El radar de seguimiento del terreno (TFR) es una tecnología aeroespacial militar que permite que una aeronave que vuela muy bajo mantenga automáticamente una altitud relativamente constante sobre el nivel del suelo y, por lo tanto, dificulte su detección por parte del radar enemigo. A veces se lo denomina vuelo que se adhiere al suelo o vuelo que se adhiere al terreno . El término vuelo que se adhiere al suelo también puede aplicarse, pero se usa más comúnmente en relación con los helicópteros militares que vuelan a baja altura , que normalmente no utilizan radar de seguimiento del terreno. [1]
Los sistemas TFR funcionan escaneando un haz de radar verticalmente frente a la aeronave y comparando el alcance y el ángulo de los reflejos del radar con una curva de maniobra ideal calculada previamente. Al comparar la distancia entre el terreno y la curva ideal, el sistema calcula una maniobra que hará que la aeronave supere el terreno a una distancia preseleccionada, a menudo del orden de 100 metros (330 pies). El uso de TFR permite que una aeronave siga automáticamente el terreno a niveles muy bajos y a altas velocidades.
Los radares de seguimiento del terreno difieren de los radares de evitación del terreno, que tienen un nombre similar ; los sistemas de evitación del terreno escanean horizontalmente para producir una pantalla similar a un mapa que el navegador luego usa para trazar una ruta que evite las características del terreno más altas. Las dos técnicas se combinan a menudo en un solo sistema de radar: el navegador usa el modo de evitación del terreno para elegir una ruta ideal a través de características del terreno de menor altitud, como valles, y luego cambia al modo TFR, que luego vuela sobre esa ruta a una altitud mínima.
El concepto fue desarrollado inicialmente en el Laboratorio Aeronáutico de Cornell en la década de 1950. Fue construido por primera vez en forma de producción a partir de 1959 por Ferranti para su uso con el avión TSR-2 , volando por primera vez en un banco de pruebas English Electric Canberra en 1962. [2] [3] Si bien el proyecto TSR-2 fue finalmente abandonado, el concepto fue ampliamente implementado en aviones de ataque e interdictores de las décadas de 1960 y 1970 , incluidos el General Dynamics F-111 , el Panavia Tornado y el Sukhoi Su-24 "Fencer". La introducción más amplia de tecnologías de aviones furtivos a lo largo de la década de 1990 ha llevado a una reducción en los vuelos a baja altitud como solución al problema de evitar las armas antiaéreas y la técnica ya no es común. La mayoría de los aviones de esta clase se han retirado desde entonces, aunque el Su-24 y el Tornado siguen en uso en algunas cantidades.
El sistema funciona transmitiendo una señal de radar de haz fino hacia el área del suelo frente a la aeronave mientras el radar escanea hacia arriba y hacia abajo. [4] La señal se envía como una serie de pulsos breves y las reflexiones de estos pulsos en el suelo producen retornos muy potentes. El tiempo que tarda el pulso en viajar hacia y desde el terreno produce una medición de alcance hasta el terreno frente a la aeronave. [5] El ángulo relativo a la aeronave es devuelto por un sensor en el cardán vertical que devuelve un voltaje calibrado. [6]
Al mismo tiempo que el radar envía pulsos, un generador de funciones produce un voltaje variable que representa una curva de maniobra preferida. Esta tiene una forma similar a la de una rampa de salto de esquí , plana debajo de la aeronave y luego curvándose hacia arriba frente a ella. La curva representa la trayectoria que tomaría la aeronave si estuviera maniobrando con una fuerza g constante , mientras que el área plana debajo de la aeronave se extiende hacia adelante una distancia corta para representar la distancia que la aeronave se mueve en línea recta antes de comenzar esa maniobra debido al retraso del control. La curva compuesta resultante se desplaza por una distancia de despeje deseada seleccionada por el piloto. [6]
La sincronización de los pulsos es mucho más rápida que el escaneo vertical, por lo que para cualquier pulso el ángulo es fijo. Cuando se envía el pulso, se activa el generador de funciones. Cuando se ve el retorno, el sistema suma la salida del generador en ese instante con la salida del sensor de ángulo en el radar. El voltaje resultante representa el ángulo entre la ubicación real y la preferida. Si el voltaje es positivo, eso significa que el terreno se encuentra por encima de la curva, negativo significa que está por debajo. [7] Esta diferencia se conoce como el error de ángulo .
Para guiar la aeronave, se toman una serie de estas mediciones durante el período de un escaneo vertical completo hasta una distancia máxima del orden de 10 kilómetros (6,2 millas). Se registra el valor máximo positivo o mínimo negativo del error de ángulo durante el escaneo. Ese voltaje es una representación del cambio en el ángulo de cabeceo al que la aeronave necesita volar para mantenerse a la altitud de autorización deseada sobre el terreno mientras maniobra con el factor de carga seleccionado. [6] Esto se puede introducir en un piloto automático o mostrar en la pantalla de visualización frontal del piloto . Este proceso produce una trayectoria calculada continuamente que sube y baja sobre el terreno con una carga de maniobra constante. [5]
Un problema con este algoritmo simple es que la ruta calculada mantendrá al avión en un ángulo de inclinación positivo a medida que se acerca a la cresta de una colina. Esto hace que el avión vuele sobre la cima mientras sigue ascendiendo y tarda un tiempo antes de comenzar a descender nuevamente hacia el valle que se encuentra más allá. Este efecto se conocía como "globo". Para solucionarlo, se aplicó un término adicional a las unidades del mundo real que hacía que el avión ascendiera más rápidamente frente a desplazamientos mayores. Esto hizo que el avión alcanzara la altitud de autorización deseada antes de lo normal y, por lo tanto, se nivelara antes de llegar a la cima. [7]
Como el radar solo ve objetos en la línea de visión, no puede ver colinas detrás de otras colinas. Para evitar que el avión se hundiera en un valle y necesitara hacer un brusco ascenso, el límite de G negativo era generalmente bajo, del orden de la mitad de G. Los sistemas también tenían problemas sobre el agua, donde el haz del radar tendía a dispersarse hacia adelante y devolvía poca señal al avión, excepto en condiciones de alta mar . En tales condiciones, el sistema volvía a una distancia de seguridad constante utilizando un radioaltímetro . [7]
La evitación del terreno normalmente funciona de manera relativa; es decir, las altitudes absolutas de los objetos no son importantes. En algunos casos, es deseable proporcionar un número absoluto para indicar la cantidad de espacio libre o la falta de él. La altura de la parte superior de cualquier característica particular en relación con la aeronave se puede calcular mediante h = H - R sen φ , donde H es la altitud sobre el suelo medida por el radioaltímetro, φ es el ángulo y R el alcance medido por el radar, siendo h la altura resultante del objeto sobre la trayectoria de vuelo actual. [8] La distancia libre entre la aeronave y el terreno es entonces H - h . [9]
El concepto TFR tiene su origen en estudios realizados en el Laboratorio Aeronáutico de Cornell para la División de Sistemas Aeronáuticos de la USAF . [7] Esto condujo al desarrollo de un sistema conocido como "Autoflite". [10]
Los primeros radares instalados en los aviones utilizaban sistemas de barrido cónico con anchos de haz del orden de cuatro grados. Cuando el haz llega al suelo, parte de la señal se dispersa hacia el avión, lo que le permite medir la distancia al suelo frente a él. Al mirar hacia abajo en un ángulo, el lado cercano y lejano del haz circular del radar se extendía formando una elipse en el suelo. El retorno de este patrón producía un "parpadeo" que se extendía de manera similar en la pantalla del radar y no era lo suficientemente preciso para evitar el terreno. [9] Sin embargo, era lo suficientemente preciso como para producir una visualización de baja resolución similar a un mapa del suelo debajo del avión, lo que llevó al desarrollo en tiempos de guerra del radar H2S . [11]
Para proporcionar la precisión necesaria para el seguimiento del terreno, los sistemas TFR deben basarse en el concepto de radar monopulso . La técnica monopulso produce un haz del mismo ancho que un diseño tradicional, pero agrega información adicional en la señal de radio, a menudo utilizando polarización , lo que da como resultado que se envíen dos señales separadas en direcciones ligeramente diferentes mientras se superponen en el centro. Cuando se reciben las señales, el receptor usa esta información adicional para separar las señales y volver a emitirlas. Cuando estas señales están orientadas verticalmente, la señal del haz inferior golpea el suelo más cerca de la aeronave, produciendo un punto disperso como en el caso de los radares anteriores, mientras que el haz superior produce un punto similar pero ubicado a una distancia ligeramente mayor. Los dos puntos se superponen para producir una elipse extendida. [12]
La característica principal de la técnica monopulso es que las señales se superponen de una manera muy específica; si se invierte una de las señales y luego se suman, el resultado es una salida de voltaje que se parece a una onda sinusoidal . El punto medio exacto del haz es donde el voltaje cruza el cero. Esto da como resultado una medición que está alineada con precisión con la línea media de la señal y se identifica fácilmente utilizando electrónica simple. El rango se puede determinar con precisión cronometrando el momento preciso en que ocurre el cruce por cero. Se logran comúnmente precisiones del orden de un metro para mediciones de objetos a kilómetros de distancia. [9]
Los informes de Cornell fueron recogidos en el Reino Unido, donde formaron la base de un concepto emergente para un nuevo avión de ataque , que finalmente surgiría como el BAC TSR-2 . El proyecto TSR-2 se inició oficialmente con el lanzamiento del GOR.339 en 1955, y rápidamente se decidió por el uso de TFR para proporcionar el rendimiento de bajo nivel requerido. El Royal Aircraft Establishment construyó un simulador del sistema utilizando electrónica discreta que llenaba una habitación. [7]
Durante este mismo período, la Royal Air Force estaba introduciendo su avión interceptor más nuevo , el English Electric Lightning . El Lightning estaba equipado con el primer radar monopulso aerotransportado del mundo, el sistema AIRPASS desarrollado por Ferranti en Edimburgo . En el caso del Lightning, la señal monopulso se utilizó para medir con precisión el ángulo horizontal, con el fin de permitir que la computadora AIRPASS trazara un curso de intercepción eficiente a larga distancia. Para el uso del TFR, todo lo que tenía que cambiar era que la antena se rotaría para medir el ángulo vertical en lugar del horizontal. [12]
Como era de esperar, Ferranti ganó el contrato para el componente de radar en algún momento de 1957 o 1958. [13] Poco después de que comenzara el proyecto, en 1959 el líder del proyecto, Gus Scott, se fue a Hughes Microcircuits en la cercana Glenrothes , y el equipo fue asumido por Greg Stewart y Dick Starling. El sistema inicial se construyó a partir de un AI.23B AIRPASS sobrante, [14] y se podía montar en un remolque y remolcar con un Land Rover para realizar pruebas. [15] Un problema importante es que la cantidad de señal devuelta varía mucho con el terreno; las paredes verticales de un edificio producen un cubo de esquina parcial que devuelve una señal que es aproximadamente 10 millones de veces más fuerte que la señal de la arena o el suelo seco. Para lidiar con las señales que cambian rápidamente, se desarrolló un control automático de ganancia con un rango de 100 dB. [9]
El ancho de haz del radar era lo suficientemente pequeño como para que los objetos a ambos lados de la trayectoria de vuelo de la aeronave pudieran ser un peligro potencial si la aeronave se desviaba hacia un lado o comenzaba a girar cerca del objeto. Para evitar esto, el radar escaneaba en un patrón en forma de O, escaneando verticalmente desde 8 grados sobre la trayectoria de vuelo hasta 12 grados por debajo de ella, mientras se movía unos pocos grados a la izquierda y a la derecha de la trayectoria de vuelo. [12] Además, el sistema leía las velocidades de giro de los instrumentos y movía el patrón de escaneo más a la izquierda o a la derecha para medir el terreno donde estaría la aeronave en el futuro. [9]
Las pruebas del sistema se llevaron a cabo utilizando el DC-3 Dakota de Ferranti Test Flight y, a partir del invierno de 1961/62, un Canberra de English Electric . El avión de prueba llevaba cámaras que miraban en varias direcciones, incluidas algunas que miraban los instrumentos del avión y las pantallas de radar. Esto permitió que el sistema se examinara exhaustivamente en tierra después del vuelo. Cada vuelo devolvió datos para vuelos de más de 100 millas, y se llevaron a cabo más de 250 vuelos de este tipo. Las primeras pruebas mostraron ruido aleatorio en las mediciones que las hicieron inútiles. Esto finalmente se rastreó hasta el control automático de ganancia que usaba una ganancia muy alta mientras se estaba en la parte superior del patrón de escaneo donde el terreno estaba normalmente a largas distancias y requería la mayor amplificación. Esto tuvo el efecto secundario de hacer que los reflejos espurios en los lóbulos laterales de la antena se amplificaran hasta el punto de causar interferencias. Esto se solucionó pasando de un patrón en forma de O a uno en forma de U, y solo permitiendo que la ganancia aumentara al escanear hacia arriba para evitar que se reajustara a una ganancia alta al moverse hacia abajo y, de ese modo, evitar que aparecieran terrenos bajos en los lóbulos laterales con alta ganancia. [6]
Los avances en electrónica durante el desarrollo permitieron que la electrónica original de las válvulas de vacío fuera cada vez más transistorizada , lo que produjo un sistema mucho más pequeño en general. [12] [a] A medida que el sistema se desarrolló más, se trasladó a un Blackburn Buccaneer para realizar pruebas de mayor velocidad. Las pruebas se llevaron a cabo desde el Turnhouse de la RAF en el aeropuerto de Edimburgo , cerca del sitio de desarrollo del radar de Ferranti en la ciudad. [9]
Durante las pruebas, el radar no estaba conectado al sistema de piloto automático de la aeronave y todo el control era manual. La curva se eligió para producir una carga máxima de media G. [b] La trayectoria a seguir se indicaba mediante un punto en una pantalla de visualización frontal AIRPASS . El piloto seguía la trayectoria calculada inclinando el avión hasta que el indicador del vector de velocidad de la aeronave, un pequeño anillo, se centraba alrededor del punto. En las pruebas, los pilotos se sintieron muy confiados en el sistema y estaban contentos de volarlo con la configuración de distancia mínima incluso con mal tiempo. [9]
A medida que los pilotos se fueron familiarizando con el sistema, los ingenieros fueron reduciendo continuamente la distancia de seguridad seleccionada hasta que demostró su capacidad de operar de forma segura y sin problemas a una distancia media de sólo 30 metros (98 pies). Esto se puso a prueba en terrenos accidentados, incluidas crestas montañosas, valles ciegos e incluso acantilados. También se comprobó que funcionaba correctamente sobre objetos artificiales como las antenas de televisión de Cairn O' Mounth y la estación transmisora de Kirk o' Shotts , puentes sobre el río Forth y líneas eléctricas aéreas . [5]
A pesar del comienzo temprano del trabajo de Cornell, por razones que no están bien documentadas, el desarrollo posterior en los EE. UU. terminó por un tiempo con el concepto en una forma semi-completa. Esto cambió drásticamente después del incidente del U-2 de 1960 , que llevó al rápido cambio del vuelo a gran altitud sobre la URSS al enfoque de "penetrador" a baja altitud. [10] A corto plazo, se introdujeron varios radares de evitación del terreno para una variedad de aeronaves. El primer TFR verdadero en los EE. UU. fue el Texas Instruments AN/APQ-101, que lanzó a la compañía como líder del mercado en TFR durante muchos años. A principios de la década de 1960, desarrollaron sistemas TFR para la versión RF-4C del Phantom II , el Grumman OV-1 Mohawk del Ejército y el sistema avanzado AN/APQ-110 para el General Dynamics F-111 . [16]
Por diversas razones, el proyecto TSR-2 se canceló en 1965 a favor de la compra del F-111, una plataforma de concepto similar basada en un radar similar. A diferencia del diseño de Ferranti, el APQ-110 ofrecía varios controles adicionales, incluido un ajuste de calidad de marcha para "duro", "suave" y "medio" que cambiaba la fuerza G del perfil de descenso de la curva calculada de 0,25 a 1 G, permitiendo siempre un pullup máximo de 3 G. También incluía un segundo conjunto de componentes electrónicos para proporcionar respaldo en caliente en caso de que la unidad principal fallara, y modos a prueba de fallos que ejecutaban el pullup de 3 G en caso de varias fallas del sistema.
Finalmente, el F-111 sufrió retrasos y sobrecostes similares a los del TSR-2. Tras examinar varios conceptos, la RAF decidió finalmente utilizar el Buccaneer. Aunque esta plataforma había sido ampliamente probada con el radar Ferranti, esta posible actualización no fue seleccionada para el servicio. El descontento con esta situación llevó a la RAF a iniciar conversaciones con sus homólogos franceses y al surgimiento del BAC/Dassault AFVG , un avión muy similar al F-111. Tras unas negociaciones iniciales exitosas, el Reino Unido abandonó sus opciones sobre el F-111K. Poco después, Marcel Dassault comenzó a socavar activamente el proyecto, que los franceses finalmente abandonaron en 1967. [17]
Al año siguiente, el gobierno del Reino Unido inició negociaciones con un mayor número de países, lo que finalmente dio como resultado el Panavia Tornado . Texas Instruments aprovechó su experiencia con el F-111 TFR para ganar el contrato de radar para el Tornado IDS.
El radar de seguimiento del terreno se utiliza principalmente en aviones de ataque militares para poder volar a altitudes muy bajas (a veces por debajo de los 100 pies/30 metros) y a altas velocidades. Dado que la detección por radar de los radares enemigos y la intercepción por los sistemas antiaéreos requieren una línea de visión hacia el objetivo, volar a baja altura y a alta velocidad reduce al mínimo el tiempo en que un avión es vulnerable a la detección, ocultándolo detrás del terreno lo más posible. Esto se conoce como enmascaramiento del terreno .
Sin embargo, las emisiones de radar pueden ser detectadas por los sistemas antiaéreos enemigos con relativa facilidad cuando no hay terreno que los cubra, lo que permite apuntar al avión. Por lo tanto, el uso de un radar de seguimiento del terreno es un compromiso entre la mayor capacidad de supervivencia debido al enmascaramiento del terreno y la facilidad con la que se puede apuntar al avión si se lo ve.
Incluso un sistema automatizado tiene limitaciones, y todas las aeronaves con radares de seguimiento del terreno tienen límites en cuanto a la altura y la velocidad a las que pueden volar. Factores como el tiempo de respuesta del sistema, los límites g de la aeronave y las condiciones meteorológicas pueden limitar a una aeronave. Dado que el radar no puede determinar lo que hay más allá de cualquier terreno inmediato, la trayectoria de vuelo también puede sufrir un efecto de "inclinación" sobre crestas pronunciadas del terreno, donde la altitud se vuelve innecesariamente alta. Además, los obstáculos como las antenas de radio y las torres de electricidad pueden ser detectados tarde por el radar y presentar peligros de colisión.
En los aviones con más de una tripulación, el radar normalmente lo utiliza el navegante, lo que permite al piloto centrarse en otros aspectos del vuelo además de la tarea extremadamente intensa de volar a baja altura. La mayoría de los aviones permiten al piloto seleccionar también la "dureza" de la maniobra con un interruptor en la cabina, para elegir entre la distancia a la que el avión intenta mantenerse cerca del suelo y las fuerzas que se ejercen sobre el piloto.
Algunas aeronaves, como el Tornado IDS, tienen dos radares independientes, y el más pequeño se utiliza para el seguimiento del terreno. Sin embargo, las aeronaves más modernas, como el Rafale, con radares de matriz en fase , tienen una sola antena que se puede utilizar para mirar hacia adelante y hacia el suelo, mediante la dirección electrónica de los haces.
El radar de seguimiento del terreno es utilizado a veces por aviones civiles que mapean el terreno y desean mantener una altura constante sobre él.
Los helicópteros militares también pueden contar con un radar de seguimiento del terreno. Debido a su menor velocidad y alta maniobrabilidad, los helicópteros normalmente pueden volar a menor altura que los aviones de ala fija.
En la actualidad existen sistemas que se pueden montar en vehículos aéreos no tripulados comerciales, lo que permite transportar radares de penetración terrestre o sensores magnetométricos para realizar estudios subterráneos. Esto se está aprovechando para encontrar municiones sin explotar y en arqueología. [18]
Existen muy pocas alternativas al uso de un radar de seguimiento del terreno para vuelos de alta velocidad y baja altitud. TERPROM , un sistema de navegación con referencia al terreno, proporciona una funcionalidad de seguimiento del terreno limitada pero pasiva.