Sigilo de plasma

El sigilo de plasma es un proceso propuesto para utilizar gas ionizado ( plasma ) para reducir la sección transversal de radar (RCS) de una aeronave . Las interacciones entre la radiación electromagnética y el gas ionizado se han estudiado ampliamente para muchos propósitos, incluido el ocultamiento de aeronaves del radar como tecnología de sigilo . Varios métodos podrían plausiblemente 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 la RCS de esta manera, pero puede ser muy difícil hacerlo en la práctica. Se ha informado que algunos misiles rusos, por ejemplo, el 3M22 Zircon (SS-N-33) y los misiles Kh-47M2 Kinzhal, hacen uso del sigilo de plasma.

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 rayos de radar incidentes". 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 la RCS de los conos de entrada del A-12 . Conocido como Proyecto KEMPSTER, este 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 los 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 que se reflejaban en el cuadrante de popa y los tubos de escape del motor. Se utilizó cesio porque se ioniza fácilmente con los gases de escape calientes. 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 ultravioleta, 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 absorbedores electromagnéticos. ^[6] Otros investigadores también estudiaron el caso de una placa de plasma magnetizada no uniforme. ^[7]

A pesar de la aparente dificultad técnica de diseñar un dispositivo de plasma furtivo para aviones de combate, existen afirmaciones de que Rusia ofreció un sistema para exportación en 1999. En enero de 1999, la agencia de noticias rusa ITAR-TASS publicó una entrevista con el doctor Anatoliy Koroteyev , director del Centro de Investigación Keldysh (antiguamente Instituto de Investigación Científica para Procesos Térmicos), quien habló sobre el dispositivo de plasma furtivo desarrollado por su organización. La afirmación era particularmente interesante a la luz de la sólida reputación científica del Dr. Koroteyev y del Instituto de Procesos Térmicos, ^{[ cita requerida ]} 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 furtivas" desarrollada en Rusia reduce la RCS de un avión en un factor de 100 (20 dB). Según este artículo de junio de 2002, el dispositivo ruso de plasma furtivo 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 los EE. UU. están llevando a cabo investigaciones similares sobre aplicaciones de plasma para la reducción de la RCS; y Dassault Aviation (Saint-Cloud, Francia) y Thales (París, Francia). ^[9]

Un plasma es una mezcla casi neutra ( 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 solo 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 la iluminación fluorescente hasta el procesamiento de plasma para la fabricación de semiconductores.

Los plasmas pueden interactuar fuertemente con la radiación electromagnética: por eso es posible que se los utilice para modificar la señal de 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.

• Frecuencia característica del plasma electrónico , frecuencia con la que oscilan los electrones ( oscilación del plasma ):

${\displaystyle \omega _{pe}=(4\pi n_{e}e^{2}/m_{e})^{1/2}=5.64\times 10^{4}n_{e}^{ 1/2}{\mbox{rad/s}}=9000\times n_{e}^{1/2}{\mbox{Hz}}}$

Los plasmas pueden tener una amplia gama de valores tanto en temperatura como en densidad; las temperaturas del plasma varían desde cerca del cero absoluto hasta mucho más allá de los 10 ⁹ kelvin (a modo de comparación, el tungsteno se funde a 3700 kelvin), y el plasma puede contener menos de una partícula por metro cúbico. La temperatura del electrón se expresa generalmente como electronvoltio (eV), y 1 eV es equivalente a 11.604 K. La temperatura y la densidad de los plasmas comunes en los tubos de luz fluorescente y los 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 eléctricamente conductor, 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 inferior a la frecuencia característica del plasma de electrones . El uso de plasmas para controlar la radiación electromagnética reflejada de un objeto (invisibilidad del plasma) es factible a una frecuencia adecuada en la que la conductividad del plasma le permite interactuar fuertemente con la onda de radio entrante, y la onda puede ser absorbida y convertida en energía térmica, 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 estas dos son iguales, entonces se produce resonancia. También hay otro mecanismo por el cual 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 son aproximadamente iguales en potencia, entonces pueden formar dos fasores. Cuando estos dos fasores son de fase opuesta, pueden cancelarse entre sí. Para obtener una atenuación sustancial de la señal de radar, la placa de plasma necesita un espesor y una densidad adecuados. ^[10]

Los plasmas admiten una amplia gama de ondas, pero para los plasmas no magnetizados, las más relevantes son las ondas de Langmuir , que corresponden 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 a frecuencias de 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 con el tiempo. El campo de onda da energía a las partículas. Las partículas generalmente devuelven una fracción de la energía que han ganado a la onda, pero parte de la energía puede ser absorbida permanentemente como calor por procesos como la dispersión o la aceleración resonante, o transferida a otros tipos de ondas por conversión de modo o efectos no lineales. Un plasma puede, al menos en principio, absorber toda la energía de una onda entrante, y esta es la clave para el sigilo del plasma. Sin embargo, el sigilo del plasma implica una reducción sustancial de la RCS de una aeronave , lo que hace que sea más difícil (pero no necesariamente imposible) de detectar. El mero hecho de detectar una aeronave por un radar no garantiza una solución de objetivo precisa necesaria para interceptar la aeronave o atacarla con misiles. Una reducción en la RCS también resulta en una reducción proporcional en el rango 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 las ondas de radio por debajo de una cierta frecuencia (frecuencia característica del plasma electrónico). 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 grandes distancias. Los radares de alerta temprana sobre el horizonte utilizan esas 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 la banda VHF, UHF y microondas, que tienen frecuencias más altas que la frecuencia característica del plasma de la ionosfera, por lo tanto, 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 a una aeronave podría absorber la radiación entrante y, por lo tanto, reducir la reflexión de la señal de las partes metálicas de la aeronave: la aeronave sería entonces efectivamente invisible al radar a larga distancia debido a las débiles señales recibidas. ^[10] Un plasma también podría usarse para modificar las ondas reflejadas para confundir al 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 el funcionamiento de un dispositivo de sigilo por plasma, y ​​puede ser necesario ajustar dinámicamente la densidad, la temperatura o las combinaciones del plasma, o el campo magnético, para poder derrotar de manera efectiva a diferentes tipos de sistemas de radar. La gran ventaja que posee el sigilo por plasma sobre las técnicas tradicionales de sigilo por radiofrecuencia, como la geometría de baja observabilidad y el uso de materiales absorbentes del radar , es que el plasma es ajustable y de banda ancha. Cuando se enfrenta 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 de sigilo de plasma también se enfrenta a varios problemas técnicos. Por ejemplo, el plasma en sí emite radiación electromagnética, aunque normalmente es débil y tiene un espectro similar al ruido. Además, el plasma tarda un tiempo en ser reabsorbido por la atmósfera y se crearía un rastro de aire ionizado detrás del avión en movimiento, pero en la actualidad no hay 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 resplandor visible: esto no es compatible con el concepto general de baja observabilidad. Por último, pero no por ello menos importante, es extremadamente difícil producir un plasma absorbente de radar alrededor de un avión entero que viaja a alta velocidad, la potencia eléctrica necesaria es enorme. Sin embargo, todavía se puede lograr una reducción sustancial de la RCS de un avión generando plasma absorbente de radar alrededor de las superficies más reflectantes del avión, como las aspas del ventilador del motor turborreactor, las tomas de aire del motor, los estabilizadores verticales y la antena de radar aerotransportada.

Se han realizado varios estudios computacionales sobre la técnica de reducción de la sección transversal del radar basada en plasma utilizando simulaciones tridimensionales de dominio temporal de diferencias finitas. Chung estudió el cambio transversal del radar de un cono de metal cuando está cubierto de plasma, un fenómeno que ocurre durante la reentrada 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, hay pocos estudios experimentales disponibles sobre el efecto del plasma en la sección transversal del radar (RCS) de las aeronaves, 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 relacionados con el efecto del plasma en la RCS de los aviones fue publicado en 1963 por el IEEE . El artículo se titula " Secciones transversales de radar de esferas conductoras recubiertas de plasma o dieléctricas y cilindros circulares " (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 al Sputnik se observó que sus propiedades de dispersión electromagnética eran diferentes de las esperadas para una esfera conductora. Esto se debía a que el satélite viajaba dentro de una capa de plasma: la ionosfera .

La forma sencilla del Sputnik es un ejemplo perfecto del efecto del plasma sobre la RCS de un avión. Naturalmente, un avión tendría una forma mucho más elaborada y estaría hecho de 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 reflexiones de radar independientes: la primera de la superficie conductora del satélite y la segunda de la capa de plasma dieléctrica.

Los autores del artículo descubrieron que una capa dieléctrica (plasmática) puede disminuir o aumentar el área de eco del objeto. Si una de las dos reflexiones es considerablemente mayor, la reflexión más débil no contribuirá mucho al efecto general. Los autores también afirmaron que la señal electromagnética 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, las dos componentes (las dos reflexiones) se sumarán como fasores y el campo resultante determinará la RCS general. Cuando estas dos componentes están desfasadas entre sí, se produce una cancelación. Esto significa que, en tales circunstancias, la RCS se vuelve nula y el objeto es completamente invisible para el radar.

Es evidente de inmediato que realizar aproximaciones numéricas similares para la forma compleja de un avión sería difícil. Esto requeriría una gran cantidad de datos experimentales para la estructura específica del avión, las propiedades del plasma, los aspectos aerodinámicos, la radiación incidente, etc. En cambio, los cálculos originales que se analizan en este artículo fueron realizados por un puñado de personas en una computadora IBM 704 fabricada en 1956 y, en ese momento, se trataba de un tema novedoso con muy poca experiencia en investigación. Tanto ha cambiado la ciencia y la ingeniería desde 1963 que las diferencias entre una esfera de metal y un avión de combate moderno palidecen en comparación.

Una aplicación sencilla del sigilo del plasma es el uso del plasma como antena: los mástiles de antena de metal suelen tener secciones transversales de radar grandes, pero un tubo de vidrio hueco lleno de plasma de baja presión también se puede usar como antena, y es completamente transparente al radar cuando no está en uso.

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