ESTUDO DE PLASMAS APLICADOS NA REDUÇÃO DO RCS DE AERONAVES

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1 Anais do 14 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XIV ENCITA / 2008 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil Outubro 20 a ESTUDO DE PLASMAS APLICADOS NA REDUÇÃO DO RCS DE AERONAVES Milton Fernando Viegas Junior Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Bolsista PIBIC-CNPq miltonviegas@gmail.com Inácio Malmonge Martin Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP martin@ita.br Resumo. A necessidade de capacidades furtivas no combate aéreo moderno é um fato incontestável. Cada vez mais as forças aéreas modernas equipam seus aviões com tecnologia "stealth" buscando proteger suas aeronaves. Entre essas técnicas podemos citar a adição de materiais absorventes de microondas (Radar Absorbing Materials - RAM) e utilização de novas geometrias capazes de defletir as ondas provenientes do radar inimigo. Nosso trabalho abordou uma nova técnica que utiliza plasma frio em forma de uma cortina capaz de absorver/desviar as ondas eletromagnéticas. Essa nova técnica já é estudada por outras Forças Aéreas do mundo e tem sua aplicabilidade também estendida a navios e veículos terrestres. No entanto no Brasil ainda nada é conhecido ou pesquisado. Logo este foi um passo inicial no sentido do uso de plasma para reduzir o RCS de uma aeronave furtiva em vôo. Palavras chave: plasmas RCS tecnologia stealth radar 1. Introdução Um radar funciona emitindo pulsos de radiação eletromagnética em direção ao alvo e ao refletir neste a energia incidente se dispersa em todas as direções. A distribuição espacial desta energia é chamada de espalhamento (scattering). Parte desta energia espalhada volta na direção do emissor de ondas. A antena do radar capta as informações e de acordo com a resposta determina de maneira aproximada a localização do objeto. O intervalo de tempo entre a emissão e o recebimento do eco de retorno fornece a distância do objeto pois a onda do radar viaja a velocidade constante próximo a (velocidade da luz). Ao alvo é associada uma área efetiva chamada RCS (Radar Cross Section ou seção reta radar). A onda é emitida e é avaliado o percentual refletido na direção do radar. Ela é equivalente à área de uma esfera de metal que retornaria o mesmo eco que o alvo. No entanto uma esfera é um corpo simétrico logo o sinal que é espalhado independe do ângulo de visão. Quando temos um alvo genérico como um avião esse sinal dependerá da sua orientação angular no espaço. Então nossa resposta será um gráfico que estará em função dessa posição angular (ângulo de aspecto). Um cálculo exato do RCS de um corpo pode ser feito resolvendo a equação da onda para um sistema de coordenadas tal que uma coordenada constante coincida com a superfície do corpo. Esta solução exata impõe ao valor dos campos elétrico e magnético nas superfícies interna e externa da superfície do corpo determinadas condições que dependem das propriedades eletromagnéticas do material de que é feito o corpo. [1] Alternativas a esta solução exata levam em consideração teorias da ótica física e geométrica que geram soluções aproximadas. Uma definição formal para o RCS é dada pela equação: E R E 2 E σ = lim ( 4π ) R I 2 2 (1) Nesta equação E E é o valor do campo elétrico espalhado e E I é o valor do campo elétrico incidente. R é o valo do raio de uma grande esfera centrada no objeto alvo. Vale salientar que essa definição admite que os objetos espalham energia uniformemente em todas as direções o que não acontece em geral. Podemos também expressá-lo da seguinte forma: σ = [ P t ( 4π)³ R 4 ] / [P r G r G t λ²] (2) onde Pr é a potência recebida Pt a transmitida R é a distância do radar ao alvo Gt e Gr são os ganhos da antena na transmissão e recepção do sinal e λ é o comprimento de onda do sinal emitido. [12]

2 2. Técnicas de Medição de RCS As medições de RCS podem ser feitas de várias formas dependendo do formato do objeto. A medida pode ser indoor (que oferece uma maior proteção ao experimento por estar protegido em relação às condições ambientes mas que por outro lado fica limitada a alvos pequenos) ou outdoor (quando o alvo é muito grande) dependendo do tamanho do objeto e das freqüências a serem utilizadas. Quando são feitas medições indoor as paredes o piso e o teto devem ser cobertos com material absorvente por causa da proximidade destas com o alvo. A condição mais importante para mensurar o RCS é que o alvo seja iluminado por uma onda de amplitude e fase adequadamente uniformes. O ideal é que o desvio na amplitude da onda seja menor ou igual a 0.5dB e na sua fase menor que A figura a seguir mostra um esquema simples para a obtenção do RCS de um objeto. [12] Conforme se pode observar na figura 01 um sinal é enviado na direção do alvo através de uma antena. Após ser espalhado o sinal que volta é captado pela antena receptora. Esta envia os sinais a um computador que irá processar as informações e traçar os gráficos requeridos Microwave Generator TX Antenna R Target Microwave Receiver RX Antenna Computer with a GPIB interface Figura 1. Esquema de Obtenção do RCS de um Alvo Qualquer. 3. Tecnologia Stealth Com a invenção do radar na 2º Guerra Mundial o combate aéreo mudou radicalmente. A detecção visual que não excedia 25 km (isto em dias claros) estendeu-se a distâncias superiores a 300 km. A detecção antecipada deu aos defensores muito mais tempo para organizar suas defesas e interceptar as aeronaves atacantes. Então como resistir nesse ambiente hostil? Um conceito que se desenvolveu durante a Guerra Fria foi o a redução da assinatura radar como forma de impedir a detecção por parte do inimigo permitindo as tripulações completar mais de uma missão antes de se tornar vulnerável as armas controladas por radar. Quanto menor o RCS de um objeto mais invisível ele é ao radar. Portanto é de importância primordial para um avião de caça/bombardeio que este tenha para seu RCS o valor mais baixo possível. As técnicas que têm o objetivo de tornar alvos militares (aviões mísseis) invisíveis ou pouco visíveis a radares são chamadas de invisibilidade Stealth. Entre alguns exemplos de aviões que utilizam esta tecnologia estão os caças F117 e F22 e o superbombardeiro B-2 o avião mais caro do mundo. Entre as técnicas mais utilizadas para a diminuição do RCS de um avião estão a alteração da geometria deste (visando defletir as ondas) e a inclusão de materiais conhecidos como RAM (Radar Absorbing Materials) também buscando um retorno menor do sinal no radar do inimigo. [345] Figura 2. F-117 Nighthawk.

3 4. Plasmas Aplicados na Redução do RCS O plasma é um gás formado por íons positivamente carregados e elétrons ou seja o plasma surge da ionização de átomos ou moléculas neutras. Dentro de uma escala de volume macroscópica o plasma é quase-neutro ou seja o número de cargas negativas é igual ao número de cargas positivas. [6] A perda de elétrons ioniza os átomos de um gás. A ionização ocorre e o estado ionizado se sustenta porque o gás: 1. é muito quente tal que as colisões entre átomos são suficientemente intensas para que os elétrons sejam arrancados dos mesmos 2. é muito rarefeito de maneira que os elétrons uma vez removidos raramente encontrarão um íon com o qual possam se recombinar 3. está sujeito a fontes externas de energia tais como campos elétricos intensos ou radiações capazes de arrancar os elétrons dos átomos. Devido a interação das partículas carregadas que o constitui o plasma interage com campos elétricos e magnéticos podendo ser capaz de espalhar refletir ou absorver as ondas eletromagnéticas. Uma cortina feita com o plasma adequado seria capaz de absorver a energia emitida pelo radar tornando a aeronave (ou outro veículo qualquer) impossível de ser detectado por esse equipamento. [78] Um artigo do Journal of Electronic Defense de Junho de 2002 afirma que dispositivos de geração de plasma para aplicações stealth desenvolvidos na Rússia eram capazes de reduzir o RCS de uma aeronave por um fator de 100. Experimentos semelhantes já são realizados no ocidente pelos EUA em navios de forma a também atribuir características stealth a estas plataformas. [89] 5. Primeira Fase de Experimentos A produção de um plasma adequado para a absorção das ondas eletromagnéticas provenientes do radar (homogêneo e denso) não é uma tarefa simples. Uma forma de produzir tal plasma em laboratório é justamente utilizando uma fonte de microondas (RF) contudo isto vai de encontro ao nosso objetivo de absorção da radiação eletromagnética pois excitado por microondas este plasma irá também emitir radiação eletromagnética em uma freqüência próxima da fonte RF que o produziu. Uma alternativa a fonte RF é a ionização do gás por meio de descargas elétricas dentro de um recipiente onde está contido o gás que pretendemos ionizar. Como as partículas do gás ionizado logo se recombinam retornando ao estado neutro a fonte de alta tensão deve permanecer ligada para o plasma manter-se. Assim em um primeiro experimento de viabilidade de utilização de plasmas como atenuador redutor do RCS de aeronaves utilizou-se um globo de plasma comercial a fim de aferirmos seu RCS ligado (com plasma no interior) e desligado (gás no interior neutro) (Fig. 03). Figura 3. Globo de plasma montado na torre suporte da câmara anecóica. O globo foi recoberto em um hemisfério com papel alumínio de modo que as ondas eletromagnéticas provenientes da fonte RF da câmara anecóica atravessassem o interior da esfera e refletissem na parte traseira retornando em direção ao cone receptor (Fig. 04). Logo definimos o RCS do globo como o sinal de retorno do mesmo nessa configuração.

4 Figura 4. Montagem do Globo de Plasma. Figura 5. Detalhe de montagem do sistema de transmissão da câmara anecóica. Concluida a montagem do experimento aferimos o RCS do globo primeiramente desligado e em seguida ligado (com plasma em seu interior) na frequência de 10 GHz (proxima aquela utilizada em radares militares). O resultado se encontra no grafico abaixo (Fig. 06). Figura 6. Resultado Experimental do Globo de Plasma em função ângulo de aspecto.

5 6. Resultados do Primeiro Experimento O resultado obtido não foi de todo satisfatório pois não foi possível vislumbrar significativa diferença entre o globo com e sem o plasma. Pode-se atribuir tal ineficiência na baixa densidade do plasma contido no globo e no seu tamanho reduzido de modo que as ondas eletromagneticas pouco interagiram com as particulas ionizadas. O retorno no radar do globo ligado contudo resultou em um sinal mais estável que o do globo desligado. Tal fato poderia indicar que o globo eletrizado de alguma forma se tornou mais homogêneo frente ao radar. Assim uma forma alternativa de tornar um alvo (aeronave navio etc...) invisível ao radar seria criar ao redor do mesmo uma superfície de plasma homogênea com forma suave (elipsoidal por exemplo) de forma a defletir as ondas do radar em direção oposta ao conjunto fonte/receptor reduzindo assim o RCS (Fig. 07). Figura 7. Esquema de deflexão do sinal do radar utilizando plasma. 7. Segunda Fase de Experimentos Pensando na possibilidade de utilizar o plasma para defletir as ondas eletromagnéticas ao invés de absorvê-las foi formulado um segundo experimento consistindo na produção de plasma por efeito corona. Tal experimento pareceu mais promissor especialmente em termos práticos pois tal plasma poderia ser produzido em condições normais de temperatura e pressão ou seja em condições mais semelhantes aquelas encontradas durante o vôo. O novo experimento montado consistiu em duas placas de acrílico de 20 cm x 20 cm e 20 cm x 50 cm formando um diedro (Fig. 08) ligadas em suas extremidades por finos fios de cobre de modo que aplicando uma grande diferença de potencial entre dois pares de fios por efeito corona ocorrera a eletrização do ar ao redor dos mesmos. Assim na ausência do plasma (fonte de alta tensão desligada) o conjunto se comportaria como uma placa plana ao passo que ligada a fonte de alta tensão o plasma atuaria como uma superfície refletora plana inclinada defletindo as ondas eletromagnéticas em direção oposta ao receptor (Fig.09). Figura 8. Experimento de deflexão do radar utilizando plasma.

6 Figura 9. Esquema teórico do método de deflexão do radar utilizando plasma. O diedro vertical seria coberto com uma superfície de alumínio de modo a tornar-se refletor as ondas eletromagnéticas emitidas pelo radar. O sistema todo quando ligado seria nutrido por uma fonte de alta tensão AC regulável. Assim o experimento consistiria em produzir um plasma homogêneo e denso o suficiente para defletir o sinal do radar e comparar resultados estando o sistema ligado (com plasma) e desligado (sem o plasma). O diedro por sua vez simularia a estrutura existente entre uma das asas e o leme de uma aeronave região essa responsável por o maior pico de sinal de RCS na maioria das aeronaves. 8. Resultados do Segundo Experimento As dificuldades técnicas na conclusão do segundo experimento começaram ainda na confecção do diedro. A dificuldade em alinhar os fios de modo a mantê-los paralelos e eqüidistantes um dos outros impediu a produção de plasma. Utilizou-se dois anteparos de isopor que proveram sustentação aos fios e maior alinhamento (Fig. 10) contudo as descargas elétricas entre fios muito próximos não cessaram e o plasma produzido foi muito pouco denso e de difícil visualização (se comparado ao mesmo plasma visto no globo de plasma do primeiro experimento). A escolha de utilização de anteparos de isopor deveu-se ao fato de que qualquer outra estrutura de metal adicionada ao conjunto configuraria em mais ruído ao sistema frente ao radar pois refletiria o sinal do mesmo tarefa essa que deveria ser atribuída ao plasma. Ainda utilizando o diedro de acrílico foram testadas outras configurações alterando o número de fios e também o diâmetro dos mesmos. Contudo embora com um maior número de fios as descargas elétricas diminuíssem a superfície formada tornou-se refletiva as ondas eletromagnéticas do radar pois o espaçamento entre cada fio foi reduzido a um tamanho inferior ao comprimento de onda do radar utilizado (em torno de 3 cm). Assim tornou-se complicado avaliar a real influência do plasma produzido na reflexão das ondas eletromagnéticas provenientes do radar pois evidenciou-se uma impossibilidade de separar no sinal as parcelas de reflexão dos fios metalizados e do gás ionizado que os circundavam. Figura 10. Teste do segundo experimento utilizando anteparos de isopor para alinhamento.

7 9. Conclusão A iniciativa de estudar a utilização de plasmas na redução do RCS de aeronaves (e por conseqüência em outros objetivos militares) mostrou uma série de dificuldades técnicas que devem ser superadas desde a fase teórica até a efetivação no campo de batalha. Inicialmente seguindo algumas idéias tiradas de artigos internacionais foram buscadas formas de aplicar o plasma na absorção da radiação eletromagnética proveniente do radar afim de reduzir o sinal de retorno tal qual funciona os materiais absorventes usuais. A grande vantagem em termos de aplicação aeronáutica seria obviamente a redução do peso já que os materiais absorventes de radiação eletromagnética (MARE) possuem basicamente ferrita em sua composição. Logo um pequeno gerador de plasma acoplado a aeronave poderia mostrar-se bem mais interessante. Nos primeiros experimentos realizados a abordagem de absorção do plasma pareceu equivocada já que o plasma nunca apresentou densidade suficiente para absorver a radiação eletromagnética e passado algum tempo tende a aquecer emitindo em freqüência semelhantes aquela da onda absorvida. Um experimento interessante para a visualização desse fenômeno é a introdução de uma ampola de vidro com algum gás (argônio por exemplo) no microondas de modo que o gás ao ser excitado passa a emitir radiação eletromagnética em freqüências próximas a da fonte. Uma nova abordagem que consistia em utilizar o plasma para defletir as ondas provenientes do radar ao invés de absorvê-las foi aplicada ao experimentos embora com resultados poucos satisfatórios. O plasma produzido foi de baixíssima densidade e mesmo depois de diversos experimentos as descargas elétricas entre os fios não cessaram impedindo assim a realização de práticas mais conclusivas na câmara anecóica do IFI. Diversos artigos existentes sobre o assunto mostram que ao menos teoricamente a utilização de plasmas aplicados na redução do RCS de aeronaves é promissora. Contudo os diversos experimentos conduzidos mostraram que mesmo em pequena escala é bastante difícil produzir plasma estável e em quantidade e densidade suficiente para defletir as ondas eletromagnéticas. Para um efetivo uso dessas técnicas se faz necessário antes a realização de experimentos mais sofisticados com a produção de plasmas mais homogêneos e com o aprimoramento das técnicas de aferição do sinal de retorno de forma a discernimos com precisão a real influência do plasma. 10. Agradecimentos Ao CNPq e ao ITA pelo suporte a pesquisa efetuada; ao Prof. Inácio Malmonge Martin pelo inestimável apoio e orientação; aos amigos Asp-of-Eng. Davi Valle Ferreira e Asp-of-Eng. Júlio César Moura de Oliveira pelas valiosas contribuições as pesquisas iniciais e que deram origem a esse trabalho. 11. Referências [1] Miacci M. A. S; Martin I. M.; Rezende M. C.: Indoor and Outdoor Evaluation of Missile Prototype Scattering Diagrams Centro Técnico Aeroespacial São José dos Campos 2005 [2] Peixoto G.G.; de Paula A. L.; Andrade L.A.; Lopes C.M.A.; Rezende M.C. : Radar Absorbing Material (RAM) and Shapimg on Radar Cross Section Reduction of Dihedral Corners Centro Técnico Aeroespacial São José dos Campos 2005 [3] Acessado em (15/05/2007) [4] Schleher D.C.: Eletronic Warfare in the Information Age Artech House Publishers Norwood [5] Neri F.: Introduction to Eletronic Defense Systems Artech House Publishers Norwood [6] Acessado em _ de_plasmas.htm (15/05/2007) [7] Acessado em (15/05/2007) [8] Gao Yong; Shi Jiaming; Wang Jiachun. The Calculation of Back-Scattering Radar Cross Section of Plasma Spheres. Institute of Eletronic Engineering Hefei. [9] Acessado em (15/05/2007)