jueves, 15 de octubre de 2015

Hablemos de misiles A/A


Mirage F-1 (C.14) N° 72 después de una inspección rutinaria
en el hangar de armamento. 
En 1992 dejaba de trabajar con el Mirage F-1 en el ALA mixta 46 (Gran Canaria) para pasar a trabajar con el modernísimo F/A-18 en ALA 15 de Zaragoza. En aquellos años se me pidió una pequeña colaboración para una revista interna del escuadrón de Mantenimiento.

En aquel momento me acababa de matricular en la facultad de psicología y mi propuesta fue la de exponer algunos conceptos básicos relacionados con mi especialidad (Radares y misiles) junto con algunos datos interesantes sobre psicología cognitiva de la carrera que estaba empezando a estudiar. Lo que sigue es una transcripción de aquel artículo.

HABLEMOS DE MISILES A/A


Como su propio nombre indica el Hornet puede transportar una gran variedad de “aguijones” ponzoñosos, desde los más sencillos de guía pasiva hasta los más sofisticados misiles del tipo “Fire and Forget”, pasando por una gran variedad de armas A/G (Air to Ground – Aire/Tierra) incluyendo aquellas de designación láser, como las famosas GBU (Guided Bomb Unit). Su arsenal se incrementa día a día. Los dos misiles que en este momento (este artículo se escribió en los 90) monta nuestro EF-18 son el AIM-7 Sparrow y el AIM-9 Sidewinder. (AIM es el acrónimo de Air Interception Missile).


Misil AIM-7 Sparrow


Misil AIM-7 SparrowEl AIM-7 Sparrow es un misil supersónico aire-aire de medio alcance utilizado por el EF-18. Su empleo más idóneo es en escenarios más allá del alcance visual (BVR). Se caracteriza por tener un guiado semiactivo, es decir, la guía del misil depende de la energía radiada por el avión lanzador que a su vez es reflejada por el blanco. Esta energía puede ser de onda continua o doppler y es emitida por el radar del aparato lanzador. La cabeza buscadora del misil recibe e interpreta la energía reflejada por el blanco y una vez procesada, la transforma en señales a los mandos de vuelo del misil, que por medio de un piloto automático controla sus superficies externas de control para hacerlo llegar al blanco, en cuya zona de "letalidad" se detona el explosivo de la cabeza de guerra por medio de una espoleta de impacto o de proximidad. Las últimas versiones de este misil, desarrollado en 1952, han mejorado las capacidades de proceso del misil, la capacidad de disparo hacia el suelo (look-down/shoot-down) y son más resistentes a las contramedidas electrónicas. Hasta la actualidad se han fabricado unas 40.000 unidades del AIM-7.

Misil AIM-9 Sidewinder


Misil AIM-9 SidewinderDistintas versiones del misil Sidewinder se pueden lanzar desde los aviones del Ejército del Aire: EF-18 (AIM-9L/I y JULI), F-1(AIM-9JULI) y F-5 (AIM-9JULI). Se trata de un misil supersónico aire-aire de corto alcance y guiado infrarrojo de origen norteamericano que está dotado de un detector óptico o láser con una cabeza de guiado de alto explosivo. Este tipo de sensores permite al piloto lanzar el misil y abandonar el área de combate o realizar acciones evasivas mientras el misil continúa su guiado automático hacia el blanco, es decir, es un misil de características 'dispara y olvida'. El guiado del misil se realiza por medio del seguimiento de la energía infrarroja de la fuente térmica que desprende todo avión.


Aunque fue desarrollado inicialmente para la defensa aérea de la Marina Norteamericana, la Fuerza Aérea de ese país lo adoptó rápidamente para sus aviones de combate. El primer prototipo fue lanzado con éxito por primera vez el 11 de septiembre de 1953 en el Naval Weapon Centre en China Lake (California, EE UU). En posteriores versiones como la L ('lima'), se consiguió una mayor maniobrabilidad con un nuevo motor cohete de combustible sólido y con la capacidad de atacar desde cualquier sector, incluso cara a cara, gracias a su nuevo sensor. El último desarrollo de la familia de misiles Sidewinder, el AIM-9X incrementa notablemente las características de las actuales versiones, proporcionando un mayor campo de visión y una mayor maniobrabilidad gracias a una nueva cabeza buscadora y a un nuevo motor de empuje vectorial.

Conceptos básicos

En el primer número de la revista dedicaremos este artículo a reflexionar sobre ciertos aspectos mal entendidos relativos a misiles. A pesar de que una de las consecuencias de la guerra de Vietnam fue el regreso al interior del caza del cañón, hoy en día se sigue considerando al misil como la principal arma de los modernos aviones de combate. Para empezar el término “Misil Guiado”, tan profusamente usado en aviación, es por así decirlo, equivocado o cuando menos inapropiado. 

Solamente unos pocos misiles son realmente “guiados”, el término guiado implica un control real en todo momento y aspecto del vuelo, llevado a cabo por el que lo dispara. Esto sólo ocurre con unos pocos tipos de misiles muy específicos existentes en la actualidad; evidentemente los misiles del Hornet (Sparrow y Sidewinder) no entran en esta categoría. El término más apropiado para estos últimos debería ser algo así como misiles seguidores de blancos o auto dirigidos “Homing missiles” o “Target following missiles” en inglés. El hecho de que los misiles puedan maniobrar para seguir a sus blancos parece que puede ser la causa de tal confusión.


Un poco de historia

Los antecedentes más originales que conozco sobre dirección de misiles datan de la época de preguerra, cuando se estudió la posibilidad de aplicar control orgánico a un dispositivo mecánico, el proyecto ORCON (Organic Control), basado en parte en la experiencia de los perros de la guerra de la primera gran contienda mundial.

Durante el periodo entre guerras el psicólogo norteamericano Burrhus F. Skinner trabajó en un sistema de dirección conductual para proyectiles aire-tierra, denominado proyecto ORCON. El proyecto consistió en entrenar palomas por medio de una técnica de aprendizaje utilizada en psicología llamada Condicionamiento Operante, basada en incrementar la probabilidad de ocurrencia de una conducta en función de incentivos o castigos. Las palomas debían picotear una imagen proyectada del blanco que debía alcanzar el proyectil en que están encerradas. El picoteo activa los controles del proyectil de modo que este siga hacia su blanco hasta chocar con él, y destruirlo junto a la paloma. Durante ataques simulados se observó el gran control sobre las palomas en maniobras de aproximación muy complicadas. 

Se puede leer una entrada dedicada a esto en el link:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/03/historia-del-control-de-vuelo-el.html

A Skinner le entusiasmaba más por el control que se podía ejercer sobre seres vivos que por otra cosa, pero el proyecto se consideró irrealizable y jamás llegó a volar un sólo proyectil guiado por paloma. Aparte de los problemas de tipo técnico aquí se mezclan también los de tipo ético, ya que los animales son destruidos con cada impacto. Trate de imaginar también el lector la cara del portavoz oficial de la OTAN (si el proyecto hubiera sido posible) intentando explicar en un conflicto como el de la actual ex- Yugoslavia, que los daños colaterales causados por un misil que erró el blanco fueron debidos a ciertos problemas técnicos en el entrenamiento de las palomas Kamikazes. 

Mientras los matemáticos y cibernéticos intentaban dar con formas de control mecánico de proyectiles y otras armas, acabaron por inventar el computador digital moderno. WIENER para los misiles teledirigidos desarrolló su concepto de FEED-BACK(RETROALIMENTACIÔN), cuyo ejemplo más típico es el del termostato. 


Concepto de retroalimentación

En realidad el primer misil que consiguió una capacidad total de maniobra fue el AIM-4 Falcon a finales de los años 40. Este misil era grande y pesado, nada parecido a lo que hoy conocemos. Se diseñó en principio para ser subsónico y poder ser lanzado desde el avión de caza XF-98. Se modificaron algunos aviones para volar sin piloto de forma autónoma y poder hacer pruebas de derribos reales. Después de todos estos intentos se consiguió que los misiles volaran contra sus blancos con un mínimo de fiabilidad y eficacia, entonces ya no bastaba con las maniobras evasivas que surtían efecto contra cañones, los misiles alcanzaban factores de carga de 30 G’s en giros lo cual dejaba muy atrás la capacidad de maniobra de cualquier avión de combate, con aproximadamente 7 G’s o poco más.

Hoy entendemos que el futuro de las victorias en combate A/A pasará por poseer una mayor tecnología dirigida a una detección temprana del enemigo, la cual nos posibilitará una ventajosa posición (la de ser los primeros en ver), si a esto unimos el mayor alcance de nuestros misiles y la superioridad de nuestras contramedidas para no ser vistos lograremos un buen blanco. En el futuro se espera conseguir misiles “inteligentes” capaces de discriminar blancos no sólo por su firma IR/RADAR, sino también empleando técnicas menos tradicionales como detección del ruido aerodinámico del blanco, armónicos de los motores o exploración láser para verificación de la forma exterior. La guerra aérea es una guerra de tecnología punta.

Misiles versus aviones

El concepto de energía de maniobrabilidad del Comandante John Boyd se puede aplicar a los misiles de igual forma que en su día se aplicó a los aviones; en los siguientes ejemplos veremos como el alcance aerodinámico (o cinético) al cual puede llegar el misil con pleno auto guiado, está en función de las posibilidades de los sistemas de propulsión., de guiado y de control del misil, de su avión lanzador y del propio blanco. La teoría de la Energía-maniobrabilidad es un modelo de actuaciones (performance) de la aeronave o misil para describir el rendimiento de un avión como el total de las energías (cinética y potencial) o energía específica. El concepto tiene que ver con el empuje, el peso, la fricción/resistencia, superficie alar, y otras características del vuelo de una aeronave o un misil en un modelo cuantitativo. Gracias a esta fórmula se puede llegar a comparar y predecir las capacidades de combate de distintos aviones/misiles o futuros retos y compromisos de diseño. Todos estos aspectos de la performance del avión se comprimen en un solo valor por la siguiente fórmula:



  \begin{array}{rcl}
    P_S & = & V \left ( \frac{T-D}{W} \right ) \\
    \\
    V   & = & \text{Velocity} \\
    T   & = & \text{Thrust} \\
    D   & = & \text{Drag} \\
    W   & = & \text{Weight}
  \end{array}


En otras palabras, el exceso de energía específica es proporcional a la relación de las fuerzas motrices netas en comparación con el peso del avión/misil ademas de ser directamente proporcional a la velocidad de estos.

Un caso práctico

Un misil que vuela a Mach 4 en la tropopausa y ejecuta un giro de 30 G’s podría tener un radio de giro de unos 14.600 ft (4.450 m) y una velocidad angular de unos 14 grados/seg. Comparándolo con un caza cuya mejor maniobrabilidad se produce a 400 kts (737 km/h), podría efectuar giros con un radio de 8.180 ft (2.494 m) con sólo 2 G's y alcanzar una velocidad de giro de unos 16 grados/seg a 6 G's. 

Los misiles modernos calculan cual va a ser la posición del avión. De esta forma acortan el camino al blanco. La superiridad de su capacidad para sostener G's les hace ser mucho más maniobrables que los cazas.

Naturalmente el misil no sigue al blanco en todos sus giros, el misil acorta el camino, podríamos decir entonces que el avión blanco tiene poco que hacer, pero esto no es así. Hay que tener en cuenta que en cada giro el misil pierde energía y reduce así su capacidad de alcance, mientras que un avión en maniobra evasiva puede dificultar en gran medida su seguimiento. Esto se refiere, por supuesto, a misiles que siguen objetivos por su cola, en otras situaciones una enérgica maniobra por parte de un piloto experimentado puede sacar el avión blanco fuera de la envolvente de vuelo del misil con mayor facilidad. A esto hay que añadir las contramedidas propias del avión (chaff y bengalas). Así pues vemos que un piloto hábil puede forzar maniobras en las que con un poco de suerte puede llevar al misil hacia los movimientos que peor ejecuta este o más allá de los límites de su envolvente; la clave de todo ello reside en el tiempo que se tarda en saber cuando nos han disparado un misil, sobre todo si se trata de un misil BVR (Beyond Visula Range - más allá del alcance visual).

Las condiciones de la envolvente del vuelo de un misil dependen de muchos factores, entre ellos, el más importante es la velocidad relativa entre avión lanzador y blanco. Así, la velocidad en Mach y la duración del vuelo de un misil se ven afectadas en gran medida por la velocidad del avión lanzador, lo ideal es que el avión lanzador vuele a su velocidad máxima para conferir al misil la mayor cantidad de energía de empuje y velocidad maximizando de esta forma la energía total del misil cuando este agote su cuerpo motor, ello incrementará su alcance además de su probabilidad de acierto (Pk) (Kill Probability) especialmente en armas BRV (Beyond Visual Range). Esta es por ejemplo la‚ táctica seguida por el binomio Mirage 2000 / Matra-Magic. Los Mirage 2000 se ven limitados en combate cercano por su ala delta, pero volando en parejas, muy alto y muy rápido son enemigos temibles para aviones mucho más maniobrables, precisamente por la alta energía que confieren a sus armas.

Lanzar a baja cota no sólo reduce velocidad y empuje en el avión lanzador, sino también el total de la energía suministrada que el misil adquiere y su velocidad punta. El aire en la atmósfera a baja cota es más denso y por tanto crea mayor rozamiento en los cuerpos que en él se desplazan; también la alta presión en el cuerpo motor del misil le hará perder empuje. 

De la misma forma que se pierde velocidad y potencia, el alcance cinemático del misil también es algo que se ve afectado por muchos factores, compárese estos hipotéticos casos, (cara a cara y en persecución), ambos ambos con un tiempo de vuelo del misil de 30 seg y un alcance desde parado de 20 nm (37 km). Si el blanco se desplaza a Mach 1. En ambos casos rápidamente nos damos cuenta de que en la situación cara a cara podemos efectuar un lanzamiento cuando el blanco está todavía a 25 mn (46 km) mientras que en una persecución deberíamos lanzarlo a no más de 15 nm (28 km) para permitirle alcanzar el blanco.

La diferencia es la distancia creada por el movimiento del blanco durante su tiempo de vuelo. Altitudes relativas, velocidades, potencia, densidad de la atmósfera etc. todo influye. Por ello no nos dejemos deslumbrar por los datos del fabricante sobre tal o cual misil, pues todo depende de la circunstancia del disparo.






Actualización: 31.10-2015

Impresionante vídeo desclasificado en el que se puede escuchar la grabación de los pilotos norteamericanos que pilotaban los f-14 Tomcat y que derribaron a 2 MiG 23 Flogger en el Golfo de Libia en 1989.

Algo de terminología para poder entender lo que sucede en la grabación:
  • Angeles- Blocks of thousands of feet. Example, “angels 21” is 21,000 feet. 
  • Jinking- Making hard turns.
  • Bogey- Unidentified aircraft, usualy a radar contact. Once the aircraft is indentified and deemed a threat it becomes a Bandit. 
  • Offset- Approaching a target not head on but offset to one side by a number of degrees.
  • Warning yellow, weapons hold- There is a threat to the battlegroup, still peacetime rules of engagement apply.
  • Master Arm- Basically a combat aircraft’s safety. Once activated, the aircraft’s weapons become ready to be fire or released if toggled. 
  • Fox 1- Fox is firing air-to-air missile. Fox 1 for a semi-active radar-homing missile, namely the AIM-7 Sparrow. Fox 2 is for an infrared guided missile, namely the AIM-9 Sidewinder. Fox 3 is for an active radar guided missile, namely the AIM-54 Phoenix or now the AIM-120 AMRAAM. 
  • Tone- When the sidewinder’s seeker locks onto a target an audible signal in the pilots headset goes from a low growl to a higher pitched steady tone, at which time the pilot can fire the missile knowing it is locked onto a target.
  • Tally- Call to convey visual identification of an object, often followed by a number of how many can be seen.
  • Good Chutes- Parachutes have successfully deployed after an ejection




Bibliografía:

Misiles Aéreos Modernos
Bill Gunston
Ed. San Martín

Aviones Militares Futuros
Bill Gunston
Ed. Orbis

Fighter combat tactics and manoeuvring
Robert L. Shaw
Ed. IHCA

Malvinas testigo de batallas 
Jesús Romero/Salvador Mafé
Ed. Federico Domenech

The Great Book of modern warplanes
Ed. Salamander Books Ltd.

Armamento Aéreo para el siglo XXI
Dossier de la Revista de Aeronáutica y Astronáutica junio-1998

Apuntes de psicología cognitiva sobre cibernética y control -Proyecto ORCON 


Parte del material se ha obtenido también del Ministerio de Defensa (Ejercito del Aire).


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