo desde la línea central, y cuando apunta hacia la derecha, 15 grados hacia la izquierda. [42]
Dado que el ángulo de salida de la retícula hace que la longitud del pulso de salida cambie, el resultado de que esta señal se envíe al mezclador es una frecuencia modulada (FM), que sube y baja durante el ciclo de giro. Esta información luego se extrae en el sistema de control como guía. Una ventaja importante del sistema con-scan es que la señal de FM es proporcional al ángulo de salida, lo que proporciona una solución simple para mover suavemente las superficies de control, lo que resulta en una aerodinámica mucho más eficiente. Esto también mejora enormemente la precisión; Un misil de barrido giratorio que se aproxima al objetivo estará sujeto a señales continuas a medida que el objetivo se mueve dentro y fuera de la línea central, lo que hace que los controles bang-bang dirijan el misil con correcciones salvajes, mientras que la señal FM del con-scan elimina esto. efecto y mejora el error circular probable (CEP) a tan sólo un metro. [41]
La mayoría de los sistemas de escaneo intentan mantener la imagen del objetivo lo más cerca posible del borde de la retícula, ya que esto provoca el mayor cambio en la señal de salida a medida que el objetivo se mueve. Sin embargo, esto también suele provocar que el objetivo se salga completamente de la retícula cuando el espejo apunta en dirección opuesta al objetivo. Para solucionar este problema, el centro de la retícula está pintado con un patrón de transmisión del 50%, de modo que cuando la imagen lo cruza, la salida se vuelve fija. Pero debido a que el espejo se mueve, este período es breve y el escaneo interrumpido normal comienza cuando el espejo comienza a apuntar hacia el objetivo nuevamente. El buscador puede saber cuándo la imagen está en esta región porque ocurre justo enfrente del punto en el que la imagen desaparece por completo del buscador y la señal desaparece. Al examinar la señal cuando se sabe que está cruzando este punto, se produce una señal AM idéntica al buscador de escaneo de espín. Por lo tanto, por el costo de la electrónica y los temporizadores adicionales, el sistema con-scan puede mantener el seguimiento incluso cuando el objetivo está fuera del eje, otra ventaja importante sobre el campo de visión limitado de los sistemas de escaneo por giro. [42]
El buscador de matriz cruzada simula la acción de una retícula en un sistema de escaneo a través del diseño físico de los propios detectores. Las fotocélulas clásicas son normalmente redondas, pero las mejoras en las técnicas de construcción y especialmente en la fabricación de estado sólido permiten construirlas en cualquier forma. En el sistema de matriz cruzada (típicamente), cuatro detectores rectangulares están dispuestos en forma de cruz (+). El escaneo se lleva a cabo de manera idéntica al con-scan, lo que hace que la imagen del objetivo se explore a través de cada uno de los detectores por turno. [43]
Para un objetivo centrado en el FOV, la imagen rodea los detectores y los cruza en el mismo punto relativo. Esto hace que la señal de cada uno sea pulsos idénticos en un momento determinado. Sin embargo, si el objetivo no está centrado, la ruta de la imagen se desplazará, como antes. En este caso, la distancia entre los detectores separados hace que el retraso entre la reaparición de la señal varíe, más largo para imágenes más alejadas de la línea central y más corto cuando están más cerca. Los circuitos conectados a los espejos producen esta señal estimada como control, como en el caso del con-scan. La comparación de la señal del detector con la señal de control produce las correcciones requeridas. [43]
La ventaja de este diseño es que permite un rechazo de llamaradas muy mejorado. Debido a que los detectores son delgados de lado a lado, efectivamente tienen un campo de visión extremadamente estrecho, independientemente de la disposición de los espejos del telescopio. En el lanzamiento, la ubicación del objetivo se codifica en la memoria del buscador, y el buscador determina cuándo espera ver esa señal cruzando los detectores. A partir de entonces se podrán rechazar todas las señales que lleguen fuera de los breves periodos determinados por la señal de control. Dado que las bengalas tienden a detenerse en el aire casi inmediatamente después de su liberación, desaparecen rápidamente de las puertas del escáner. [43] La única forma de falsificar un sistema de este tipo es lanzar bengalas continuamente para que algunas estén siempre cerca de la aeronave, o utilizar una bengala remolcada.
El buscador de rosetas , también conocido como pseudoimager , utiliza gran parte del diseño mecánico del sistema con-scan, pero agrega otro espejo o prisma para crear un patrón más complejo, dibujando una roseta . [44] En comparación con el ángulo fijo del con-scan, el patrón de roseta hace que la imagen se escanee en ángulos mayores. Los sensores en los ejes de transmisión se alimentan a un mezclador que produce una señal FM de muestra. Mezclar esta señal con la del buscador elimina el movimiento, produciendo una señal de salida idéntica a la del con-scan. Una ventaja importante es que el buscador de rosetas explora una porción más amplia del cielo, lo que hace mucho más difícil que el objetivo salga del campo de visión. [43]
La desventaja del escaneo de roseta es que produce un resultado muy complejo. Los objetos dentro del campo de visión del buscador producen señales completamente separadas mientras explora el cielo; el sistema podría ver el objetivo, las bengalas, el sol y el suelo en diferentes momentos. Para procesar esta información y extraer el objetivo, las señales individuales se envían a la memoria de una computadora . Durante el escaneo completo se produce una imagen 2D, lo que le da el nombre de pseudo generador de imágenes. [43] Aunque esto hace que el sistema sea más complejo, la imagen resultante ofrece mucha más información. Las llamaradas pueden reconocerse y rechazarse por su pequeño tamaño, las nubes por su mayor tamaño, etc. [44]
Los misiles buscadores de calor modernos utilizan imágenes infrarrojas ( IIR ), donde el sensor IR/UV es una matriz de plano focal que es capaz de producir una imagen en infrarrojo, muy parecida al CCD de una cámara digital. Esto requiere mucho más procesamiento de señales, pero puede ser mucho más preciso y más difícil de engañar con señuelos. Además de ser más resistentes a las llamaradas, los buscadores más nuevos también tienen menos probabilidades de ser engañados para fijarse en el sol, otro truco común para evitar los misiles buscadores de calor. Mediante el uso de técnicas avanzadas de procesamiento de imágenes, la forma del objetivo se puede utilizar para encontrar su parte más vulnerable hacia la que luego se dirige el misil. [45] Todos los misiles aire-aire occidentales de corto alcance, como el AIM-9X Sidewinder y el ASRAAM, utilizan buscadores de imágenes infrarrojas, así como el PL-10 SRAAM chino, el TC-1 taiwanés , el Python-5 israelí y el R ruso. -74M/M2 .
Hay dos formas principales de derrotar a los buscadores de infrarrojos: utilizando bengalas o bloqueadores de infrarrojos.
Los primeros buscadores no tomaban imágenes del objetivo y cualquier cosa dentro de su campo de visión crearía una salida. Una bengala lanzada por el objetivo provoca que aparezca una segunda señal dentro del campo de visión, lo que produce una salida de segundo ángulo y la posibilidad de que el buscador comience a apuntar a la bengala. Contra los primeros buscadores de escaneo de giro, esto fue extremadamente efectivo porque la señal del objetivo se minimizó a mitad del recorrido, por lo que incluso una señal débil de la bengala sería vista y rastreada. Por supuesto, si esto sucede, la llamarada desaparece de la vista y el avión vuelve a ser visible. Sin embargo, si el avión sale del campo de visión durante este tiempo, lo que ocurre rápidamente, el misil ya no podrá volver a alcanzar el objetivo.
Una solución al problema de las llamaradas es utilizar un buscador de doble frecuencia. Los primeros buscadores utilizaban un único detector que era sensible a partes muy calientes del avión y al escape del avión, lo que los hacía adecuados para escenarios de persecución de cola. Para permitir que el misil lo rastreara desde cualquier ángulo, se agregaron nuevos detectores que también eran mucho más sensibles en otras frecuencias. Esto presentó una manera de distinguir las bengalas; Los dos buscadores vieron diferentes ubicaciones para el avión objetivo (el avión en sí y no su escape), pero apareció una llamarada en el mismo punto en ambas frecuencias. Estos podrían entonces eliminarse.
Se utilizaron sistemas más complejos con procesamiento digital, especialmente buscadores de matriz cruzada y roseta. Estos tenían campos de visión instantáneos (IFOV) tan extremadamente estrechos que podían procesarse para producir una imagen, de la misma manera que un escáner de escritorio . Al recordar la ubicación del objetivo de un escaneo a otro, se podrían eliminar los objetos que se mueven a altas velocidades en relación con el objetivo. Esto se conoce como filtrado cinematográfico . [46] El mismo proceso es utilizado por los sistemas de imágenes, que obtienen imágenes directamente en lugar de escanear, y tienen la capacidad adicional de eliminar objetivos pequeños midiendo su tamaño angular directamente.
Los primeros sistemas de búsqueda determinaban el ángulo con respecto al objetivo midiendo el tiempo de recepción de la señal. Esto los hace susceptibles a interferencias al emitir señales falsas que son tan poderosas que se ven incluso cuando la retícula del buscador cubre el sensor. Los primeros bloqueadores como el AN/ALQ-144 utilizaban un bloque calentado de carburo de silicio como fuente de infrarrojos y lo rodeaban con un conjunto giratorio de lentes que enviaban la imagen como una serie de puntos que recorrían el cielo. Las versiones modernas suelen utilizar un láser infrarrojo que brilla sobre un espejo que gira rápidamente. A medida que el rayo pinta al buscador, provoca que aparezca un destello de luz fuera de secuencia, interrumpiendo el patrón de sincronización utilizado para calcular el ángulo. Cuando tienen éxito, los bloqueadores de infrarrojos hacen que el misil vuele aleatoriamente. [47]
Los bloqueadores de infrarrojos tienen mucho menos éxito contra los buscadores de imágenes modernos, porque no dependen del tiempo para sus mediciones. En estos casos, el bloqueador puede ser perjudicial, ya que proporciona una señal adicional en el mismo lugar que el objetivo. Algunos sistemas modernos ahora ubican sus bloqueadores en cápsulas de contramedidas remolcadas, dependiendo de que el misil se dirija a la señal fuerte, pero los sistemas modernos de procesamiento de imágenes pueden hacer que esto sea ineficaz y pueden requerir que la cápsula se parezca lo más posible al avión original, lo que complica aún más la tarea. diseño. [47]
Una técnica más moderna basada en láser elimina el escaneo y en su lugar utiliza alguna otra forma de detección para identificar el misil y apuntar el láser directamente hacia él. Esto ciega continuamente al buscador y es útil incluso contra los buscadores de imágenes modernos. Estas contramedidas infrarrojas direccionales ( DIRCM ) son muy efectivas, también son muy costosas y generalmente solo son adecuadas para aviones que no están maniobrando, como aviones de carga y helicópteros. Su implementación se complica aún más al colocar filtros delante del generador de imágenes para eliminar cualquier señal fuera de frecuencia, lo que requiere que el láser se sintonice con la frecuencia del buscador o recorra un rango. Incluso se han realizado algunos trabajos en sistemas con potencia suficiente para dañar ópticamente el cono de la nariz o los filtros dentro del misil, pero esto sigue estando más allá de las capacidades actuales. [47]
La mayoría de los misiles guiados por infrarrojos tienen sus buscadores montados en un cardán . Esto permite que el sensor apunte al objetivo cuando el misil no lo está. Esto es importante por dos razones principales. Una es que antes y durante el lanzamiento, el misil no siempre puede apuntar al objetivo. Más bien, el piloto u operador apunta al buscador al objetivo mediante un radar , una mira montada en el casco, una mira óptica o posiblemente apuntando el morro del avión o del lanzador de misiles directamente al objetivo. Una vez que el buscador ve y reconoce el objetivo, se lo indica al operador, quien normalmente "desenjaula" al buscador (al que se le permite seguir al objetivo). Después de este punto, el buscador permanece fijado en el objetivo, incluso si el avión o la plataforma de lanzamiento se mueve. Cuando se lanza el arma, es posible que no pueda controlar la dirección a la que apunta hasta que el motor se dispara y alcanza una velocidad lo suficientemente alta como para que sus aletas controlen su dirección de desplazamiento. Hasta entonces, el buscador con cardán debe poder rastrear al objetivo de forma independiente.
Finalmente, incluso cuando esté bajo control positivo y en camino a interceptar el objetivo, probablemente no estará apuntando directamente hacia él; A menos que el objetivo se esté moviendo directamente hacia o alejándose de la plataforma de lanzamiento, el camino más corto para interceptar el objetivo no será el camino tomado mientras se apunta directamente hacia él, ya que se mueve lateralmente con respecto a la vista del misil. Los misiles buscadores de calor originales simplemente apuntarían hacia el objetivo y lo perseguirían; esto fue ineficiente. Los misiles más nuevos son más inteligentes y utilizan el cabezal buscador con cardán combinado con lo que se conoce como guía proporcional para evitar la oscilación y volar en una ruta de intercepción eficiente.
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