El sigilo de plasma es un proceso propuesto para utilizar gas ionizado ( plasma ) para reducir la sección transversal del radar (RCS) de una aeronave . Las interacciones entre la radiación electromagnética y el gas ionizado se han estudiado ampliamente para muchos propósitos, incluido ocultar aviones del radar como tecnología sigilosa . Es posible que varios métodos puedan formar una capa o nube de plasma alrededor de un vehículo para desviar o absorber el radar, desde descargas electrostáticas o de radiofrecuencia más simples hasta descargas láser más complejas. [1] Teóricamente es posible reducir el RCS de esta manera, pero puede resultar muy difícil hacerlo en la práctica. Se ha informado que algunos misiles rusos, como el 3M22 Zircon (SS-N-33) y el Kh-47M2 Kinzhal, utilizan plasma furtivo.
En 1956, Arnold Eldredge, de General Electric, presentó una solicitud de patente para un "Método y aparato de camuflaje de objetos", que proponía utilizar un acelerador de partículas en un avión para crear una nube de ionización que "...refractaría o absorbería los radares incidentes". vigas." No está claro quién financió este trabajo o si se creó un prototipo y se probó. La patente estadounidense 3.127.608 se concedió en 1964. [2]
Durante el Proyecto OXCART, la operación del avión de reconocimiento Lockheed A-12 , la CIA financió un intento de reducir el RCS de los conos de entrada del A-12 . Conocido como Proyecto KEMPSTER, utilizó un generador de haz de electrones para crear una nube de ionización frente a cada entrada. El sistema fue probado en vuelo pero nunca se implementó en A-12 o SR-71 operativos . [3] El A-12 también tenía la capacidad de utilizar un aditivo de combustible a base de cesio llamado "A-50" para ionizar los gases de escape, bloqueando así las ondas de radar para que no se reflejen en el cuadrante de popa y los tubos de escape del motor. Se utilizó cesio porque los gases de escape calientes lo ionizaban fácilmente. El físico de radar Ed Lovick Jr. afirmó que este aditivo salvó el programa A-12. [4]
En 1992, el Laboratorio de Investigación Hughes llevó a cabo un proyecto de investigación para estudiar la propagación de ondas electromagnéticas en plasma no magnetizado. Se utilizó una serie de descargadores de chispas de alto voltaje para generar radiación UV, que crea plasma mediante fotoionización en una guía de ondas. Se probaron radomos de misiles llenos de plasma en una cámara anecoica para atenuar la reflexión. [5] Casi al mismo tiempo, RJ Vidmar estudió el uso de plasma a presión atmosférica como reflectores y absorbentes electromagnéticos. [6] Otros investigadores también estudiaron el caso de una losa de plasma magnetizada no uniforme. [7]
A pesar de la aparente dificultad técnica de diseñar un dispositivo furtivo de plasma para aviones de combate, hay afirmaciones de que Rusia ofreció un sistema para exportar en 1999. En enero de 1999, la agencia de noticias rusa ITAR-TASS publicó una entrevista con el doctor Anatoliy Koroteyev , el director del Centro de Investigación Keldysh (Instituto de Investigación Científica para Procesos Térmicos de la FKA), quien habló sobre el dispositivo furtivo de plasma desarrollado por su organización. La afirmación fue particularmente interesante a la luz de la sólida reputación científica del Dr. Koroteyev y del Instituto de Procesos Térmicos, [ cita necesaria ] que es una de las principales organizaciones de investigación científica del mundo en el campo de la física fundamental. [8]
El Journal of Electronic Defense informó que la "tecnología de generación de nubes de plasma para aplicaciones sigilosas" desarrollada en Rusia reduce el RCS de un avión en un factor de 100 (20 dB). Según este artículo de junio de 2002, el dispositivo furtivo de plasma ruso ha sido probado a bordo de un cazabombardero Sukhoi Su-27 IB. El Journal también informó que Accurate Automation Corporation ( Chattanooga, Tennessee ) y Old Dominion University (Norfolk, Virginia) en Estados Unidos están llevando a cabo investigaciones similares sobre aplicaciones del plasma para la reducción de RCS ; y por Dassault Aviation (Saint-Cloud, Francia) y Thales (París, Francia). [9]
Un plasma es una mezcla cuasineutral ( la carga eléctrica total es cercana a cero) de iones ( átomos que han sido ionizados y, por lo tanto, poseen una carga neta positiva), electrones y partículas neutras (átomos o moléculas no ionizados). La mayoría de los plasmas están sólo parcialmente ionizados; de hecho, el grado de ionización de los dispositivos de plasma comunes como las lámparas fluorescentes es bastante bajo (menos del 1%). Casi toda la materia del universo es plasma de muy baja densidad: los sólidos, líquidos y gases son poco comunes fuera de los cuerpos planetarios. Los plasmas tienen muchas aplicaciones tecnológicas, desde iluminación fluorescente hasta procesamiento de plasma para la fabricación de semiconductores.
Los plasmas pueden interactuar fuertemente con la radiación electromagnética: es por eso que los plasmas podrían usarse para modificar la firma del radar de un objeto. La interacción entre el plasma y la radiación electromagnética depende en gran medida de las propiedades físicas y los parámetros del plasma, en particular la temperatura de los electrones y la densidad del plasma.
Los plasmas pueden tener una amplia gama de valores tanto de temperatura como de densidad; Las temperaturas del plasma oscilan entre cerca del cero absoluto y mucho más allá de los 10 9 kelvin (en comparación, el tungsteno se funde a 3700 kelvin), y el plasma puede contener menos de una partícula por metro cúbico. La temperatura del electrón generalmente se expresa como electronvoltio (eV), y 1 eV equivale a 11.604 K. La temperatura y densidad de los plasmas comunes en tubos de luz fluorescente y procesos de fabricación de semiconductores rondan varios eV y 10 9-12 por cm 3 . Para una amplia gama de parámetros y frecuencias, el plasma es conductor de electricidad y su respuesta a las ondas electromagnéticas de baja frecuencia es similar a la de un metal: un plasma simplemente refleja la radiación incidente de baja frecuencia. Baja frecuencia significa que es más baja que la frecuencia característica del plasma de electrones . El uso de plasmas para controlar la radiación electromagnética reflejada de un objeto (Plasma Stealth) es factible a una frecuencia adecuada donde la conductividad del plasma le permite interactuar fuertemente con la onda de radio entrante, y la onda puede ser absorbida y convertida en térmica. energía, o reflejada, o transmitida dependiendo de la relación entre la frecuencia de la onda de radio y la frecuencia característica del plasma. Si la frecuencia de la onda de radio es menor que la frecuencia del plasma, se refleja. si es mayor, se transmite. Si estos dos son iguales, entonces se produce la resonancia. También existe otro mecanismo por el que se puede reducir la reflexión. Si la onda electromagnética pasa a través del plasma y es reflejada por el metal, y la onda reflejada y la onda entrante tienen aproximadamente la misma potencia, entonces pueden formar dos fasores. Cuando estos dos fasores están en fase opuesta, pueden cancelarse entre sí. Para obtener una atenuación sustancial de la señal del radar, la placa de plasma necesita un espesor y una densidad adecuados. [10]
Los plasmas soportan una amplia gama de ondas, pero para los plasmas no magnetizados las más relevantes son las ondas de Langmuir , correspondientes a una compresión dinámica de los electrones. Para los plasmas magnetizados, se pueden excitar muchos modos de onda diferentes que podrían interactuar con la radiación en las frecuencias del radar.
Cuando las ondas electromagnéticas , como las señales de radar, se propagan en un plasma conductor, los iones y electrones se desplazan como resultado de los campos eléctricos y magnéticos que varían en el tiempo. El campo ondulatorio da energía a las partículas. Las partículas generalmente devuelven a la onda una fracción de la energía que han ganado, pero parte de la energía puede ser absorbida permanentemente en forma de calor mediante procesos como la dispersión o la aceleración resonante, o transferida a otros tipos de ondas mediante conversión de modo o efectos no lineales. Un plasma puede, al menos en principio, absorber toda la energía de una onda entrante, y ésta es la clave del sigilo del plasma. Sin embargo, el sigilo del plasma implica una reducción sustancial del RCS de un avión , lo que lo hace más difícil (pero no necesariamente imposible) de detectar. El mero hecho de que un radar detecte una aeronave no garantiza la precisión necesaria para interceptar la aeronave o atacarla con misiles. Una reducción del RCS también da como resultado una reducción proporcional del alcance de detección, lo que permite que una aeronave se acerque al radar antes de ser detectada.
La cuestión central aquí es la frecuencia de la señal entrante. Un plasma simplemente reflejará ondas de radio por debajo de una determinada frecuencia (frecuencia característica del plasma de electrones). Este es el principio básico de las radios de onda corta y las comunicaciones de largo alcance, porque las señales de radio de baja frecuencia rebotan entre la Tierra y la ionosfera y, por lo tanto, pueden viajar largas distancias. Los radares de alerta temprana sobre el horizonte utilizan ondas de radio de baja frecuencia (normalmente inferiores a 50 MHz). Sin embargo, la mayoría de los radares militares aerotransportados y de defensa aérea operan en bandas VHF, UHF y microondas, que tienen frecuencias más altas que la frecuencia de plasma característica de la ionosfera, por lo que las microondas pueden penetrar la ionosfera y la comunicación entre la tierra y los satélites de comunicación demuestra que es posible. ( Algunas frecuencias pueden penetrar la ionosfera).
El plasma que rodea una aeronave podría absorber la radiación entrante y, por lo tanto, reduciría la reflexión de la señal de las partes metálicas de la aeronave: entonces la aeronave sería efectivamente invisible para los radares a larga distancia debido a las débiles señales recibidas. [10] También se podría utilizar un plasma para modificar las ondas reflejadas y confundir el sistema de radar del oponente: por ejemplo, cambiar la frecuencia de la radiación reflejada frustraría el filtrado Doppler y podría hacer que la radiación reflejada sea más difícil de distinguir del ruido.
El control de las propiedades del plasma, como la densidad y la temperatura, es importante para que un dispositivo furtivo de plasma funcione, y puede ser necesario ajustar dinámicamente la densidad, la temperatura o las combinaciones del plasma, o el campo magnético, para derrotar eficazmente a diferentes tipos de sistemas de radar. La gran ventaja que posee Plasma Stealth sobre las técnicas tradicionales de sigilo por radiofrecuencia, como la geometría de baja observabilidad y el uso de materiales absorbentes de radar, es que el plasma es sintonizable y de banda ancha. Cuando nos enfrentamos a un radar de salto de frecuencia, es posible, al menos en principio, cambiar la temperatura y la densidad del plasma para hacer frente a la situación. El mayor desafío es generar una gran área o volumen de plasma con buena eficiencia energética.
La tecnología furtiva de plasma también enfrenta varios problemas técnicos. Por ejemplo, el propio plasma emite radiación EM, aunque suele tener un espectro débil y parecido al ruido. Además, se necesita algún tiempo para que la atmósfera reabsorba el plasma y se crearía un rastro de aire ionizado detrás del avión en movimiento, pero en la actualidad no existe ningún método para detectar este tipo de rastro de plasma a larga distancia. En tercer lugar, los plasmas (como las descargas luminosas o las luces fluorescentes) tienden a emitir un brillo visible: esto no es compatible con el concepto general de baja observabilidad. Por último, pero no menos importante, es extremadamente difícil producir un plasma absorbente de radar alrededor de un avión entero que viaja a gran velocidad; la energía eléctrica necesaria es enorme. Sin embargo, aún se puede lograr una reducción sustancial del RCS de una aeronave generando plasma absorbente de radar alrededor de las superficies más reflectantes de la aeronave, como las aspas del ventilador del motor turborreactor, las tomas de aire del motor, los estabilizadores verticales y la antena del radar aerotransportado.
Se han realizado varios estudios computacionales sobre la técnica de reducción de la sección transversal del radar basada en plasma utilizando simulaciones tridimensionales en el dominio del tiempo de diferencias finitas. Chung estudió el cambio cruzado de radar de un cono metálico cuando está cubierto de plasma, un fenómeno que ocurre durante el reingreso a la atmósfera. [11] Chung simuló la sección transversal del radar de un satélite genérico, y también la sección transversal del radar cuando está cubierto con conos de plasma generados artificialmente. [12]
Debido a las obvias aplicaciones militares del tema, existen pocos estudios experimentales disponibles sobre el efecto del plasma en la sección transversal del radar (RCS) de los aviones, pero la interacción del plasma con las microondas es un área bien explorada de la física general del plasma. Los textos de referencia estándar sobre física del plasma son un buen punto de partida y, por lo general, dedican algún tiempo a analizar la propagación de ondas en los plasmas.
Uno de los artículos más interesantes relacionado con el efecto del plasma en el RCS de los aviones fue publicado en 1963 por el IEEE . El artículo se titula " Secciones transversales de radar de esferas conductoras y cilindros circulares recubiertos de dieléctrico o plasma " (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, septiembre de 1963, págs. 558–569). Seis años antes, en 1957, los soviéticos habían lanzado el primer satélite artificial. Al intentar rastrear el Sputnik se observó que sus propiedades de dispersión electromagnética eran diferentes de las esperadas para una esfera conductora. Esto se debió a que el satélite viajaba dentro de una capa de plasma: la ionosfera .
La forma sencilla del Sputnik sirve como una ilustración ideal del efecto del plasma en el RCS de un avión. Naturalmente, un avión tendría una forma mucho más elaborada y estaría fabricado con una mayor variedad de materiales, pero el efecto básico debería seguir siendo el mismo. En el caso del Sputnik volando a través de la ionosfera a alta velocidad y rodeado por una capa de plasma natural, hay dos reflejos de radar separados: el primero de la superficie conductora del satélite y el segundo de la capa de plasma dieléctrico.
Los autores del artículo descubrieron que una capa dieléctrica (plasma) puede disminuir o aumentar el área de eco del objeto. Si cualquiera de las dos reflexiones es considerablemente mayor, entonces la reflexión más débil no contribuirá mucho al efecto general. Los autores también afirmaron que la señal EM que penetra la capa de plasma y se refleja en la superficie del objeto disminuirá en intensidad mientras viaja a través del plasma, como se explicó en la sección anterior.
El efecto más interesante se observa cuando las dos reflexiones son del mismo orden de magnitud. En esta situación, los dos componentes (las dos reflexiones) se agregarán como fasores y el campo resultante determinará el RCS general. Cuando estos dos componentes están desfasados entre sí, se produce la cancelación. Esto significa que en tales circunstancias el RCS se vuelve nulo y el objeto es completamente invisible para el radar.
Es inmediatamente evidente que sería difícil realizar aproximaciones numéricas similares para la forma compleja de un avión. Esto requeriría una gran cantidad de datos experimentales para la estructura específica del avión, propiedades del plasma, aspectos aerodinámicos, radiación incidente, etc. Por el contrario, los cálculos originales discutidos en este artículo fueron realizados por un puñado de personas en una computadora IBM 704 fabricada en 1956, y en ese momento, este era un tema novedoso con muy poca experiencia en investigación. Han cambiado tantas cosas en la ciencia y la ingeniería desde 1963, que las diferencias entre una esfera metálica y un avión de combate moderno palidecen en comparación.
Una aplicación sencilla del plasma furtivo es el uso de plasma como antena: los mástiles de antena metálicos suelen tener grandes secciones transversales de radar, pero también se puede utilizar como antena un tubo de vidrio hueco lleno de plasma de baja presión, que es completamente transparente al radar cuando no en uso.
