El radar de seguimiento del terreno (TFR) es una tecnología aeroespacial militar que permite que un avión que vuela muy bajo mantenga automáticamente una altitud relativamente constante sobre el nivel del suelo y, por lo tanto, dificulta la detección por parte del radar enemigo. A veces se le conoce como vuelo abrazado al suelo o vuelo abrazado al terreno . El término vuelo de siesta en la Tierra también puede aplicarse, pero se usa más comúnmente en relación con helicópteros militares que vuelan a baja altura , que generalmente 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 precalculada. Al comparar la distancia entre el terreno y la curva ideal, el sistema calcula una maniobra que hará que la aeronave despeje el terreno en 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 altas velocidades.
Los radares de seguimiento del terreno se diferencian de los radares para evitar el terreno que suenan similares ; Los sistemas para evitar el terreno escanean horizontalmente para producir una visualización similar a un mapa que el navegador luego usa para trazar una ruta que evita características del terreno más altas. Las dos técnicas a menudo se combinan en un solo sistema de radar: el navegador utiliza el modo para evitar el 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 sobrevuela esa ruta a una altitud mínima.
El concepto se desarrolló 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 de English Electric Canberra en 1962. [2] [3] Si bien el proyecto TSR-2 finalmente fue abandonado , el concepto se implementó ampliamente en los aviones de ataque e interdictores de los años 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 de 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 de lápiz 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 los reflejos de estos pulsos en el suelo producen retornos muy poderosos. El tiempo que tarda el pulso en viajar hacia y desde el terreno produce una medición del alcance hasta el terreno frente a la aeronave. [5] El ángulo relativo a la aeronave lo devuelve un sensor en el cardán vertical que devuelve un voltaje calibrado. [6]
Al mismo tiempo que el radar envía impulsos, un generador de funciones produce una tensión variable que representa una curva de maniobra preferida. Tiene una forma similar a una rampa de salto de esquí , plana debajo del avión y luego curvada hacia arriba frente a él. La curva representa la trayectoria que tomaría el avión si estuviera maniobrando con una fuerza g constante , mientras que el área plana debajo del avión se extiende hacia adelante una distancia corta para representar la distancia que el avión se mueve en línea recta antes de comenzar esa maniobra debido al control. retraso. La curva compuesta resultante se desplaza una distancia libre deseada seleccionada por el piloto. [6]
La sincronización de los pulsos es mucho más rápida que la exploración 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 del radar. El voltaje resultante representa el ángulo entre la ubicación real y la preferida. Si el voltaje es positivo, significa que el terreno está por encima de la curva, negativo significa que está por debajo. [7] Esta diferencia se conoce como 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 puede introducirse en un piloto automático o mostrarse en la pantalla 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 trayectoria calculada mantendrá al avión en cabeceo positivo a medida que se acerque a la cima de una colina. Esto hace que el avión vuele sobre la cima mientras sigue subiendo y tarde algún tiempo antes de comenzar a descender nuevamente hacia el valle más allá. Este efecto se conoció como "globo". Para abordar esto, a las unidades del mundo real se les aplicó un término adicional que provocó que la aeronave ascendiera más rápidamente contra desplazamientos mayores. Esto dio como resultado que la aeronave alcanzara la altitud de autorización deseada antes de lo normal y, por lo tanto, se nivelara antes de alcanzar la cima. [7]
Debido a que el radar sólo ve objetos en la línea de visión, no puede ver colinas detrás de otras colinas. Para evitar que la aeronave se sumergiera en un valle y requiriera un fuerte impulso, el límite 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 estados de alta mar . En tales condiciones, el sistema volvería a un espacio libre constante utilizando un radioaltímetro . [7]
Evitar el terreno normalmente funciona de forma relativa; es decir, las altitudes absolutas de los objetos no son importantes. En algunos casos, es conveniente proporcionar un número absoluto para indicar la cantidad de autorización o la falta de ella. 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] El espacio libre entre la aeronave y el terreno es entonces H - h .
El concepto TFR tiene su historia en estudios realizados en el Laboratorio Aeronáutico de Cornell para la División de Sistemas Aeronáuticos de la USAF . [7] Esto llevó al desarrollo de un sistema conocido como "Autoflite". [9]
Los primeros radares de interceptación aerotransportada utilizaban sistemas de escaneo cónicos con anchos de haz del orden de cuatro grados. Cuando el rayo 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 ángulo, los lados cercano y lejano del haz circular del radar se extendían formando una elipse en el suelo. El retorno de este patrón produjo un "intermitente" que se distribuyó de manera similar en la pantalla del radar y no fue lo suficientemente preciso como para evitar el terreno. [10] Sin embargo, era lo suficientemente preciso como para producir una visualización similar a un mapa de baja resolución 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 usando polarización , lo que resulta en dos señales separadas que se envían en direcciones ligeramente diferentes mientras se superponen en el centro. Cuando se reciben las señales, el receptor utiliza esta información adicional para separar las señales nuevamente. Cuando estas señales se orientan verticalmente, la señal del haz inferior llega al suelo más cerca de la aeronave, produciendo una señal extendida como en el caso de los radares anteriores, mientras que el haz superior produce una señal similar pero ubicada a una distancia ligeramente mayor. . Los dos puntos se superponen para producir una elipse extendida. [12]
La característica clave de la técnica monopulso es que las señales se superponen de una manera muy específica; Si invierte una de las señales y luego las suma, 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 cero. Esto da como resultado una medición que está alineada con precisión con la línea media de la señal y se identifica fácilmente mediante electrónica simple. Luego, el rango se puede determinar con precisión cronometrando el momento preciso en que se produce el cruce por cero. Generalmente se logran precisiones del orden de un metro para mediciones de objetos a kilómetros de distancia. [10]
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 eventualmente surgiría como el BAC TSR-2 . El proyecto TSR-2 se inició oficialmente con el lanzamiento de 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 componentes electrónicos discretos que llenaron 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, a fin de permitir que la computadora AIRPASS trazara un rumbo de intercepción eficiente a larga distancia. Para el uso de 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 58. [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 Greg se hizo cargo del equipo. Stewart y Dick Starling. El sistema inicial se construyó a partir de un AI.23B AIRPASS sobrante, [14] y podía montarse en un remolque y ser remolcado por un Land Rover para realizar pruebas. [15] Un problema importante es que la cantidad de señal devuelta varía mucho según 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 hacer frente a las señales que cambian rápidamente, se desarrolló un control automático de ganancia con 100 dB de rango. [10]
El radar mide sólo ángulos relativos en referencia a la línea de puntería estabilizada utilizando instrumentos de la aeronave, [12] por lo que el radioaltímetro de la aeronave se utiliza para producir una referencia para calcular las altitudes reales. [10] El ancho del 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 volaba hacia un lado o iniciaba un giro 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 tasas de giro de los instrumentos y movía el patrón de escaneo más hacia la izquierda o hacia la derecha para medir el terreno donde estaría la aeronave en el futuro. [10]
Las pruebas del sistema se llevaron a cabo utilizando el DC-3 Dakota existente de Ferranti Test Flight y, a partir del invierno de 1961/62, un English Electric Canberra . 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 examinar exhaustivamente el sistema en tierra después del vuelo. Cada vuelo arrojó datos de 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 inutilizaron. Esto finalmente se debió al control automático de ganancia que utilizaba una ganancia muy alta mientras se encontraba en la parte superior del patrón de escaneo, donde el terreno normalmente se encontraba a largas distancias y requería la mayor amplificación. Esto tuvo el efecto secundario de generar reflejos espurios en los lóbulos laterales de la antena , que se amplificaron hasta el punto de causar interferencias. Esto se solucionó pasando de un patrón en forma de O a uno en forma de U, y permitiendo que la ganancia solo aumentara al escanear hacia arriba para evitar que se reajustara a una ganancia alta cuando se movía hacia abajo y evitando así que aparecieran terrenos bajos en los lóbulos laterales con alta ganancia. [6]
Los avances en la electrónica durante el desarrollo permitieron que la electrónica de tubo de vacío original estuviera cada vez más transistorizada , produciendo un sistema mucho más pequeño en general. [12] [a] A medida que el sistema se desarrolló aún más, se trasladó a un Blackburn Buccaneer para realizar pruebas a mayor velocidad. Las pruebas se llevaron a cabo desde RAF Turnhouse en el aeropuerto de Edimburgo , cerca del sitio de desarrollo del radar de Ferranti en la ciudad. [10]
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 medio G. [b] La ruta a volar se indicaba mediante un punto en una pantalla de visualización frontal de AIRPASS . El piloto siguió la trayectoria calculada cabeceando hasta que el indicador del vector de velocidad de la aeronave, un pequeño anillo, estuvo centrado alrededor del punto. En las pruebas, los pilotos rápidamente ganaron confianza en el sistema y estuvieron felices de volarlo con el espacio libre mínimo incluso con mal tiempo. [10]
A medida que los pilotos se familiarizaron con el sistema, los ingenieros redujeron continuamente el espacio libre seleccionado hasta que demostró su capacidad para operar de manera segura y sin problemas con un espacio libre promedio de solo 30 metros (98 pies). Esto se probó en terrenos accidentados, incluidas crestas de montañas, valles ciegos e incluso acantilados. También se descubrió que conducía sobre objetos artificiales como las antenas de televisión en Cairn O' Mounth y la estación transmisora Kirk o' Shotts , puentes sobre el río Forth y líneas eléctricas aéreas . [5]
A pesar del inicio 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 semiacabada. Esto cambió drásticamente después del incidente del U-2 de 1960 , que condujo al rápido cambio del vuelo a gran altitud sobre la URSS al enfoque de "penetración" a baja altitud. [9] A corto plazo, se introdujeron varios radares para evitar el terreno para una variedad de aviones. El primer TFR verdadero en los EE. UU. fue el Texas Instruments AN/APQ-101, que lanzó a la empresa 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 avanzado sistema AN/APQ-110 para el General Dynamics F-111 . [dieciséis]
Por diversas razones, el proyecto TSR-2 fue cancelado en 1965 a favor de la compra del F-111, una plataforma de concepto similar basada en un radar similar. En contraste con el diseño de Ferranti, el APQ-110 ofrecía varios controles adicionales, incluida una configuración de calidad de marcha para "duro", "suave" y "medio" que cambiaba la fuerza G del perfil de descenso de la curva calculado de 0,25 a 1 G, mientras que permitiendo siempre un pullup máximo de 3G. También incluía un segundo conjunto de componentes electrónicos para proporcionar respaldo en caliente en caso de que fallara la unidad principal, y modos a prueba de fallas que ejecutaban el pullup 3G en caso de varias fallas del sistema.
Al final, el F-111 sufrió retrasos y sobrecostos, al igual que el TSR-2. Después de examinar varios conceptos, la RAF finalmente decidió utilizar el Buccaneer. Aunque esta plataforma había sido probada exhaustivamente 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 a la aparición del BAC/Dassault AFVG , un avión muy similar al F-111. Después de 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 una selección más amplia de países, lo que finalmente condujo al Panavia Tornado . Texas Instruments utilizó su experiencia con el F1-11 TFR para ganar el contrato de radar para el Tornado IDS.
El radar de seguimiento del terreno es utilizado principalmente por aviones de ataque militares, para permitir vuelos a altitudes muy bajas (a veces por debajo de 100 pies/30 metros) y altas velocidades. Dado que la detección de radar por radares enemigos y la interceptación por sistemas antiaéreos requieren una línea de visión hacia el objetivo, volar a baja altura y a alta velocidad reduce al mínimo el tiempo que un avión es vulnerable a la detección al ocultarlo detrás del terreno. tan lejos como sea posible. Esto se conoce como enmascaramiento del terreno .
Sin embargo, los sistemas antiaéreos enemigos pueden detectar las emisiones de radar con relativa facilidad una vez que no hay terreno que los cubra, lo que permite apuntar al avión. Por lo tanto, el uso de radares 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 es visto.
Incluso un sistema automatizado tiene limitaciones, y todos los aviones con radares de seguimiento del terreno tienen límites en cuanto a qué tan bajo y rápido pueden volar. Factores como el tiempo de respuesta del sistema, los límites de gravedad de la aeronave y el clima pueden limitar una aeronave. Dado que el radar no puede determinar qué hay más allá de cualquier terreno inmediato, la trayectoria de vuelo también puede sufrir "inflaciones" sobre crestas pronunciadas del terreno, donde la altitud se vuelve innecesariamente alta. Además, los obstáculos como antenas de radio y postes de alta tensión pueden ser detectados tarde por el radar y presentar peligro de colisión.
En aviones con más de una tripulación, el radar normalmente lo utiliza el navegador y esto 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 marcha con un interruptor de cabina, para elegir entre qué tan cerca el avión intenta mantenerse cerca del suelo y las fuerzas ejercidas sobre el piloto.
Algunos aviones, como el Tornado IDS, tienen dos radares separados, y el más pequeño se utiliza para seguir el terreno. Sin embargo, los aviones más modernos, como el Rafale con radares en fase, tienen una única antena que se puede utilizar para mirar hacia adelante y hacia el suelo, dirigiendo electrónicamente 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 tener un radar de seguimiento del terreno. Debido a su menor velocidad y alta maniobrabilidad, los helicópteros normalmente pueden volar más bajo que los aviones de ala fija.
Ahora hay sistemas disponibles que se montan en vehículos aéreos no tripulados comerciales, lo que permite transportar radares de penetración terrestre o sensores de magnetometría para estudios del subsuelo. Esto se está aprovechando para encontrar municiones sin detonar y en arqueología. [18]
Existen muy pocas alternativas al uso de 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 limitada pero pasiva de seguimiento del terreno.