El rastreo 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. [1] Los misiles que utilizan la búsqueda por infrarrojos a menudo se denominan "buscadores de calor", ya que los cuerpos calientes irradian intensamente infrarrojos. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aeronaves, generan y emiten calor y, por lo tanto, son especialmente visibles en las longitudes de onda de luz infrarroja en comparación con los objetos del fondo.
Los buscadores 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 distancias más largas cuando se utilizan con un sistema de señalización infrarrojo o similar orientado hacia adelante. Los buscadores de calor son extremadamente efectivos: el 90% de todas las pérdidas de combate aéreo de los Estados Unidos entre 1984 y 2009 fueron causadas por misiles guiados por infrarrojos. [2] Sin embargo, están sujetos a una serie de contramedidas simples, en particular arrojando bengalas detrás del objetivo para proporcionar fuentes de calor falsas. Eso funciona solo 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 IR se experimentaron durante la Segunda Guerra Mundial . Durante la guerra, los ingenieros alemanes estaban trabajando en misiles termoguiados 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 barrido cónico y los tubos de vacío miniaturizados durante la guerra. Los sistemas IR antiaéreos comenzaron en serio a fines de la década de 1940, pero la electrónica y todo el campo de la cohetería 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 la década de 1970 y 1980 hizo 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 de detectar vehículos en el suelo.
Los buscadores IR también son la base de muchas armas semiautomáticas de comando a línea de visión (SACLOS). En este uso, el buscador está montado en una plataforma entrenable en el lanzador y el operador lo mantiene apuntando en la dirección general del objetivo manualmente, a menudo utilizando un pequeño telescopio. El buscador no sigue el objetivo, sino el misil, a menudo con la ayuda de bengalas para proporcionar una señal limpia. 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 conjunto de sensores infrarrojos que se encuentra en la punta o cabeza de un misil guiado por calor se conoce como cabeza buscadora . El código abreviado de la OTAN para el lanzamiento de un misil guiado por infrarrojos aire-aire es Fox Two . [3]
La capacidad de ciertas sustancias de emitir electrones cuando son golpeadas por luz infrarroja había sido descubierta por el famoso erudito indio Jagadish Chandra Bose en 1901, quien vio el efecto en la galena , conocida hoy como sulfuro de plomo, PbS. Hubo poca aplicación en ese momento, y dejó que su patente de 1904 caducara. [4] 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 altamente inestable eléctricamente y demostró ser de poca utilidad como detector práctico. [5] Sin embargo, fue utilizado durante algún tiempo por la Marina de los EE. UU. como un sistema de comunicaciones seguro. [6]
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. [5] Esto provocó avances en varias naciones, especialmente el Reino Unido y Alemania, donde se lo consideró una posible solución al problema de la detección de bombarderos nocturnos .
En el Reino Unido, la investigación avanzaba lentamente, 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 el IR y se volvió cada vez más obstruccionista con el trabajo del Comité, que de otro modo estaría presionando para el desarrollo del radar. Finalmente, disolvieron el Comité y lo reformaron, dejando a Lindemann fuera de la lista [7] y ocupando su puesto con el conocido experto en radio Edward Victor Appleton [8] .
En Alemania, la investigación sobre radar no recibió el mismo nivel de apoyo que en el Reino Unido, y compitió con el desarrollo de infrarrojos durante la década de 1930. La investigación sobre infrarrojos fue dirigida principalmente por Edgar Kutzscher en la Universidad de Berlín [9], trabajando en conjunto con AEG . [5] En 1940, habían desarrollado con éxito una solución; el Spanner Anlage (aproximadamente "sistema Peeping Tom") que consistía en un fotomultiplicador detector colocado frente al piloto y un gran reflector equipado con un filtro para limitar la salida al rango de infrarrojos. Esto proporcionaba suficiente luz para ver el objetivo a corta distancia, y el 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 solo se hacía visible a 200 metros (660 pies), punto en el que lo habrían visto de todos modos. [10] Solo se construyeron 15 y fueron retirados a medida que los sistemas de radar aerotransportados alemanes mejoraron hasta 1942. [11]
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. [5] Este trabajo culminó en la mira telescópica Zielgerät 1229 Vampir que se utilizó con el rifle de asalto StG 44 para uso nocturno. [12]
Los dispositivos mencionados anteriormente eran detectores, no buscadores. O bien producían una señal que indicaba la dirección general del objetivo, o bien, en el caso de dispositivos posteriores, una imagen. La guía era completamente manual, a cargo de un operador que miraba la imagen. Durante la guerra, en Alemania se hicieron 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 en integrarlos con un fuselaje de misiles y aún quedaba mucho por hacer 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 de la competencia basados en métodos acústicos o de radar. [13]
Conscientes de las ventajas de la orientación pasiva por infrarrojos, el programa de investigación comenzó con una serie de estudios teóricos que tenían en cuenta las emisiones de los objetivos. Esto condujo 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, de modo que no presentaba un objetivo de seguimiento falso. [14] También se realizaron estudios sobre la atenuación atmosférica, que demostraron que el aire es generalmente más transparente a los infrarrojos que a la luz visible, aunque la presencia de vapor de agua y dióxido de carbono produjo varias caídas bruscas de la transitividad. [15] Finalmente, también consideraron la cuestión de las fuentes de fondo de infrarrojos, 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. [16] Esta investigación sugirió que un buscador de infrarrojos podría apuntar a un bombardero de tres motores a 5 kilómetros (3,1 millas) con una precisión de aproximadamente 1 ⁄ 10 grados, [17] lo que hace que un buscador de infrarrojos sea un dispositivo muy deseable.
El equipo de Kutzscher desarrolló un sistema con la empresa Eletroacustic de Kiel conocida como Hamburg , que se estaba preparando para su instalación en la bomba planeadora Blohm & Voss BV 143 para producir un misil antibuque automático que dispara y olvida. Una versión más avanzada permitía que el bombardero dirigiera el buscador fuera del eje para fijar un objetivo a los lados, sin volar directamente hacia él. Sin embargo, esto presentaba el problema de que cuando se soltaba la bomba por primera vez, se desplazaba demasiado lento para que las superficies aerodinámicas la controlaran fácilmente, y el objetivo a veces se escapaba de la vista del buscador. Se estaba desarrollando una plataforma estabilizada para abordar este problema. La empresa también desarrolló un fusible de proximidad IR funcional colocando detectores adicionales que apuntaban radialmente hacia afuera desde la línea central del misil, que se activaba cuando la intensidad de la señal comenzaba a disminuir, lo que sucedía cuando el misil pasaba el objetivo. Se estaba trabajando en el uso de un solo sensor para ambas tareas en lugar de dos separados. [18]
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 cronometrando cuándo desaparecía la imagen (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, podía rastrear en ángulos de hasta 100 grados. Rheinmetall-Borsig y otro equipo de AEG produjeron diferentes variaciones en el sistema de disco giratorio. [19]
En la era de posguerra, a medida que los desarrollos alemanes se hicieron más conocidos, una variedad de proyectos de investigación comenzaron a desarrollar buscadores basados en el sensor PbS. Estos se combinaron con técnicas desarrolladas durante la guerra para mejorar la precisión de los sistemas de radar que de otro modo serían inherentemente inexactos, especialmente el sistema de escaneo cónico . Uno de esos sistemas desarrollado por la Fuerza Aérea del Ejército de los EE. UU. (USAAF), conocido como "Sun Tracker", se estaba desarrollando como un posible sistema de guía para un misil balístico intercontinental . Las pruebas de este sistema llevaron al accidente del Boeing B-29 en el lago Mead en 1948. [ 20]
El proyecto MX-798 de la USAAF fue adjudicado a Hughes Aircraft en 1946 para un misil de seguimiento por infrarrojos. El diseño utilizaba un buscador de retícula simple y un sistema activo para controlar el balanceo durante el vuelo. Esto fue reemplazado al año siguiente por el MX-904, que exigía una versión supersónica. En esta etapa, el concepto era para un arma defensiva disparada hacia atrás desde un tubo largo en el extremo posterior de los aviones bombarderos . En abril de 1949, el proyecto del misil Firebird fue cancelado y el MX-904 fue reorientado para ser un arma de combate de disparo frontal. [21] 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 espoleta de proximidad, y logró solo una tasa de derribo del 9% en 54 disparos durante la Operación Rolling Thunder en la Guerra de Vietnam . [22] Sin embargo, esta tasa de éxito relativamente baja debe apreciarse en el contexto de que todas estas muertes representan impactos directos, algo que no fue cierto para todas las muertes de otros AAM estadounidenses.
En el mismo año que el MX-798, 1946, William B. McLean comenzó a estudiar un concepto similar en la Estación de Pruebas de Artillería Naval, hoy conocida como Estación Naval de Armas Aéreas de China Lake . Pasó tres años simplemente considerando varios diseños, lo que condujo a un diseño considerablemente menos complicado que el Falcon. Cuando su equipo tuvo un diseño que creyeron que sería viable, comenzaron a intentar adaptarlo al recién presentado cohete Zuni de 5 pulgadas . Lo presentaron en 1951 y se convirtió en un proyecto oficial el año siguiente. Wally Schirra recuerda haber visitado el laboratorio y haber visto al buscador seguir su cigarrillo. [23] 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 de foseta y caza por calor, y se mueve en un patrón ondulante no muy diferente al misil. [24] 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 bajas 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. [22] [25]
El primer buscador de calor construido fuera de los 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 en código Blue Jay . Diseñado como un arma antibombardero, 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 era su cono frontal facetado, que se seleccionó después de que se descubriera que el hielo se acumularía en una cúpula hemisférica más convencional. El primer disparo de prueba tuvo lugar en 1955 y entró en servicio con la Royal Air Force en agosto de 1958. [26]
El proyecto francés R.510 comenzó más tarde que el Firestreak y entró en servicio experimental en 1957, pero fue rápidamente reemplazado por una versión con radar, el R.511. Ninguno de los dos era muy eficaz y tenía un alcance corto del orden de 3 km. Ambos fueron reemplazados por el primer diseño francés efectivo, el R.530 , en 1962. [27]
Los soviéticos introdujeron su primer misil teledirigido por infrarrojos, el Vympel K-13 en 1961, después de aplicar ingeniería inversa a un Sidewinder que se había quedado atascado 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, ya que el sistema de guía y la espoleta sufrían fallos continuos. [22]
Cuando Vietnam reveló el terrible desempeño de los diseños de misiles existentes, comenzaron varios esfuerzos para abordarlos. En los EE. UU., se realizaron pequeñas mejoras al Sidewinder lo antes posible, pero en términos más generales, se enseñó a los pilotos las técnicas de ataque adecuadas para que no dispararan tan pronto como escucharan el tono del misil, y en su lugar se movieran a una posición donde el misil pudiera continuar su trayectoria incluso después del lanzamiento. Este problema también llevó a esfuerzos para fabricar nuevos misiles que alcanzaran sus objetivos incluso si se lanzaban desde estas posiciones menos que ideales. En el Reino Unido, esto condujo al proyecto SRAAM , que en última instancia fue víctima de requisitos que cambiaban continuamente. [28] Dos programas estadounidenses, AIM-82 y AIM-95 Agile , corrieron una suerte similar. [29]
Durante la década de 1970 comenzaron a aparecer nuevos diseños de buscadores que dieron lugar a una serie de misiles más avanzados. Comenzó una importante actualización del Sidewinder, dotándolo de un buscador lo suficientemente sensible como para rastrear desde cualquier ángulo, lo que le dio al misil la capacidad de ver 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 guía hacia el objetivo. Una pequeña cantidad de los modelos L resultantes se enviaron al Reino Unido justo antes de su participación en la Guerra de las Malvinas , donde lograron una tasa de derribo del 82%, y los fallos se debieron generalmente a que el avión objetivo volaba fuera de alcance. [23] Los aviones argentinos, equipados con Sidewinder B y R.550 Magic , solo podían disparar desde el aspecto trasero, lo que los pilotos británicos simplemente evitaban volando siempre directamente hacia ellos. El L era tan efectivo que los aviones se apresuraron a agregar contramedidas de bengalas, lo que llevó a otra actualización menor del modelo M para rechazar mejor las bengalas. Los modelos L y M continuarían siendo la columna vertebral de las fuerzas aéreas occidentales hasta el final de la era de la Guerra Fría .
Los soviéticos dieron un paso aún más grande con su R-73 , que sustituyó al K-13 y a otros con un diseño drásticamente mejorado. Este misil introdujo la capacidad de ser disparado a 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 fijar el objetivo. Cuando se combinaba con una mira montada en el casco , el misil podía ser guiado y apuntado sin que el avión de lanzamiento tuviera que apuntar primero al objetivo. Esto demostró ofrecer ventajas significativas en combate y causó gran preocupación a las fuerzas occidentales. [30]
La solución al problema del R-73 iba a ser inicialmente 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 el ASRAAM para su nuevo misil de corto alcance, mientras que los europeos adoptarían el AMRAAM como su arma de mediano alcance. Sin embargo, el ASRAAM pronto se topó con retrasos intratables ya que cada uno de los países miembros decidió que era más importante una métrica de rendimiento diferente. Estados Unidos finalmente se retiró del programa y, en su lugar, adaptó los nuevos buscadores desarrollados para el ASRAAM en otra versión del Sidewinder, el AIM-9X. Esto extiende tanto su vida útil que habrá estado en servicio durante casi un siglo cuando el avión actual deje el servicio. El 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 .
Basándose en los mismos principios generales que el Sidewinder original, en 1955 Convair comenzó a estudiar un misil portátil de pequeño tamaño ( MANPADS ) que se convertiría en el FIM-43 Redeye . En 1961, cuando se iniciaron las pruebas, el diseño preliminar demostró tener un rendimiento deficiente, por lo que se le realizaron varias mejoras importantes. No fue hasta 1968 que se puso en producción la versión Block III. [31]
Los soviéticos comenzaron a desarrollar dos armas casi idénticas en 1964, Strela-1 y Strela-2. El desarrollo de estas armas se desarrolló de manera mucho más fluida, ya que el 9K32 Strela-2 entró en servicio en 1968 después de menos años de desarrollo que el Redeye. [32] Originalmente un diseño competidor, el 9K31 Strela-1 fue aumentado en tamaño para aplicaciones en vehículos y entró en servicio aproximadamente al mismo tiempo. El Reino Unido comenzó a desarrollar su Blowpipe en 1975, pero colocó el buscador en el lanzador en lugar del propio misil. El buscador detectaba tanto el objetivo como el misil y enviaba correcciones al misil a través de un enlace de radio. Estas primeras armas resultaron ineficaces, ya que el Blowpipe falló en casi todos los usos de combate, [33] mientras que el Redeye tuvo un desempeño algo mejor. El Strela-2 tuvo un mejor desempeño y se adjudicó varias victorias en Oriente Medio y Vietnam. [34]
En 1967 se inició un importante programa de actualización del Redeye, que recibió 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 soviética-afgana , afirmaron tener una tasa de éxito del 79% contra helicópteros soviéticos, [35] aunque esto es objeto de debate. [36] Los soviéticos también mejoraron sus propias versiones, introduciendo el 9K34 Strela-3 en 1974, y el muy mejorado 9K38 Igla de doble frecuencia en 1983, y el Igla-S en 2004. [30]
Los tres materiales principales que se utilizan en el sensor infrarrojo son el sulfuro de plomo (II) (PbS), el antimoniuro de indio (InSb) y el telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe). Los sensores más antiguos suelen utilizar PbS, mientras que los más nuevos suelen utilizar InSb o HgCdTe. Todos funcionan mejor cuando se enfrían, ya que son más sensibles y pueden detectar objetos más fríos.
Los primeros buscadores infrarrojos eran más eficaces para detectar la radiación infrarroja con longitudes de onda más cortas, como las emisiones de 4,2 micrómetros del eflujo de dióxido de carbono de un motor a reacción . Esto los hizo útiles principalmente en escenarios de persecución por la cola, donde el escape era visible y la aproximación del misil también lo llevaba hacia la aeronave. En combate, estos resultaron extremadamente ineficaces, ya que los pilotos intentaban disparar tan pronto como el buscador veía el objetivo, lanzando en ángulos donde los motores del objetivo se oscurecían rápidamente o salían volando del campo de visión del misil. Estos buscadores, que son más sensibles al rango de 3 a 5 micrómetros, ahora se denominan buscadores de un solo color . Esto dio lugar 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 "de todos los aspectos". Los buscadores modernos combinan varios detectores y se denominan sistemas de dos colores .
Los buscadores de todos los aspectos también tienden a requerir refrigeración para darles el alto grado de sensibilidad necesario para fijarse en las señales de nivel inferior que vienen del frente y los lados de una aeronave. El calor de fondo del interior del sensor, o la ventana del sensor calentada aerodinámicamente, puede superar la señal débil que ingresa al sensor desde el objetivo. ( Los CCD en 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 usan gas comprimido como el argón para enfriar sus sensores con el fin de fijarse en el objetivo a distancias más largas y en todos los aspectos. (Algunos, como el AIM-9J y el modelo anterior R-60, usaban un enfriador termoeléctrico Peltier ).
El detector de los primeros buscadores era apenas direccional y aceptaba luz desde un campo de visión (FOV) muy amplio, de unos 100 grados o más. Un objetivo situado 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 FOV a un ángulo menor. Esto normalmente se logra colocando el detector en el punto focal de un telescopio de algún tipo.
Esto genera un problema de requisitos de rendimiento conflictivos. 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 se pierda para el buscador. Para que la guía sea eficaz en el radio letal, los ángulos de seguimiento de quizás un grado son ideales, pero para poder seguir al objetivo de forma continua y segura, se desean campos de visión del orden de 10 grados o más. [ cita requerida ]
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 una precisión adicional para la orientación. 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 la aeronave del misil se utiliza para producir correcciones de orientación.
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 viraje o capacidad de descentramiento , que incluye el movimiento de todo el conjunto del buscador. Dado que el conjunto no se puede mover instantáneamente, un objetivo que se mueva rápidamente a través de la línea de vuelo del misil puede perderse en el 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 las rendijas verticales y horizontales se movían de un lado a otro frente al detector, o en el caso de Madrid , se inclinaban dos paletas metálicas para bloquear más o menos la señal. Al comparar el momento en que se recibió el destello con la ubicación del escáner en ese momento, se puede determinar el ángulo de desvío vertical y horizontal. [19] 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 establece demasiado pequeño, la imagen del objetivo es demasiado pequeña para crear una señal útil, mientras que si se establece demasiado grande, la imagen es inexacta. Por esta razón, los escáneres lineales tienen limitaciones de precisión inherentes. Además, el movimiento alternativo dual es complejo y mecánicamente poco confiable, y generalmente se deben utilizar dos detectores separados.
La mayoría de los primeros buscadores utilizaban los llamados buscadores de spin-scan , chopper o reticulados . Estos consistían en una placa transparente con una secuencia de segmentos opacos pintados sobre ellos 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 por una mitad y la otra mitad se dejó transparente. [38]
Para esta descripción, consideramos el disco girando en el sentido de las agujas del reloj, tal como se ve desde el sensor; llamaremos al punto de la rotación en el que la línea entre las mitades oscura y clara es horizontal y el lado transparente está en la parte superior la posición de las 12 en punto. Una fotocélula se coloca detrás del disco en la posición de las 12 en punto. [38]
Un objetivo se encuentra justo encima del misil. El sensor comienza a detectar el objetivo cuando el disco se encuentra en la posición de las 9 en punto, ya que la parte transparente del helicóptero se alinea verticalmente con el objetivo a las 12 en punto y se hace visible. El sensor continúa detectando el objetivo hasta que el helicóptero llega a la posición de 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 sincronizada de manera que la forma de onda alcanza su punto de voltaje positivo máximo 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 desde cero hasta su máximo y de nuevo 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 parte 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 cambia nuevamente, ya no invierte la señal, que ahora está entrando nuevamente en su fase positiva. La salida resultante de esta celda es una serie de ondas de semisinusoidal, siempre positivas. Esta señal luego se suaviza para producir una salida de CC, que se envía al sistema de control y ordena al misil que gire hacia arriba. [38]
Una segunda célula colocada en la posición de las 3 en punto completa el sistema. En este caso, la conmutación no se produce en las posiciones de las 9 y las 3 en punto, sino en las de las 12 y las 6 en punto. Considerando el mismo objetivo, en este caso, la forma de onda acaba de alcanzar su punto positivo máximo en las 12 en punto cuando se 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 corregir a la izquierda o a la derecha. Si el objetivo se moviera a la derecha, por ejemplo, la señal sería cada vez más positiva desde el suavizador, lo que indicaría correcciones crecientes a 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 desfase (o error de ángulo ). Esto no era necesario para los misiles antibuque, donde el objetivo se mueve muy lentamente en relación con el misil y el misil se alinea rápidamente con el objetivo. No era apropiado para el uso aire-aire, donde las velocidades eran mayores y se deseaba un movimiento de control más suave. En este caso, el sistema se modificó solo ligeramente, de modo que el disco modulador se diseñó en un cardioide que bloqueaba la señal durante más o menos tiempo dependiendo de qué tan lejos de la línea central estuviera. Otros sistemas usaban un segundo disco de exploración 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 fue diseñado con una serie de regiones opacas, a menudo en una serie de rayas radiales que formaban un patrón de rebanada de pizza. Al igual que el Hamburg , 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 se apaga con el ángulo, sino que se activa constantemente 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 en relación con el disco. Al comparar la fase de las dos señales, se puede determinar tanto la corrección vertical como la horizontal a partir de una sola señal. Se realizó una gran mejora como parte del programa Sidewinder, alimentando la salida a los auriculares del piloto donde crea una especie de sonido de gruñido conocido como el tono del 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 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 de un lado a otro sin ningún efecto real. Esto lleva al deseo de suavizar estas salidas o de medir el ángulo de desviación y enviarlo también a 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 lo tanto, tiene una mayor salida. Al organizar la óptica de modo 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 desviación. Sin embargo, también variará en amplitud a medida que el misil se acerca al objetivo, por lo que este no es un sistema completo por sí solo y a menudo se desea alguna forma de control automático de ganancia . [40]
Los sistemas de escaneo giratorio pueden eliminar la señal de fuentes extensas, como la luz del sol que se refleja en las nubes o en la arena caliente del desierto. Para ello, se modifica la retícula haciendo que la mitad de la placa no esté cubierta con rayas, sino con un color de transmisión del 50%. La salida de un sistema de este tipo es una onda sinusoidal para la mitad de la rotación y una señal constante para la otra mitad. La salida fija varía con la iluminación general del cielo. Un objetivo extendido que abarca 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 barrido giratorio es que la señal cuando el objetivo está cerca del centro cae a cero. Esto se debe a que incluso su pequeña imagen cubre varios segmentos a medida que se estrechan en el centro, produciendo una señal lo suficientemente similar a una fuente extendida como para ser filtrada. Esto hace que estos buscadores sean extremadamente sensibles a las bengalas, que se alejan de la aeronave y, por lo tanto, producen una señal cada vez mayor mientras que la aeronave proporciona poca o ninguna. Además, a medida que el misil se acerca al objetivo, cambios más pequeños en el ángulo relativo son suficientes para moverlo fuera de esta área nula central y comenzar a provocar entradas de control nuevamente. Con un controlador bang-bang, estos diseños tienden a comenzar a reaccionar de manera exagerada durante los últimos momentos de la aproximación, lo que causa grandes distancias de falla y exige ojivas grandes. [37]
Una gran mejora del concepto básico de escaneo giratorio es el escáner cónico o con-scan . En esta disposición, se coloca una retícula fija delante del detector y ambos se posicionan 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 retícula gire en sí. [41]
Consideremos un sistema de ejemplo en el que el espejo del buscador está inclinado 5 grados y el misil está siguiendo un objetivo que está centrado en ese momento 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 está creando una señal variable a medida que pasa sobre las marcas de la retícula. En este mismo instante, un sistema de escaneo giratorio estaría produciendo una salida constante en su punto nulo central. El buscador de escaneo continuo seguirá viendo destellos y causará confusión, pero ya no abrumarán la señal del objetivo como ocurre en el caso del escaneo giratorio cuando el destello abandona el punto nulo. [41]
La extracción de la orientación del objetivo se realiza de la misma manera que en el sistema spin-scan, comparando la señal de salida con una señal de referencia generada por los motores que hacen girar el espejo. Sin embargo, la extracción del ángulo es algo más compleja. En el sistema spin-scan, es el tiempo transcurrido entre pulsos lo que codifica el ángulo, aumentando o disminuyendo 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 cambian los pulsos a lo largo del tiempo de un ciclo de escaneo lo que revela el ángulo. [42]
Consideremos un objetivo ubicado 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 ha girado 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 a la izquierda. [42]
Como el ángulo de desvío de la retícula hace que cambie la longitud del pulso de salida, el resultado de esta señal enviada al mezclador es modulada en frecuencia (FM), que sube y baja a lo largo del ciclo de giro. Esta información se extrae luego en el sistema de control para la orientación. Una ventaja importante del sistema con-scan es que la señal FM es proporcional al ángulo de desvío, lo que proporciona una solución sencilla para mover suavemente las superficies de control, lo que da como resultado una aerodinámica mucho más eficiente. Esto también mejora enormemente la precisión; un misil con spin-scan que se acerca 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 exageradas, mientras que la señal FM del con-scan elimina este efecto y mejora el error circular probable (CEP) a tan solo un metro. [41]
La mayoría de los sistemas de escaneo continuo 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 se pinta con un patrón de transmisión del 50%, de modo que cuando la imagen lo cruza, la salida se vuelve fija. Pero como el espejo se mueve, este período es breve y el escaneo interrumpido normal comienza cuando el espejo comienza a apuntar nuevamente hacia el objetivo. El buscador puede saber cuándo la imagen está en esta región porque ocurre directamente opuesto al punto en el que la imagen se aleja completamente del buscador y la señal desaparece. Al examinar la señal cuando se sabe que está cruzando este punto, se produce una señal AM idéntica a la del buscador de escaneo giratorio. Por lo tanto, por el costo de la electrónica y los temporizadores adicionales, el sistema de escaneo continuo 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 giratorio. [42]
El buscador de matriz cruzada simula la acción de una retícula en un sistema de con-scan a través de la disposición física de los propios detectores. Las fotocélulas clásicas normalmente son redondas, pero las mejoras en las técnicas de construcción y especialmente en la fabricación de estado sólido permiten que se las construya en cualquier forma. En el sistema de matriz cruzada (normalmente) se disponen cuatro detectores rectangulares en forma de cruz (+). El escaneo se lleva a cabo de forma idéntica al con-scan, lo que hace que la imagen del objetivo se escanee a través de cada uno de los detectores por turno. [43]
En el caso de un objetivo centrado en el campo de visión, la imagen gira alrededor de los detectores y los cruza en el mismo punto relativo. Esto hace que la señal de cada uno de ellos sea pulsos idénticos en un determinado momento. Sin embargo, si el objetivo no está centrado, la trayectoria de la imagen estará desfasada, como antes. En este caso, la distancia entre los detectores separados hace que el retardo entre la reaparición de la señal varíe, siendo mayor para las imágenes más alejadas de la línea central y menor para las más cercanas. 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 necesarias. [43]
La ventaja de este diseño es que permite un rechazo de bengalas muy mejorado. Como los detectores son delgados de lado a lado, tienen efectivamente 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 ese momento, cualquier señal que llegue fuera de los breves períodos determinados por la señal de control puede ser rechazada. Como las bengalas tienden a detenerse en el aire casi inmediatamente después de su lanzamiento, desaparecen rápidamente de las puertas del escáner. [43] La única forma de engañar a 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 escanea una porción más amplia del cielo, lo que hace que sea mucho más difícil que el objetivo se mueva fuera del campo de visión. [43]
La desventaja del escaneo en roseta es que produce una salida muy compleja. Los objetos dentro del campo de visión del buscador producen señales completamente separadas a medida que escanea alrededor del cielo; el sistema puede 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 una memoria de computadora . Durante el período del escaneo completo, esto produce una imagen 2D, lo que le da el nombre de pseudoimager. [43] Aunque esto hace que el sistema sea más complejo, la imagen resultante ofrece mucha más información. Las bengalas se pueden reconocer y rechazar por su pequeño tamaño, las nubes por su mayor tamaño, etc. [44]
Los misiles modernos que buscan calor utilizan imágenes infrarrojas (IIR), donde el sensor IR/UV es un conjunto de plano focal que puede producir una imagen en infrarrojos, muy similar al dispositivo de carga acoplada (CCD) en una cámara digital. Esto requiere mucho más procesamiento de señal, 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 que se fijen en el sol, otro truco común para evitar los misiles que buscan calor. Al usar las técnicas avanzadas de procesamiento de imágenes, la forma del objetivo se puede usar para encontrar su parte más vulnerable hacia la cual se dirige el misil. [45] Todos los misiles aire-aire de corto alcance occidentales, como el AIM-9X Sidewinder y el ASRAAM, usan buscadores infrarrojos de imágenes, así como el PL-10 SRAAM chino, el TC-1 taiwanés , el Python-5 israelí y el R-74M/M2 ruso .
Hay dos formas principales de derrotar a los buscadores IR: utilizando bengalas o bloqueadores IR.
Los primeros buscadores no captaban la imagen del objetivo, y cualquier cosa que se encontrara dentro de su campo de visión generaba una señal. Una bengala lanzada por el objetivo hace que aparezca una segunda señal dentro del campo de visión, lo que produce una segunda salida angular y la posibilidad de que el buscador comience a apuntar a la bengala en su lugar. Contra los primeros buscadores de barrido giratorio, esto era extremadamente efectivo porque la señal del objetivo se minimizaba a mitad de la trayectoria, por lo que incluso una señal tenue de la bengala se podía ver y rastrear. Por supuesto, si esto sucede, la bengala desaparece de la vista y el avión se vuelve visible nuevamente. Sin embargo, si el avión se mueve fuera del campo de visión durante este tiempo, lo que sucede rápidamente, el misil ya no puede volver a adquirir el objetivo.
Una solución al problema de las llamaradas es utilizar un detector de doble frecuencia. Los primeros detectores utilizaban un único detector que era sensible a las partes muy calientes del avión y a los gases de escape del reactor, lo que los hacía adecuados para escenarios de persecución por la cola. Para permitir que el misil pudiera seguirlo desde cualquier ángulo, se añadieron nuevos detectores que eran mucho más sensibles también en otras frecuencias. Esto supuso una forma de distinguir las llamaradas; los dos detectores veían diferentes ubicaciones del avión objetivo (el avión en sí y no sus gases de escape), pero una llamarada aparecía en el mismo punto en ambas frecuencias. Estas podían entonces eliminarse.
Se utilizaron sistemas más complejos con procesamiento digital, especialmente buscadores de matriz cruzada y rosetas. 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 podían eliminar los objetos que se movían a altas velocidades en relación con el objetivo. Esto se conoce como filtrado cinematográfico . [46] El mismo proceso lo utilizan los sistemas de imágenes, que toman 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 el objetivo a través de la sincronización de la recepción de la señal. Esto los hace susceptibles a interferencias al emitir señales falsas que son tan potentes 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 de lentes giratorias que envían la imagen como una serie de puntos que barren el cielo. Las versiones modernas suelen utilizar un láser infrarrojo que brilla sobre un espejo que gira rápidamente. A medida que el haz pinta el buscador, hace que aparezca un destello de luz fuera de secuencia, alterando el patrón de sincronización utilizado para calcular el ángulo. Cuando tienen éxito, los bloqueadores IR hacen que el misil vuele de forma aleatoria. [47]
Los bloqueadores IR tienen mucho menos éxito contra los modernos buscadores de imágenes, porque no dependen de la sincronización para sus mediciones. En estos casos, el bloqueador puede ser perjudicial, ya que proporciona una señal adicional en la misma ubicación que el objetivo. Algunos sistemas modernos ahora ubican sus bloqueadores en cápsulas de contramedidas remolcadas, confiando en 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 el 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 al buscador continuamente y es útil incluso contra los buscadores de imágenes modernos. Estas contramedidas infrarrojas direccionales ( DIRCM ) son muy efectivas, también son muy caras y generalmente solo son adecuadas para aeronaves que no están maniobrando, como aviones de carga y helicópteros. Su implementación se complica aún más al colocar filtros frente al generador de imágenes para eliminar cualquier señal fuera de frecuencia, lo que requiere que el láser se sintonice a la frecuencia del buscador o recorra un rango. Incluso se han realizado algunos trabajos en sistemas con suficiente potencia para dañar ópticamente el cono de la nariz o los filtros dentro del misil, pero esto sigue estando fuera 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. En cambio, el piloto u operador apunta el buscador al objetivo utilizando un radar , una mira montada en el casco, una mira óptica o posiblemente apuntando el morro de la aeronave o el lanzamisiles directamente al objetivo. Una vez que el buscador ve y reconoce el objetivo, se lo indica al operador, quien luego normalmente "libera" al buscador (que puede seguir el objetivo). Después de este punto, el buscador permanece fijado en el objetivo, incluso si la aeronave o la plataforma de lanzamiento se mueven. Cuando se lanza el arma, es posible que no pueda controlar la dirección a la que apunta hasta que se encienda el motor y alcance una velocidad lo suficientemente alta como para que sus aletas controlen su dirección de viaje. Hasta entonces, el buscador con cardán debe poder rastrear el objetivo de forma independiente.
Por último, incluso cuando está 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 interceptarlo no será el camino tomado mientras se apunta directamente hacia él, ya que se está moviendo lateralmente con respecto a la vista del misil. Los misiles originales que buscaban calor simplemente apuntaban hacia el objetivo y lo perseguían; esto era 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 una ruta de intercepción eficiente.
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